便携式心率采集系统设计

1、便携式心率采集系统设计学 生：学 号：指导教师：助理指导教师:业:随着生物医学工程技术的发展，医学信号测量仪器日新月异。生物医学测量与 临床医学和保健医疗的联系日益紧密。通过对人体各种生理信号的检测，能更好 的认识人体的生命现象，这其中脉搏信号包含丰富的人体健康状况信息，从中提取的心率值对人体健康有着重要的参考作用。 本文采用光电反射式传感器，设计了一 套便携式可穿戴的获取和保存脉搏信号的系统。本设计主要是基于STM32L低功耗单片机，利用光电传感器产生脉冲信号，经过放大整形滤波后，输入单片机内 AD进行采样并将数字化后的脉搏信号和计算出的心率值保存在SD卡中。后期通过上位机软件可以观测脉搏信

2、号，对人体健康进行评估，因此该系统适用于保健 中心、医院和家庭等场所。本设计所设计的基于单片机的便携式心率采集系统对 推进脉诊技术客观化和HRV研究具有积极的促进作用。关键词：脉搏，单片机，光电传感器，脉冲信号，便携式ABSTRACTABSTRACTWith the development of the biomedical engineering technology, the medical signal measuring instrument is changing everyday. Biomedical measurement and clinical medicine and h

3、ealth care increasingly close ties. We could better understand the phenomenon of human. life through various physiological signal detection of the human body. Pulse inclusions rich state of the health information, By using optical sensors, With the high development of electronics and computer nowada

4、ys, the pulse diagnosing technology should be objective and quantitive. this text access to the pulse signal design methods. This paper mainly introduces the concrete realization method for digital pulse counter, which uses photoelectric sensors to generate pulse signal. The pulse signal is amplifie

5、d and regenerated to input into MCU to carry out corresponding control, as a result the pulse number per a minute is measured. The use of the pulse counter is quick and convenient. Through observing the pulse signal, human health can be inspected, it is usually used in health care centers and the ho

6、spitals. In my design, Portable heart rate measuring instrument based on MCU has a positive role in promoting the objective of the pulse technology.Key words: Pulse, MCU, Photoelectric Sensor, Pulse Signal, Portable目录摘 要IIABSTRACT JJJ.1绪论11.1 课题研究背景及意义 11.2 脉搏检测仪介绍 21.3 关于本文主要研究内容及方法 42 整体系统结构62.1 脉

7、搏测量模块 72.1.1 常用的脉搏检测方法 72.1.2 光电式脉搏传感器 72.2 采集记录模块 112.2.1 主控单元132.2.2 电源单元142.2.3 接口单元202.3 处理显示模块 233系统软件设计253.1 功能配置：253.2 硬件相关配置： 263.3 文件系统配置: 264.系统实物图和测试结果 335.总结34参考文献35IV1绪论1绪论1.1 课题研究背景及意义随着人们生活水平的提高，地球环境遭到破坏，多种疾病威胁着人们的生命 而心脏病的发作又是人们难以预防的突发致命疾病。在医学上，通过测量人的心 率，便可初步判断人的健康状况。因此，心率计很快产生并得到发展。随

8、着单片 机技术的发展、人们的生活节奏加快，设计一种以使用方便为前提，能够快速测 出人心率的心率计，不仅是临床者的需要，也是体育训练者和外出旅游者的需要。 传统的脉搏测量采用诊脉方式，中医脉象诊断技术就是脉搏测量在中医上卓有成 效的应用，但是受人为的影响因素较大，测量精度不高。为了克服上述测量方法的不足，脉搏测试不再局限于传统的人工测试法或听诊器测试法。利用血液是高 度不透明的液体，光照在一般组织中的穿透性要比在血液中大几十倍的特点，可 通过光电传感器对脉搏信号进行检测，并通过单片机技术进行数据处理，实现智 能化的脉搏测试技术。当代的医用电子设备已不单单是医学电子测量仪器硬件系统，而是该从计算

9、机技术、数字信号处理技术和电子技术的生理量的检测。而生物电子测量仪器已 是电子信息产业的重要构成部分，它的发展对整个国民经济尤其对信息产业的发 展有着重要的影响，对高端电子测量仪器的发展是国家和企业正确选择。研究认 为，受测量仪器的智能化、和数字化发展趋势以及消费电子、3G网络。数字电视, 生物医学等市场的迅速发展的带动下，未来几年，通用测量市场会以超高的增长 率快速发展，一时也将促进电子测量技术产生新的发展趋势和新概念。更因为节 能、降耗、减排的国际大趋势更为电子仪器提供了更为广阔的新的市场。不管是 在国际或者国能，电子测量技术将快速发展，步入全新的电子信息的时代。而本课题把生理量的测量和生

