（信号与信息处理专业论文）便携式心血管监护系统的设计和实现.pdf

西华大学学位论文独创性声明 j | i j ii ii fi iiillj iij i ipilll 18 8 4 7 4 3 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论支作者签名： 秀疑指导教师签名：勺? 日期：如，岁。订日期少ff f 乃l 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：童鸯荧 指导教师签名：孑， 日期：沙7 l 汀 日期 知f f f 巧i 西华大学硕士学位论文 摘要 随着人们社会生活节奏、人口老龄化速度的加快，心血管疾病已成为严重威胁人类 生命和健康的主要疾病，且在心血管疾病的早期，没有任何症状，也就是说，病人很难 发现自己患有此病，如果不能及早发现并进行治疗将会产生非常严重的后果。因此为了 方便人们能自己了解自己的身体健康状况，需要我们开发一种便携、经济、实用的家用 监护设备终端，实现人们对心血管疾病的早发现、早诊断和早治疗。 本文设计的是一种基于智能手机的便携式心血管监护系统，通过脉搏传感器采集与 心血管疾病相关的脉搏信号，经过智能手机的数据处理与分析，得出人体的心血管血流 参数，其与正常值比较可判断心血管血流参数是否正常。它可实现对病人的2 4 小时不 间断监护，能实时诊断心血管病人的病情，并在智能手机上显示，在病情突变时自动报 警，以实现迅速救治。论文给出了便携式心血管监控系统的硬件结构和软件体系的总体 设计方案。 便携式心血管监护系统的硬件方面：以多普达公司的p 8 0 0 智能手机为控制核心， 前端主要由电源模块、蓝牙模块、单片机模块组成。文中对各部分的设计实现做了详尽 的论述。软件设计方面：以图形化虚拟仪器开发软件l a b v i e w 9 0 为平台，在l a b v l e w m o b i l e 模板下，开发出了友好的监控系统界面，主要有波形实时显示界面、信号分析 界面，系统软件设计主要实现脉搏信号的串口接收、显示、信号处理、结果分析、存 储、回放等功能，并将存储的波形通过a c t i v e s y n c 链接工具传送到p c 机上，在m a t l a b 中运用小波变换去噪，后经过傅里叶级数得到脉搏波的各种频谱下的幅值，最后采用改 进的b p 神经网络的方法对提取的各种频谱下的脉搏波的幅值进行分析处理得出对病人 的诊断信息。 本文所研究的便携式心血管监护系统，具有操作简单，界面友好，灵活性高和可扩 展性等特点，能够实现低成本实时监控。论文对以上各项工作进行了详细的阐述，基本 达到设计要求，为进一步的研究开发奠定了良好的基础。 关键词：智能手机；脉搏信号；单片机；虚拟仪器；改进b p 神经网络 便携式心血管监护系统的设计和实现 a b s t r a c t w i t ht h er h y t h mo fs o c i a ll i f ea n dt h ea c c e l e r a t i o no f p o p u l a t i o na g i n g ，c a r d i o v a s c u l a r d i s e a s eh a sb e c o m et h em a j o rd i s e a s e sw h i c hs e r i o u s l yt h r e a t st oh u m a nl i f ea n dh e a l t h t h e e a r l yc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei sn os y m p t o m s ，t h a ti s ，i ti sd i f f i c u l tf o rt h e mt of m dt h ed i s e a s e b yt h e m s e l v e s i fn o td i s c o v e r e da n dt r e a t e de a r l y ，i tw i l lh a v ev e r ys e r i o u sc o n s e q u e n c e s t h e r e f o r e ，i no r d e rt of a c i l i t a t i n gp e o p l et ou n d e r s t a n dt h e i ro w nh e a r th e a l t h , w en e e dt o d e v e l o pap o r t a b l e ，e c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lt e r m i n a le q u i p m e n to fh o m em o n i t o r i n gf o r