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基于STM32和反射式光电容积脉搏波(PPG)技术设计了一种具有抗运动干扰特性的腕戴式心率计。由STM32产生的PWM波控制红外光源的开通或关闭。光电传感器采集到光强信号转换为电信号后经过I/V转换和信号放大及滤波电路,送入STM32作进一步处理,通过蓝牙4.0可以方便地将测得的心率参数发送到液晶屏上显示。采用LMS自适应滤波算法滤除PPG信号中运动干扰噪声。实验表明,该心率计在人体处于不同运动状态(静止、行走及跑步)下都有很高的测量准确率。
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一种基于一种基于STM32和和PPG技术的腕戴式心率计设计技术的腕戴式心率计设计
基于STM32和反射式光电容积脉搏波(PPG)技术设计了一种具有抗运动干扰特性的腕戴式心率计。由STM32产
生的PWM波控制红外光源的开通或关闭。光电传感器采集到光强信号转换为电信号后经过I/V转换和信号放大及
滤波电路,送入STM32作进一步处理,通过蓝牙4.0可以方便地将测得的心率参数发送到液晶屏上显示。采用
LMS自适应滤波算法滤除PPG信号中运动干扰噪声。实验表明,该心率计在人体处于不同运动状态(静止、行
走及跑步)下都有很高的测量准确率。
0 引言引言
心血管疾病是威胁人类生命健康的严重疾病,且发病年龄呈现年轻化的趋势。随着人们健康意识的增强,自我保健的需求
不断增长,医院中精度高但使用不便的心电图仪已不能满足人们对心脏进行日常监护的需求。因此基于
[1]
。虽然市面上已有多
种便携式心率仪,但大部分不能在人们进行日常活动时应用,只能进行短时间段的监测,不能有效抵抗运动干扰
[2-4]
。夹于耳
垂或头戴式的测量设备也不利于用户体验
[5-7]
。
基于以上考虑,本文以
1 系统设计系统设计
1.1 硬件设计硬件设计
硬件电路主要包括6个单元模块:电源系统模块、PPG信号检测传感单元模块、信号放大及滤波电路,加速度传感器、低功
耗蓝牙4.0通信模块和微控制器。整个硬件嵌入可通过弹性腕带佩戴在手腕上,通过与上位机(如智能手机等)通信,将测量
的数据传送给上位机处理及显示,系统结构如图1所示。
由于穿戴式设备对体积和重量的严格要求,设计的穿戴式心率计采用型号为LIR2450的可充电式锂离子纽扣电池作为电源。
红外光源产生及控制电路的作用是提供PPG技术需要的波长稳定且光强可控的红外光源,采用红外光源模块SFH4050,并由
微控制器产生的PWM波控制其开通或关闭。PPG信号I/V变换电路将光电传感器BPW34S感应到的微弱电流PPG信号转换成较
大的电压信号,为了解决PPG信号中直流分量放大会导致运算放大器饱和的问题,采取将该单元电路的输出经低通数字滤波
后反馈到输入端以抵消直流分量的措施。由于经I/V变换电路放大后的PPG信号幅度不足以被以有效精度采集到
STM32L152CB中,需要对PPG信号进行二级放大。为了消除直流分量对交流分量放大的影响,采用了差分放大电路结构并同
时对PPG信号进行了低频滤波。微控制器STM32L152CB通过SPI通信接口以1 Mb/s的速率与三轴加速度计LIS3DH通信,通
过I2C通信接口以400 kb/s的速率与蓝牙4.0(CC2541)通信。将测得的加速度数据作为被测部位运动干扰噪声信号的参考信
号,经SPI接口送入微控制器中,作为自适应滤波算法中的噪声参考信号数据。通过蓝牙4.0可以方便地将测得的心率参数发送
到人们随身携带的智能手机上供观察或利用终端平台进行进一步处理。
1.2 软件设计软件设计
穿戴式心率计系统的软件架构如图2所示。初始化配置好ADC、DAC、SPI、I2C、三轴加速度等外设的工作模式后,调整
定时器输出的100 kHz的PWM波的脉宽,使光源电路电流稳定为20 mA,设置一个定时周期10 ms的自动重装载模式的定时器
并使其中断,然后使微控制器(MCU)进入低功耗睡眠模式。定时器将每隔10 ms唤醒一次MCU,随后MCU执行图2中所示10
ms定时器的中断程序,完成对PPG信号I/V转换电路输出的低通滤波。为了使PPG信号电压放大电路与I/V转换电路间的信号
同步,使用2 ms定时器中断唤醒MCU并执行图2所示的2 ms定时器中断程序,完成心率的计算并通过蓝牙4.0输出到上位机,
随后MCU再次进入低功耗睡眠模式,等待10 ms定时器唤醒。
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weixin_38664532
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