10、物信号处理技术融为一体。所设计的心率测试 仪属于一种集轻型化、一体化、可视化等优点的便携式测试仪。由于心率是指人体心脏每分钟搏动的次数，但是这种搏动不是均匀的每次的 搏动间期之间的是存在细微的差异，而这种差异产生于自主神经系统对窦房结自 律性的调制，使得心搏间期一般存才几十毫米的波动或差异，这种差异或者波动 叫做心率变异性（Heart Rate Variability, HRV）。所谓的心率测试也就是在测量心 率变异性（HRV）。心率变异性（HRV）信息中包含着海量关乎与心脑血管的调节信息，该信息 受血压、温度、呼吸、血管紧张素还有肾素等多种因素影响尤其是最重要的自主 神经系统对其的调节作用。

11、在 1978年Wolf等第一次报道了心率变异性（HRV） 在急性心肌梗塞（AMI ）后过度降低同时严重心律失常和心源性猝死（SCD）也有 密切关系，从而导致了心率变异性（HRV）的分析以及检测在临床医学中收到了 高度重视，国外和国内有关基础和临床研究逐年增加。现在国际上认为，心率变 异性（HRV）分析作为对心脏自主神经均衡性、活性、以及相关病理状态的无创 口检测方法，并且在他的应用已经在急性心肌梗塞（ AMI）和糖尿病自主神经病 变（DAN）评价中得到了充分的肯定，并在高血压、阻塞性睡眠呼吸暂停综合征（俗 称打呼噜）、心力衰竭等多种心血管疾病和非心脑血管疾病中展现了非常广阔的应 用前景。同时心

12、率值也是衡量体力劳动强度和脑力劳动强度的重要指标。因此，设计 一种可随身携带、可长时间记录、显示和存贮心率值的心率测试仪是十分必要的。1.2 脉搏检测仪介绍在临床诊断和治疗中从脉搏波中所提取出的生理病理信息作为重要的依据， 因此不管在国际和国内、中医和西医中都受到了很大的重视。世界上大多数的国 家和民族都有通过把脉”来诊断疾病。然而通过传统的方法来记录病人的脉搏时大 多时通过把脉也就是医生用手按住病人的腕部或者颈部的动脉，根据脉搏的跳动 来技术，一般情况下为了节省时间都是测量 10秒钟内的跳动次数再通过换算来得 到结果。但是如此就出现了精度不高、效率低下、等一系列的问题。由于心室射血进入动脉是

13、间断的，这就造成了每一心动周期内动脉容积和动 脉血压的一系列变化，使动脉随心动周期而搏动，在浅表动脉可摸到一起一伏的 搏动，称为动脉搏动。由于主动脉根部的起伏性搏动，沿动脉管壁想末梢血管呈 波形的传播，称为脉搏波。脉搏波波形图是动脉血管的搏动的轨迹，他主要综合了心脏的收缩活动和脉 搏波沿血管传播途中携带的各种信息，为此，脉搏波波形图的拐点都有一定的意 义。5图1.1典型脉搏波波形图图中个字母代表的意义为：U:起始点P:主波 T:潮波 V:切迹 D:重博波早在1860年诞生了第一台脉搏检测仪，它是 Vierordt所创建的杠杆式脉搏扫 仪，国内也与20世纪50年代朱颜将脉搏检测仪引用到了中医脉诊

14、的研究反面。 随后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制脉搏检测仪方面研究也发展很快。跟随者科技的发展，脉搏检测技术也日新月异越来越先进，对脉搏的测量精 度要求也越来越高，国际和国内也先后研发和制造了很多不同脉搏检测仪，当中 的关键时对脉搏传感器的研究。脉搏波所呈现的波形（强度）、波形（形态）、周期（节律）和速率（波速） 等方面的综合信息，都反映出了人体心血管系统中系统很多的生理病理的血流特 征，因而脉搏波的采集和处理在医学上有极高的价值和应用前景。但是人体繁多 的生物信号多属强噪声的背景下的低频弱信号，其中脉搏波信号更是低频超弱的 非电生理信号，所以必须经过放大和后期滤波以满足采集的要求。起