o n eo ft h ee a r l yd e t e c t i o no fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，e a r l yd i a g n o s i sa n d e a r l yt r e a t m e n tt ot h e h o s p i t a l t h i sd e s i g ni sb a s e do ns m a r tp h o n e so fp o r t a b l eh e a r tm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h r o u g ht h e p u l s e s e n s o r a c q u a i n t i n gt h ep u l s es i g n a l so fc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ；p r o c e s s i n ga n d a n g l i c i z i n gt h ed a t ab ys m a r tp h o n e sc o m e st h eb o d y sc a r d i o v a s c u l a rb l o o df l o wp a r a m e t e r s w i t hc o m p a r i s o no fn o r m a lb l o o df l o wc a nb eap r e d i c t o rw h e t h e rt h ec a r d i o v a s c u l a r p a r a m e t e r sa r en o r m a l i ta l s oc a na c h i e v e 2 4 - h o u rp a t i e n tm o n i t o r i n g ，r e a l t i m ed i a g n o s i so f c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ep a t i e n t s ，a n dd i s p l a y e do nt h es m a r tp h o n e ，a u t o m a t i ca l a r m e di nt h e d i s e a s em u t a t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v er a p i dt r e a t m e n t p a p e rg i v e sa p o r t a b l eh e a r tm o n i t o r i n g s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m sd e s i g np l a n t h eh a r d w a r eo fp o r t a b l ec a r d i o v a s c u l a rm o n i t o r i n gs y s t e m ：t h ep 8 0 0s m a r tp h o n ei s c o r eo ft h ec o n t r 0 1 t h ef r o n tm a i n l yc o m p o s e db yp o w e rs u p p l ym o d u l e ，b l u e t o o t hm o d u l e ， m i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa l lp a r t sd oad e t a i l e d e x p o s i t i o n t h es o f t w a r eo fp o r t a b l ec a r d i o v a s c u l a rm o n i t o r i n gs y s t e m ：i ti sb a s e do na g r a p h i c a ld e v e l o p m e n ts o f t w a r ev i r t u a li n s t r u m e n tt h a ti sl a b v i e w 9 0 w ed e v e l o p e da f r i e n d l ym o n i t o r i n gs y s t e mi n t e r f a c ei n t h el a b v i e wm o b i l et e m p l a t e s n ei n t e r f a c e m a i n l yc o m p o s e db yr