1.2.3 USB模块

芯片集成的USB2.0通信模块，不需要外接USB控制芯片，为微控制器和PC主机所实现的功能之间提供了符合USB规范的通信连接。微控制器和PC主机之间的数据传输通过共享一个专用的数据缓冲区来完成。USB模块同PC主机通信，根据USB规范实现令牌分组检测，数据发送、接收处理和握手分组处理，CRC的生成和校验，整个传输的格式由处理器集成的硬件控制器完成。

(资料图)

2 系统程序设计

整个系统软件程序在RealView MDK集成开发环境下，采用C语言编写完成。系统启动时，按要求完成时钟控制、ADC、DMA、中断控制器、GPIO以及USB模式的配置工作，然后使能USB并启动ADC采集功能，延时一段时间等待系统稳定，以避免系统刚启动时出现误码。开始数据的实时采集与传输工作，在进行数据传输的同时，处理器进行脉搏波数据的波形特征提取与识别，并将分析结果通过USB发送至计算机。

脉搏波形是一种周期信号，通过计算相邻两个波形的最大值间隔的时间即可得出脉率，同时计算单个脉搏波的最小值，则脉搏波的峰-峰值可由最大值与最小值之差得出。HKG-07B红外脉搏传感器输出信号幅值在0.2V～1V范围内，抗混叠滤波器增益为2.575，为了显示出没有脉搏信号时的水平线，将输入信号电位抬升0.6V，则采集得到的信号幅值范围为0.6V～3.175V。选取2.5V信号幅值为示意临界值，正常人的心率范围为60～100次/分，当处理器计算出脉搏波形数据异常(幅值小于2.5V，脉率小于60次/分或大于100次/分)，向计算机发送异常结果及指令，提醒注意。

系统程序设计流程如图3所示。

STM32微控制器的ADC进行数据转换需要占用内核，但是利用DMA方式进行数据传送的过程不耗用内核时钟周期，方便了处理器进行脉搏波形数据的特征提取与识别任务。因此，可以避免普通数据传送模式过程中，大量占用CPU资源，出现对部分采集到的波形数据丢失的现象[13]，实现了数据采集实时传送的要求，提高了脉搏波形信号的采集效率以及完整度。

3 系统测试

采集系统硬件预留TP1为脉搏仪输出信号测试点，TP3为信号调理电路输出测试点。通过USB接口电缆连接采集板与PC机，采集板上的LED电源指示灯亮，说明系统供电正常。红外脉搏仪通过3.5mm标准音频接口与采集板相连接。使用Agilent公司生产的DSO-X 2012A型示波器进行测量。

将红外传感器接入系统的传感器接口，示波器测得的原信号波形与处理后的波形如图4所示。通道1测得的波形为HKG-07B红外脉搏传感器输出波形(上)，通道2测得的波形为采集板信号调理电路输出信号波形(下)。信号经过4阶巴特沃斯抗混叠滤波器后，噪声得到了明显的抑制，输出信号明显比传感器原始输出信号光滑。

利用上位机软件进行分组测试。上位机对数据进行了一次滤波处理，以使得到的波形更加平滑，如图5所示，分别为采集的2位测试者的脉搏波形。

由测试结果可知，数据采集系统较好的完成了数据采集任务，采集波形清晰完整，无明显失真现象，USB数据传输未出现误码，工作正常稳定。

4 结论

采用Cortex-M3内核32位处理器设计红外式脉搏数据采集系统是一次成功的尝试。系统研制过程中，STM32F103VET6处理器内部集成高速ADC模块和USB接口模块等丰富的资源为系统设计带来了诸多便利。此外，抗混叠滤波器在抑制干扰噪声方面的优势也是系统成功开发的关键之一。可以预见，探索脉搏信号波形特征与生理疾病之间的内在联系，并将其应用于实际，必将成为医疗卫生领域内的又一研究热点。最后，随着数字信号处理技术和实时高速数据采集技术的广泛应用，研究数字化抗混叠滤波器，从而克服采用分立元件设计电路固有的参数漂移等诸多弊端，也必将进一步提升系统综合性能。

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