15、初用于体育 测量的脉搏测试集中在对接触式传感器的研究，利用此类传感器所研制的指脉、 耳脉等测量仪各有其优缺点。指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较 多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降：耳脉测量比较干净，传感器 使用环境污染少，容易维护。但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受 环境温度影响明显，造成测量结果不准确。过去在医院临床监护和日常中老年保 健中出现的日常监护仪器，如便携式电子血压计，可以完成脉搏的测量但是这种 便携式电子血压计利用微型气泵加压橡胶气囊，每次测量都需要一个加压和减压 的过程，存在体积庞大、加减压过程会有不适、脉搏检测的精确度低等缺点。近年来国内外致力

16、于开发无创非接触式的传感器，这类传感器的重要特征是 测量的探测部分不侵入机体，不造成机体创伤，能够自动消除仪表自身系统的误 差，测量精度高，通常在体外，尤其是在体表间接测量人体的生理和生化参数。传统测量方法分别有光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。近年来，光电检测技术在临床医学应用中发展很 快，这主要是由于光能避开强烈的电磁干扰，具有很高的绝缘性，且可非侵入地检 测病人各种症状信息。本系统设计了指套式的透射型光电传感器，实现了光电隔离 减少了对后级模拟电路的干扰。采用指套式的透射型光电传感器模块对人体实行 心率数据采集。其中光电式脉搏传感器是根据光电容

17、积法制成的脉搏传感器，通过对手指末 端透光度的监测，间接检测出脉搏信号。具有结构简单、无损伤、精度高、可重 复使用等优点。通过光电式脉搏传感器所研制的脉搏测量仪已经应用到临床医学 等各个方面并收到了理想效果。1.3 关于本文主要研究内容及方法本项目拟研制一套脉搏采集分析设备，该设备采用光电传感器从人体的手指 或耳垂等处测得脉搏信号，通过控制器采集信号并经由TF卡上传给计算机，之后 由计算机对脉搏信号进行分析处理得到信号的R-R间期，并将其储存在计算机的硬盘中。传统的脉搏测量方法主要有三种：一是从心电信号中提取；二是从测量血压 时压力传感器测到的波动来计算脉率；三是光电容积法。前两种方法提取信号

18、都 会限制病人的活动，如果长时间使用会增加病人生理和心理上的不舒适感。而光 电容积法脉搏测量作为监护测量中最普遍的方法之一，其具有方法简单、佩戴方 便、可靠性高等特点。光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行 脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子 固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧和血红蛋白有选择性的 一定波长(500nm700nm)的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉 搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体 组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动

19、而 周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化 周期就是脉搏率。1 .采用低功耗主控芯片STM32L来实现心率数据的采集，使用嵌入式文件系统 FATFS完成心率数据在 SD卡上的存储。2 .根据系统原理，设计下位机采集板的电路原理图和PCB版图并焊接调试原型机。3 .在PC机上用高级语言编写GUI界面，完成SD卡中心率波形的读取、显示和分析工作。4 .测试整体便携式设备的功耗情况，检验系统功能2整体系统结构2整体系统结构脉搏测量分析仪由三部分组成：脉搏测量模块、采集传输模块和上位机处理 显示模块。其示意图如下：开卡市旃脓搏测学模块图2者柳濯酸结构处理显不模块脉搏测量

20、模块主要完成对手指端脉搏信号的提取和放大的作用。本系统拟采 用峰值波长为515nm的绿光波段的发光二极管作为光源，并采用对该波段敏感的 环境光感应器来将光信号转为电信号，并通过后级的放大缓冲电路输出该电信号。 采集记录模块主要完成对上一级输出信号的采样量化和对后一级传输数字信号的 作用。本系统拟采用微控制器来完成对模拟信号的采样量化，并将采样后的数据 储存在可插拔的大容量TF卡中，保证了数据的可靠记录和长时间储存。系统的前两部分脉搏测量模块和采集记录模块统一采用低功耗嵌入式技 术完成，并采用电池供电。不但可以保证整体系统长时间不间断采集地采集脉搏 信号，而且电池供电保证了系统的安全性，同时由于