e a l t i m ew a v e f o r md i s p l a yi n t e r f a c e ，s i g n a la n a l y s i si n t e r f a c e t h e s o f t w a r ed e s i g no fs y s t e ma c h i e v e sm a n yf u n c t i o n sw h i c hi st h ed i s p l a yo f p u l s es i g n a l ，s i g n a l p r o c e s s i n g ，r e s u l ta n a l y s i s ，s t o r a g e ，p l a y b a c ka n do t h e rf u n c t i o n s w eu s et h ea c t i v e s y n cl i n k t os e n dt h es t o r a g ew a v e f o r mt ot h ep c ，a n dw a v e l e tt r a n s f o r mt od e n o i s ei nt h em a t l a b ， f o u r i e rs e r i e sh a v ee l a p s e dp u l s ew a v eu n d e rv a r i e t yo fs p e c t r u m a tt h el a s t , w eu s et h e i m p r o v e db pn e u r a ln e t w o r km e t h o df o re x t r a c t i n gt h ep u l s eu n d e rt h ev a r i o u ss p e c t r a l a n a l y s e sa n dp r o c e s s i n gt h ea m p l i t u d eo ft h ed i a g n o s t i ci n f o r m a t i o no b t a i n e do nt h ep a t i e n t p o r t a b l ec a r d i o v a s c u l a rm o n i t o r i n gs y s t e mo fr e s e a r c h i n gi nt h i s a r t i c l eh a sas i m p l e ， f r i e n d l yi n t e r f a c e ，h i g hf l e x i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c st oa c h i e v el o w - c o s tr e a l t i m e m o n i t o r i n g t h e s i sw o r ko nt h ea b o v ei nd e t a i l s ，t h eb a s i cd e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rf u r t h e r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th a sl a i dag o o df o u n d a t i o n n 西华大学硕士学位论文 s m a r tp h o n e s ；p u l s es i g n a l ；m i c r o c o m p u t e r ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；i m p r o v e db p 便携式心血管监护系统的设计和实现 目录 摘要i a b s t r a c t i i 引言l 1 1 本课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状1 1 3 本文研究的主要内容2 2 系统总体功能介绍4 2 1 系统的总体结构与功能4 2 2 脉搏传感器4 2 3 智能监护终端5 2 4 蓝牙通信模块5 2 5 单片机5 3 硬件平台设计7 3 1 系统的硬件结构总体设计7 3 2 信号采集模块7 3 2 1 脉搏传感器7 3 2 2 m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机：8 3 2 3m s p 4 3 0 f 1 4 7 的a d c l o 3 2 4m s p 4 3 0 f 1 4 7 的串口1 1 3 3 信号传送模块1 3 3 3 1 蓝牙模块简介1 3 3 3 2 蓝牙模块外围的电路硬件图1 3 3 3 3 蓝牙模块的使用方式1 4 3 