21、系统体积较小并采用了TF卡储存，可以较好地固定于人体上，方便病人活动。处理显示模块主要完成对脉搏信号的作图显示和自动测量R-R间期并保存的作用。该模块是采用计算机软件编程的方式对 TF卡中储存的脉搏信号进行读取作 图显示同时可以完成对脉搏信号的 R-R间期测量计算并将该测量值保存在硬盘上。2.1 脉搏测量模块脉搏测量模块这部分主要的问题是如何测量和处理脉搏信号。而脉搏信号作 为人体中作为最容易被检测的生理信号之一，血压、心电、心音等多种生理信号 中都携带有心率的信息。http:/pan.baidu.eom/s/1hsi8v5M2.1.1 常用的脉搏检测方法1 .利用心脏活动时，心脏周围的组织和

22、体液导电所产生的心电信号用心电图 记录下来，随即从R-R心电间期中提取心率。2 .利用心脏活动时，由于血液装机心室壁、大动脉，或者心肌收缩等机械振 动被记录信号中测出脉搏。3 .利用心脏活动时，血液流动的变化从手指头或耳垂等透光度较高的部中测 量出光通量的变化得到心率。本次课题所用到的就是这种方式。4 .利用心脏活动时，血液流动的变化会导致的人体阻抗发生变化从中推算出 脉搏。5 .利用心脏活动时，血液流动所引起的超声多普勒频移偏变化来推算出心率。6 .还有利用心冲击图的办法等。2.1.2 光电式脉搏传感器由于本课题追求方便、简单、无创口、体积小等特点，我们在选择脉搏检测 的方法是选用的是光电容

23、积法脉搏测量的办法。而所谓的光电容积法脉搏测量的 本质就是使用光电式脉搏传感器来检测和获得脉搏信息。为光电式脉搏传感器的原理是由于人体心脏的周期性跳动会导致人体各个组 织中的动脉中血液等成分的周期性变化，所以根据Lambert-Beer定律，当物质被特定波长的光或者说单一颜色的光照射时，他的吸光度与该物质的浓度、厚度之 间是存在着特定的关系。也就是说每当心脏的跳动导致某处动脉中的血液浓度的 变化时会导致该处组织的吸光度发生变化。因此当我们选择指尖、耳垂、耳膜等 相对于其他组织而言更为薄地方检测时检测到的光强度相对而言更大一些，所以 光电式传感器的测量部位通常现在这些地方。下面我们将以指尖为例。

24、手指各种 组织可以分为皮肤组织、肌肉组织、骨骼组织，纤维组织等其中除去血液组织其 他各个组织的吸光度都是定值，而在血液组织中静脉血的变化相对于动脉血来说 可以忽略不计，所以我完全可以任务手指或者说指尖的吸光度的变换完全是有动 脉搏动引起的，通过检测指尖的吸光度来间接检测人体脉搏信号是可行的。先舞勒命it持币*值图2.2人体手指吸光度的变化的示意图根据郎伯-比尔(Lambertbeer)定律，物质在一定波长处的吸光度和它的浓度 成正比，当恒定波长的光照射到人体组织上时 ，通过人体组织吸收、反射、衰减后 测量到的光强在一定程度上反映了被照射部位组织的结构特征。血液是高度不透 明的液体，光在一般组织

25、中的穿透性要比在血液中大几十倍。一般情况下，当光 子穿越介质时，因能量被吸收而导致的强度衰减可描述为：1o:为入射光强，1是与组织结构相关的吸收系数，&是沿光轴的坐标长度。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖，组织中的动脉成分含量高 而且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。图2.3人体指尖还原蛋白与氧化蛋白光吸收率示意图。光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行 脉搏测量的。其使用的传感器由光源和光电变换器两部分组成，通过绑带或夹子 固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用对动脉血中氧

26、和血红蛋白有选择性的 一定波长(500nm700nm)的发光二极管。当光束透过人体外周血管，由于动脉 搏动充血容积变化导致这束光的透光率发生改变，此时由光电变换器接收经人体 组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而 周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器的电信号变化 周期就是脉搏率。由于光电容积法比较容易实现，所以经过查找发现了一款开源的心率传感器 pulse sensor该传感器是可以配套 Arduino使用的一个心率传感器，本质是一个带 有放大和消噪功能的光学放大器，通过佩戴在手指末端或者耳垂等毛细血管末端 来检测血液量的变化从而得到人体的

27、实时心率。该传感器只有三根线，电源、地 和信号线，信号线输出模拟信号，利用相应的 Arduino下位机程序和Processing上 位机程序，可以方便的显示脉搏波形，可以直接拿来做演示实验或者开发原型，而且这种传感器也使用方便感器紧贴手指指肚，再用绑带缠绕，做到传感器 和皮肤紧密接触即可。将 pulse sensor arduino相连，通过USB线将数据上传电 脑。通电后，pulse sensor的LED发出绿光，电脑屏幕上的脉搏波形刚开始还是 很凌乱的，等待arduino采集数据一段时间后就会有相应的脉搏波形显示出来，同 时arduino板上的LED灯也会随着佩戴者的每一次心跳而闪烁。该光

28、电脉搏传感器须能工作在 0c以上，能在10s内测量出一般成人的心率， 测量显示范围为30-200次/分，并能持续测量，每10秒更新一次心率显示，能够 通过电路进行高频滤波，消除高频噪声干扰；测量腔内部其他部分涂有吸光物质， 消除反射光的干扰；单片机能通过算法对结果进行检验和校正。测量腔入口连有 遮光指套，指套口有适合的松紧带来适应各种粗细的手指。25绿光LED口-LcH;rT图2.4传感器实物图模拟电压信号光感受器滤波电路 放大电路图2.5脉搏传感器结构图MTHC0 ND图2.6脉搏传感器原理图图2.7传感器输出脉搏波形图2.2采集记录模块由于整个系统要采用电池供电，并且待机时间要长，所以采用

29、了低功耗高性 能的单片机STM32L151。绿色能源技术的发展、电池供电产品的需求增长、新的国家和国际的低功耗 标准推出，以及善待环境意识的增强。等众多原因众多的应用领域对更低功耗的 需求与日增长。为了满足这样的市场需求，意法半导体开发了超低功耗的微控制 器平台。立足于ST自主研发的130nm超低漏电工业技术的8位的STM8和32位的 STM32位的开发平台。STM8L和STM32L为低功耗应用供给特别的性能，例如优化的动态运行功耗、 先进的超低功耗模式以及特殊的安全性能。不管哪种应用，通过不一工作模式， 微处理器都可以在超低功耗与高性能之间取得平衡，以此保证产品使用周期内的 各个环节一直保证

30、优化的功耗水平0其中32位的STM32L微控制器系列基于Cortex-M3内核，从功能、性能、封装 管脚数目和存储器容量等方面极大丰富了超低功耗产品线。STM32L系列有超低功耗和高性能于一身,STM32L系列不仅使用了意法半导体的超低漏电流制造工艺, 而且优化了整体架构。于2009年底ST宣布STM32L超低消耗微控制器正式投入市场，为了能够最大限 度降低了各种工作模式的功能消耗使用现在最为先进的EnergyLite?技术。超低功耗微控制器能够适用当前飞速提高的功能消耗需要，满足设计人员对更长时间的电池功能产品的使用寿命，以及放低家用电器和智能电表等功能的消 耗。市场上大部分的低耗技术大多是

31、关闭无用元件电源和休眠模式，STM32L的EnergyLite?技术不仅如此还能够在工作模式下节约能源，从而帮助设计者达到各 种能效目标，能够更容易的达到国际高能效电源推广计划以及各种待机能耗限制。除最为突出的与制程有关的节能特色外，STM32L系列还提供更多其它的功能，开发人员能够优化应用设计的功耗特性。通过六个超低功耗模式，STM32L系列产品能够在任何设定时间以最低的功耗完成任务。意法半导体单片机部市场经 理张军辉说，STM32L为客户提供6种模式：10.4仙4氐功耗运彳T模式、6.1仙低功 耗睡眠模式（一个计时器工作）、1.3 pA亭机模式（RTC运行，保留RAM内容、 0.5仙A停机

32、模式（无RTC运行，保留RAM内容）、1.0仙转机模式（RTC运行， 保存后备寄存器）。客户可以根据自己的算法和应用需要在不同模式之间切换， 达到一个低功耗的状态。STM32L系列新增低功耗运行和低功耗睡眠两个低功耗模 式，通过利用超低功耗的稳压器和振荡器，微控制器可大幅度降低在低频下的工 作功耗。稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。STM32L还提供动态电压升降功能，这是一项成功应用多年的节能技术，可进一步降低芯片在中低频下运行时 的内部工作电压STM32L性能1 .ARM Cortex-M3 32MHz 处理器2 .内置64128K字节闪存，16K字节RAM和最多4K字节EEPROM3