3 4 设置串口通信波特率：1 6 3 3 5 蓝牙模块的性能参数1 6 3 4 主控、显示、存储模块1 7 3 4 1 智能手机蓝牙1 7 3 4 2 智能手机蓝牙串口工具软件1 8 3 4 3 智能手机a c t i v e s y n c 1 8 i v 西华大学硕士学位论文 3 5 电源电路模块1 9 4 数据预处理和识别的算法理论2 1 4 1 脉搏波概述2 1 4 2 脉搏信号的识别和检测2 3 4 3 脉搏信号分析方法的比较2 3 4 4 基于脉搏波心血管参数的计算2 4 4 4 1 基于脉搏波的主要心血管血流参数2 4 4 4 2 利用脉搏波测量心血管血流参数的基本方法2 4 4 4 3 基于脉搏波的心血管心流参数的计算2 5 4 5 脉搏信号的去噪处理2 5 4 5 1 脉搏信号的干扰来源2 5 4 5 2 小波去噪2 6 4 6 脉搏波的傅立叶级数2 9 4 7 改进的b p 神经网络2 9 4 7 1b p 神经网络结构：2 9 4 7 2 改进的b p 算法3 0 5 软件设计3 1 5 1 总体软件设计3 l 5 2 基于m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机的软件设计3 1 5 2 1 基于m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机的串口软件设计3 2 5 2 2 基于m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机的a d c 软件设计3 4 5 3 虚拟仪器的软件设计3 7 5 3 1 虚拟仪器简介3 7 5 3 2 虚拟仪器特点3 8 5 3 3 虚拟仪器的系统组成3 8 5 3 4 虚拟仪器的开发环境3 9 5 3 5 虚拟仪器的基本工作原理3 9 5 3 6 虚拟仪器m o b i l e 模块4 0 5 3 7 虚拟仪器的总体软件设计4 1 5 3 8 户界面设计4 l 5 3 9 软件设计4 2 5 4 在p c 机上的数据处理软件程序4 5 v 便携式心血管监护系统的设计和实现 5 4 1 小波阈值滤波的软件程序4 5 5 4 2 脉搏波各频率下振幅的提取4 7 5 4 3 改进的b p 神经网络的设计：4 8 6 系统运行结果与分析5 0 6 1 测试的主要仪器5 0 6 2 系统测试5 0 6 3 改进b p 神经网络的结果讨论与测试5 2 结论5 4 7 1 总结5 4 7 2 展望5 5 参考文献5 6 附件a ：硬件实物图5 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 9 致 射6 0 v i 西华大学硕士学位论文 引言 1 1 本课题研究背景和意义 随着生活水平的不断提高，人们对健康保健和常规检查越来越重视，而世界卫生组 织最近发布了有关全球疾病状况的最新评估报告，报告显示：心血管疾病、传染病和癌 症是当今导致人类死亡的主要原因，其中死于心血管疾病的人数最多，占全球总死亡人 数的2 9 ，心血管病也是目前中国人群死亡的首要原因。中国人群中主要的心血管疾病 为脑卒中和冠心病，二者均有上升趋势。中国人群中具有心血管疾病危险因素的绝对人 数较高( 1 3 亿的高血压病人和3 亿多的烟民) ，中国人群中主要的心血管病危险因素 水平呈上升趋势。中国心血管病流行现状具有如下的特点：心血管病的发病率和死亡 率迅速增长；心血管发病和死亡有明显的地区差异；目标人群转向中青年；农村 心血管病死亡率接近或超过了城市；所以，发展一种新的医疗监护系统势在必行。 基于智能手机的便携式心血管监护系统为解决这一问题提供了一种有效途径，它可 以实现对心血管病人的2 4 小时不问断安全监护，并能实时检测病人的心血管血流参数， 在病情突变时自动报警，以方便快速救治。心血管疾病早期这些症状并不明显，但是一 些心血管血流参数已经发生了变化，因此通过检测这些心血管血流参数可以评估病人的 病情，起到早期预防和防治的作用。 1 2 国内外研究现状 ( 一) 国内外现状 对于心血管疾病的监护，国内外已提出的并投入使用的主要有临床医用监测系统、 便携式心电参数监测终端、远程心电监护系统和蓝牙医疗监护系统四大类。 临床医用监测系统，早在2 0 世纪三、四十年代，美国理学博士n o r m a nj h o l i e r 就开始从事生物信号的遥测技术，并于1 9 6 1 年成功研制出世界上第一台动态心电监护 系统，并开始应用于临床；此后他又进行了一些改进，于1 9 6 5 年推出世界上第一台商 业化h o l i e r 系统，使得d c g 技术成为检出定量心律失常，心肌缺血等心脏疾病的重要 而有效的方法，也使心脏病的早期诊断和治疗成为可能，并很快在发达国家得到普及； 随后h o l i e r 技术开始围绕着分析速度、准确度、诊断范围三个方面迅速发展：我国在 七十年代末开始引进这项技术，并从大型医疗机构逐步向中小医院普及，成为临床上心 血管疾病诊领域安全、高效及准确的检测手段n3 。临床医用监测系统一般用于对住院病 人的监测。 1 3 本文研究的主要内容 本文所研究的便携式心血管监护系统和分析系统：通过脉搏传感器采集与心血管血 流参数相关的脉搏信号，脉搏信号经过模数转换后由单片机的串口将数字脉搏信号发送 给蓝牙模块，蓝牙模块也通过串口将数字的脉搏信号传给智能手机，智能手机中用虚拟 仪器编的应用软件进行数字脉搏信号的接收，并实时显示，保存，回放波形，同时计算 2 西华大学硕士学位论文 出心血管血流参数，并与正常心血管参数比较，异常时，报警，这样可以实现2 4 小时病 人的监护，同时，我们可以将保存的脉搏信号通过a c t i v e s y n c 上传到p c 机上，进行更 详细的分析，得出此人是否存在某部分器官组织的异常。本课题的研究涉及传感器检 测、数据采集技术、计算机技术、软件设计、嵌入式技术等方面。本课题是建立在心 血管疾病患者的健康与安全而提出的，可以满足他们的现实需求，本课题的实施能够 为广大心血管疾病患者更好地健康生活提供可靠的保障。 本次设计的主要研究内容有： ( 1 ) 以智能手机为核心，外围加入了采集模块、传送模块、电源模块，以此构建便携 式心血管监护系统的硬件平台。 ( 2 ) 智能终端的应用层软件的设计包括单片机的模数转换、串口、中断部分的软件设 计和智能手机对接收到的数字脉搏信号的串口接收，实时显示，回放，存储，并经过分 析处理后得出此人的心血管血流参数，并与正常值比较，异常时，报警，及时通知病人 家属送往医院救治，同时也可将保存的数据传送到p c 机上进行更详细的病情分析后， 得出到底是病人的哪个器官组织异常。 ( 3 ) 脉搏信号的分析和处理：主要有在智能手机上通过简单的滤波获取单个周期的脉 搏信号后在时域得出心血管血流参数，在p c 机上脉搏信号的小波重构去噪，傅里叶级 数的方法提取脉搏信号的特征参数以及基于改进b p 神经网络的脉搏信号的智能诊断。 f i g 2 io v e r a l ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 智能手机是整个系统的核心，主要任务是接收蓝牙模块传送过来的脉搏信号并实时 显示，保存，回放脉搏波形，同时根据脉搏波形数据计算出心血管的血流参数，并与正 常心血管值进行比较，如果异常则报警 时送往医院救治。 2 2 脉搏传感器 电子技术的发展引领着现代医疗采 的患者需要制定不同的方案进行定时， 集设备来采集病人的生理病理数据，以 西华大学硕士学位论文 传感器的选择是整个系统的关键，因为如果采集的数据有误，将得不到我们所想要 的正确结果。经过反复试验，本系统选用合肥华科电子技术研究所的h k 2 0 0 0 b 集成化脉 搏传感器，仳传感器将力敏元件( p v d f 压电膜) 、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号 调理电路集成在传感器内，其关键技术是采用高度集成化的工艺。压电式原理采集脉搏 信号，模拟信号输出，输出完整的脉搏波电压信号。三线制耳机插头接口( v c c 、g n d 、 信号线) 易于与各种设备连接。其主要技术参数将在后文中进行详细介绍。 2 3 智能监护终端 我们所选择的智能监护终端需要具有便携式，数据处理功能，存储功能，友好的人 机交互界面，蓝牙接收，a c t i v e s y n c 与p c 同步，便于二次开发等等特点。鉴于此我们 选用了多普达公司的p 8 0 0 智能导航手机，它是基于w i n d o w sm o b i l e 的p o c k e tp c 智能 化通讯手机，其c p u 采用的是a r m 9 2 6 t 内核，加上丰富的片内外设，为智能手机的应用， 提供了低功耗，低价格，高性能，高可靠性的微控制器的解决方案。此智能手机具有数 据处理，存储功能，友好韵人机交互界面，蓝牙接收，a c t i v e s y n c 与p c 同步等等特点。 关于智能手机各项性能参数和使用方法将在后文详细介绍。 2 4 蓝牙通信模块 我们所选择的蓝牙模块需要具有支持串口发送接收，主从模式，支持多种波特率， 且操作简便，易于二次开发。因此我们选用了深圳蓝色飞舞科技自主开发的b f i o 蓝牙通 信模块。b f i o 蓝牙通信模块为一款智能型无线数据传输产品，本产品标准型支持： 4 8 0 0 b p s 1 3 8 2 4 0 0 b p s 等多种接口波特率，支持主从模式，支持6 4 通道蓝牙替代串 口线。此模块采用世界领先的蓝牙芯片供应商c s r 的b l u e c o r e 4 - e x t 芯片，完全兼 容蓝牙2 o 规范，硬件支持数据和语音传输，最高可支持3 m 调制模式。语音接口支 持p c m 协议。