33、.2个子系列：子系列间管脚、软件和外设兼容4 .与STM32F系列在引脚分布上兼容5 .供电电压：带低电压检测时为1.8V3.6V,不带低电压检测时为1.65V3.6V6 .超低能耗：低至185 pA/DMIPS7 .6种超低功耗模式：功耗最低可达270 nA8 .超低功耗动态模式：低功耗运行时功耗低至 10.4必A低功耗睡眠且有1个定时器 运行时功耗低至6.1以卜9 .运行模式，代码从FLASH执行加动态电压调节，经济功耗低达 230 A/MHz 10.工作温度范围-40 C至+85C11.丰富的高端模拟、数字外设STM32L超低功耗性能1 .低耗运行模式：CPU仍然处于运行状态。CPU由低

34、速振荡器驱动（RTC或内部振 荡器），执行RAM中的代码。功耗的典型值为10.4小儿2 .低耗睡眠模式：允许RTC和其他的一些外设（例如定时器）保持运行状态，CPU 停止运行。当只有一个定时器保持运行时，功耗电流的典型值为 6.1 在此模式下，Flashf块关闭，CPU停止运行，调压器处于超低功耗状态下，RTC和一些外设可以保持运行状态3 .停止模式：CPU、主时钟和外设都停止运行。RTC可以保持运行或停止状态（取 决于2种不同的停止模式）。可以通过外设的中断来唤醒。维持SRAM和备份寄存器 的内容。4 .待机模式：CPU、主时钟和外设都停止运行。RTC可以保持运行或停止状态（取 决于2种不同

35、的待机模式）。只维持备份寄存器的内容。需要通过唤醒引脚来唤醒。整个采集记录模块主要分为3个部分：主控单元、电源单元和接口单元。2.2.1 主控单元主控单元主要是STM32L151单片机的最小系统，完成对脉搏模拟信号的采集 量化，并将脉搏数据储存在 SD卡中。GNDR4 MHigndVDOI HjND-pAtl-WKUPlpenPAIpiiiiM3iPRX inPAiP133JTDOPMPR*.rNTR$TPA?F阳PAAPJSftPA?PH1PASPBHPIJH1PAIOPVIOiPAI 1PflllPAI 2懵INPAIMIMSWDIQmuPAi4JTi ICE鲁工 LKpirnPfilSU

36、NI JMXlK iJ-WKUfJU&L OVTTDIPt N-CKiC32 INPCJ5-OSt32_aUTTIOOTCNRSTVLCPVDD 1VSS 1VDD 2VS_2VDD_3VSSJvnriAVSSAU7miIESIBOOT I PSJ 4IK.JRJTlWjTJIkndrr 3图2.8主控单元示意图2.2.2 电源单元电源单元主要完成两个功能：第一,使用 TP4057实现外部5v电压对锂电池 的充电保护电路；第二，使用低压差LDO芯片SP6201实现对整个系统稳压供电。I ?IIHGVCC57nI lNdnr 2Title图2.9锂电池充电和保护电路(1)锂电池保护电路近年来，P

37、DA、数字相机、手机、可携式音讯设备和蓝芽设备等越来越多的产 品采用锂电池作为主要电源。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循 环寿 命高、高电压电池和自放电率低等优点，与锲镉、锲氢电池不太一样，锂电 池必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化。针对锂电池的过充、过度 放电、过 电流及短路保护很重要，所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保 护锂电池。由于锂离子电池能量密度高，因此难以确保电池的安全性。在过度充 电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上 升而产生自燃或 破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池 特性及耐久性劣化，因而降低可

38、充电次数。锂离子电池的保护电路就是要确保这 样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性劣化。锂离子电池的保护电路 是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成，其中保护IC监视电池电压，当有过度 充电及放电状态时切换到以外挂的功率 MOSFET来保护电池，保护IC的功能有 过度充电保护、过度放电保护和过电流/短路保护。一、过度放电保护在过度放电的情况下，电解液因分解而导致电池特性劣化， 并造成充电次数的降低。采用锂电池保护 IC可以避免过度放电现象产生，实现电 池保护功能。过度放电保护IC原理：为了防止锂电池的过度放电状态，假设锂电 池接上负载，当锂电池电压低于其过度放电电压检测点（假定为2.3

39、V）时将激活过度放电保护，使功率 MOSFET由开转变为切断而截止放电，以避免电池过度放 电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅 0.1 当锂 电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方 可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。二、过度充电保护过度充电保护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电时， 为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护IC需检测电池电压，当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即激活过度充电保护，将 功率MOSFET由开转为切断，进而截止充电。三、过电流及短