b c 0 4 c l a s s 2 模块高灵敏性接收，低成本，体积小巧，低功耗，用于蓝 牙的数据传输领域。关于蓝牙通信模块的各项性能参数和使用方法将在后文详细介绍。 2 5 单片机 我们所选用的单片机需要具有模数转换功能和串口接收和发送的功能且低功 耗，所以我们很容易的想到了t i 公司的m s p 4 3 0 系列。t i 公司的m s p 4 3 0 系列是一 个特别强调低功耗的单片机品种，很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合。 在这个系列中有很多个型号，他们是由一些基本功能模块按不同的应用场合组合 而成。m s p 4 3 0 系列的c p u 采用1 6 位精简指令系统( r i s c ：r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t i n g ) ，集成有1 6 位寄存器和常数发生器，发挥了极高的代码效率。单片 便携式心血管监护系统的设计和实现 式到唤醒模式的转换时间小于6 u s 的主要原因是采用了数字控制振 其典型应用是捕获传感器的模拟信号转换为数字加以处理后发送到 统的应用场合，我们选用了m s p 4 3 0 f 1 4 7 ，它具有1 6 位超低功耗微 闪存、i k br a m 、1 2 位a d c 、2 个u s a r t 和h w 乘法器，恰好能 计的要求。关于m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机的各项性能参数和使用方法将在 6 图3 1 整体模块 f i g 3 1t h eo v e r a l lm o d u l e 3 2 信号采集模块 脉搏信号采集模块主要包括h k 2 0 0 0 b 脉搏传感器和m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机自带a d c 转 换和串口发送。 3 2 1 脉搏传感器 脉搏传感器的数据是通过在m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机上焊接了耳机插孔，耳机插孔的 v c c ，g n d ，数据线分别接在m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机的v c c ，g n d 和p 6 0 。 h k - 2 0 0 0 b 技术指标：5 6 vd c 的电源电压；- 5 0 一- + 3 0 0 m m h g 的压力量程；2 0 0 0 u v m m h g 的灵敏度：l 1 0 - 4 。c 的灵敏度温度系数；0 5 的精度；0 5 的重复性；0 5 的迟滞， i 0 0 倍的过载。 m s p 4 3 0 f 1 4 7 单片机的主要技术指标：1 8 - 3 6 v 的低电压范围：超低功耗：2 2 5 u aa t i m h z2 2 v 的活动模式：0 8u a 的待机模式：0 1u a 的掉电模式( r a m 数据保持) 。 五种省电模式：从待机到唤醒模式相应时间不超过6 u f ；频率锁相环，f l l + ；1 6 位精 简指令系统，指令周期1 2 5 n s ：带有三个捕获比较寄存器的1 6 位定时器( t i m e r _ a ；集成 9 6 段l c d 驱动器：片内比较器：串行在线可编程，无需提供外部编程电压：采用保险熔丝 8 m s p 4 3 0 f 1 4 7 的处理单元：其是基于相容的正交设计的c p u 和指令集，这种设 计结构源于类似的精简指令体系，具有高度的应用开发透明性并且易于设计。除 了流程控制指令，所有的操作和寄存器操作类似，其中源操作数有其中寻址方式， 目标操作数有四种寻址方式。 m s p 4 3 0 f 1 4 7 的中央处理器：c p u 中包含有1 6 个寄存器用于缩短指令执行时间， 可以在一个时钟周期内完成寄存器与寄存器间的数据操作。其中为特殊用途的有4 个寄存器即程序计数器，堆栈指针，常数发生器和状态寄存器，其他的寄存器都 可作为通用寄存器。外围模块可通过数据、地址和控制总线与c p u 相连，m s p 4 3 0 f 1 4 7 的所有存储器操作指令可以很容易的对外围模块进行控制。 m s p 4 3 0 f 1 4 7 的工作方式：通过对不同模块操作模式和c p u 状态的智能化管理， m s p 4 3 0 f 1 4 7 芯片的工作方式可以适应多种超低电压和超低功耗的要求，即便在中 断处理期间也一样。中断可把系统从各种低功耗方式唤醒并通过r e t i 指令返回到 9 便携式心血管监护系统的设计和实现 的工作状态。系统所使用的时钟信号有两种即m c l k 和a c l k 。a c l k ：晶振 号，a c l k 的倍频信号主要由m c l k 和s m c l k 两种频率信号组成，其作为系 统时钟。 软件对内部时钟系统的不同设置，可以控制芯片处于不同工作方式。整 统提供丰富的软硬件组合形式，以达到最低的功耗并发挥最优的系统性 系统中的m s p 4 3 0 f 1 4 7 主要是工作在活动方式，外接晶体谐振器。 3 0 f 1 4 7 含有b o o t s t r a p 装载器的引导r o m ：b o o t s t r a p 装载器的目的是 据下载到f l a s h 存储器模块中。在正常的下载环境，需要进行大量的数 和删除功能，且可用于串行输入输出的硬件资源。 3 0 f 1 4 7 电压检测器，供电管理器：阈值检测器探测v c c 引脚是否加电或 电管理器可以检测到供电电压是否降到最低允许工作电压。上电后，供 停止工作以便把电流消耗降至最小。如果需要，用户可以在软件中将供 打开。用户也可以通过软件设定是否允许上电复位( p o r ) 或者是否通过 寄存器的某个位来锁定某种低功耗状态。 m s p 4 3 0 f 1 4 7 数字i o ：共有6 个8 位i o 口即p 卜p 6 口且互补输出。p 1 和p 2 口使用7 个控制寄存器，而p 3 ，p 4 ，p 5 和p 6 只用其中4 个控制寄存器，最大限度 提供输入输出的灵活性。每个寄存器包含8 位，有两个中断向量可供使用：一个 通用于p 1 o - p 1 7 引脚中断事件，另一个通用于p 2 o - p 2 7 的中断事件。p 3 ，p 4 ，p 5 和p 6 没有中断能力。 3 2 3m s p 4 3 0 f 1 4 7 的a d c m s p 4 3 0 f 1 4 7 的a d c 支持高速，模拟信号到1 2 位数字信号的转换。该模块实现了1 2 位的转换，采样选择控制，参考电压和一个1 6 字的转换和控制的缓冲区。转换和控制 缓冲区允许多达1 6 个独立的a d c 采样转换和存储，没有任何c p u 的干预。 a d c 功能包括：最高转换率大于2 0 0k s p s ：无失码的恒定的1 2 位转换器；采样保 持与可编程抽样时间由软件或定时器控制：转换初始化由软件、定时器a 或定时器b 来 控制；软件可选的片上参考电压电源( 1 5v 或2 5v ) ；软件可选的内部或外部参考 电压；8 个独立配置的外部输入通道；内部温度传感器，a v c c ，和外部参考电压的转换 通道；独立通道可选择的正负参考基准电压；可选择的转换时钟源；单通道，重复单通 道，序列和重复序列转换模式；a d c 的核心和参考电压可单独断电；中断向量寄存器用 于a d c 中断的快速解码；1 6 位的转换结果存储寄存器： a d c l 2 的框图结构如下图3 4 所示： 1 0 西华大学硕士学位论文 图3 4 a d c l 2 结构框图 f i g 3 4a d c l 2 b l o c kd i a g r a m 1 2 位a d c 内核：a d c 内核将一个模拟量的输入转换成1 2 位的数字形式，结果保存 在寄存器中。内核利用两个可编程可选的参考电平( v r + 和v r 一) 来定义转换电压的 最大值和最小值。当输入信号等于或高于v r + ，数字输出( n 胍) 是满刻度( o f f f h ) ； 当输入信号等于或高于v r - ，数字输出( ) 是零。在转换控制内存中定义输入通道和 参考电压值( v r + 和v r 一) 。a d c 的转换结果n 胍的计算公式为： 矿一矿 n a d c = 4 0 9 5 警呼 ( 3 1 ) y 胄+ 一j ，矗 a d c 转换电路采用7 6 h z 的采样频率，周期为1 3 m s ，最后产生的数字信号经单片机 的串口发送给蓝牙，蓝牙将此数字信号最后送给智能手机进行分析，处理和显示。 3 2 4m s p 4 3 0 f 1 4 7 的串口 通用同步异步接收发送器( u s a r t ) 外围设备接口支持一个硬件模块的两种 序列模式。在本系统中采用u s a r t o ，现对u s a r t 进行一些介绍： 在异步模式下，u s a r t 通过两个引脚u t x d 和u r x d 连接m s p 4 3 0 的外部系统。 当s y n c 位清零时，选择u a r t 模式。 便携式心血管监护系统的设计和实现 u a r t 模式的功能包括：7 或8 位数据位+ 奇效验或偶效验或非奇偶效验位：独 立的发送和接收移位寄存器：独立的接收和发送缓冲寄存器：l s b 优先数据发送和 接收：多处理器系统的内置空闲线和地址位的通信协议：从l p m x 模式自动唤醒开 始，接收器启动边缘检测：支持可编程波特率与调制波特率：错误检测、抑制和地 址检测状态标志：用于接收和发送的独立中断能力。 u s a r t 配置为u a r t 模式，如下图所示3 5 ： 霸m 毫s tu r x 巳( u r ) a 三eu r 硝 ，e 图3 5u s a r t 结构框图 f i g 3 5u s a r tb l o c kd i a g r a m 在u a r t 模式下，当m s p 4 3 0 单片机和其他设备异步通信时，两个设备的u s a r t 发送和接收位速率必须相同。每个字符发送或接收的时间是根据u s a r t 选定的波 特率来决定的。在另一个设备上，使用相同的波特率来完成发送和接收功能，在 这里我们选定波特率为9 6 0 0 ，进行单片机和蓝牙的通信。 西华大学硕士学位论文 3 3 信号传送模块 信号传送模块包括单片机串口发送和蓝牙接收，发送这两部分。单片机串口发送在 前面部分已经详细介绍了，在这里就只针对蓝牙模块进行介绍。 3 3 1 蓝牙模块简介 b f l 0 蓝牙通信模块主要应用于短距离的数据无线传输领域。可以方便和智能手机 的蓝牙设备相连，也可以用于两个模块之间的数据互通。避免繁琐的线缆连接，能够直 接替代现有的串口线。主要应用在无线抄表，工业遥控、遥测，p o s 系统，无线键盘、 鼠标，交通，并下定位、报警，自动化数据采集系统，无线数据传输，无线数据采集， 银行系统，楼宇自动化、安防、机房设备无线监控、门禁系统，智能家居、工业控制， 电视台的互动节目表决设备，政府路灯节能设备，汽车检测设备，无线l e d 显示屏系 统等。 3 3 2 蓝牙模块外围的电路硬件图 b f l 0 蓝牙通信模块的使用方法：b f l 0 模块的t x d 需要和外部单片机的r x d 相连，b f l 0 模块的r x d 需要和外部单片机的t x d 相连。如图3 6 ： 图3 6 蓝牙模块外围的电路硬件图 f i g 3 6b l u e t o o t hm o d u l eh a r d w a r ep e r i p h e r a lc i r c u i td i a g r a m b f l 0 蓝牙通信模块管脚接口：模块管脚说明如下表3 1 。 便携式心血管监护系统的设计和实现 表3 1 模块管脚说明 t a b 3 1m o d u l ep i nd e s c r i p t i o n 管脚名称描述 1u a r tt x u a r t 串口数据发射电平为3 3 v ，连接单片机的r x d 接收 2u a r tr x u a r t 串口数据接收电平为3 3 v ，连接单片机的t x d 发射 3 u a r t _ c t s u a r tc t s 功能脚 4 u a r t _ r t s u a r tr t s 功能脚 l o a 1 0 1 该功能模块未用到 1 1 r e s e t b 复位脚低电平复位该管脚上拉4 7 0 k 电阻，下接1 0 4 电容 1 2 3 3v c c 3 3 v 供电正端，电压范围为3 1 5 3 3 v 1 3g n d 供电负端 1 4g n d 供电负端 1 5 u s b 一该功能模块未用到 2 1 g n d 供电负端 2 2g n d供电负端 2 3p 1 0 0 模式选择，内置上拉。悬空或接高： 主机模式接地：从 机模式 2 4 p 1 0 1通信状态显示脚，高低脉冲表示模块等待或正在连接中 常高表示主从模块连接成功 2 5p 1 0 2 波特率选择线1 具体参考波特率设置 2 6 p 1 0 3波特率选择线2 具体参考波特率设置 2 7 p 1 0 4 波特率选择线3 具体参考波特率设置 2 8p 1 0 5波特率选择线4 具体参考波特率设置 2 9p 1 0 6替代串口线通道选择线l 具体参考通道设置 3 0p 1 0 7 替代串口线通道选择线2 具体参考通道设置 3 1p 1 0 8 替代串口线通道选择线3 具体参考通道设置 3 2p 1 0 9 替代串口线通道选择线4 具体参考通道设置 3 3p i o i o 替代串口线通道选择线5 具体参考通道设置 3 4p 1 0 1 1 替代串口线通道选择线6 具体参考通道设置 3 3 3 蓝牙模块的使用方式 方式一：替代串口线透明数据模式应用原理图如图3 7 1 4 西华大学硕士学位论文 图3 7 替代串口线透明数据模式应用原理图 f i g 3 7a l t e r n a t i v ed a t am o d e l si nat r a n s p a r e n ts e r i a lc a b l es c h e m a t i c 操作方式：替代串口线透明数据需要两个b f l 0 模块，一个模块工作在主模式下， 一个模块工作在从模式下。当两模块设置为相同的波特率，相同的通道( 不能为通道6 4 ) 。 上电之后，主、从模块则自动连接形成串口透明，此时的数据传输则是全双工的。 ( 1 ) 设置主模块的p 1 0 0 为高电平或悬空，从模块的p 1 0 0 为低电平。 ( 2 ) 设置两个模块的p 1 0 2 ，p 1 0 3 ，p 1 0 4 ，p 1 0 5 的高低对应的波特率，具体参考设置 串口通信波特率。 ( 3 ) 设