40、路电流因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过 电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。过电流保护IC原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护 IC将激活过（短路）电流保护，此时过电流 的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形， 如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为：V- = I Rds（on） x2 （V-为过电流检测电压，I为放电电流）四、锂电池保护IC的新功能除了上述的锂电池保护IC功能之外，下面这些新 的功能同样值得关注：1.充电时的过电流保护。当连接充电器进行充电时突然产生 过电流（如充电器损坏），电路立即进行过

41、电流检测，此时 Cout将由高转为低， 功率MOSFET由开转为切断，实现保护功能。V- = I Rds（on）去（I是充电电流； Vdet4,过电流检测电压，Vdet4为-0.1V） 2.过度充电时的锁定模式通常保护IC 在过度充电保护时将经过一段延迟时间，然后就会将功率MOSFET切断以达到保护的目的，当锂电池电压一直下降到解除点（过度充电滞后电压）时就会恢复， 此时又会继续充电一保护一放电一充电一放电。这种状态的安全性问题将无法获 得有效解决，锂电池将一直重复着充电一放电一充电一放电的动作，功率MOSFET 的栅极将反复地处于高低电压交替状态，这样可能会使MOSFET变热，还会降低电池寿

42、命，因此锁定模式很重要。假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有锁定模式，MOSFET将不会变热，且安全性相对提高很多。在过度充电保护之后， 只要充电器连接在电池包上，此时将进入过充锁定模式。此时，即使锂电池电压下降也不会产生再充电的情形，将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态。3.减少保护电路组件尺寸将过度充电和短路保护用的延迟电容器整合在到保护 IC里面，以减少保护电路组件尺寸。五、对保护IC性能的要求。1.过度充电保护的高精密度化当锂离子电池有过 度充电状态时，为防止因温度上升所导致的内压上升，须截止充电状态。保护 IC 将检测电池电压，当检测到过度充电时，则过度充电检测的功率 MO

43、SFET使之切 断而截止充电。此时应注意的是过度充电的检测电压的高精密度化，在电池充电 时，使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题，同时兼顾到安全性问题，因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件，必须有高精 密度的检测器，目前检测器的精密度为 25mV,该精密度将有待于 进一步提高。 2.降低保护IC的耗电 随着使用时间的增加，已充过电的锂离子电池电压会逐渐 降低，最后低到规格标准值以下，此时就需要再度充电。若未充电而继续使用， 可能造成由于过度放电而使 电池不能继续使用。为防止过度放电，保护 IC必须 检测电池电压，一旦达到过度放电检测电压以下，就得使放电一方的功率MO

44、SFET 切断而截止放电。但此时 电池本身仍有自然放电及保护IC的消耗电流存在，因 此需要使保护IC消耗的电流降到最低程度。3.过电流/短路保护需有低检测电压 及高精密度的要求。因不明原因导致短路时必须立即停止放电。过电流的检测是 以功率MOSFET的Rds(on)为感应阻抗，以监视其电压的下降，止匕-时的电压若比 过电流检测电压还高时即停止放电。为了使功率 MOSFET的Rds(onXE充电电流 与放电电流时有效应用，需使该阻抗值尽量低，目前该阻抗约为20mQ30mQ,这 样过电流检测电压就可较低。4.耐高电压。电池包与充电器连接时瞬间会有高压产 生，因此保护IC应满足耐高压的要求。5.低电

45、池功耗。在保护状态时，其静态耗 电流必须要小0.1 nA 6.零伏可充电 有些电池在存放的过程中可能因为放太久或 不正常的原因导致电压低到 0V,故保护IC需要在0V时也可以实现充电RI4 vw-470KU5图2.10电源稳压电路（2）电源稳压电路微功耗，100mA 和 200mA CMOS LDO 调节器6201小型DFN封装（2mrK 3mm）低压差：160mV 100mA高输出电压精确度：2%极低的关断电流：最大为1uA极低的GND电流：200uA 200mA负载、28uA 100uA负载极好的负载和线性调节电流和发热限制复位输出（VOUT良好）逻辑控制的电子使能1uF的陶瓷电容可保持器

46、件无条件稳定工作固定的输出：5V, 1.8V, 2.5V, 2.7V, 2.85V, 3.0V, 3.3V, 3.5V, 5V输出电压可调节应用移动电话笔记本/掌上电脑电池供电的设备消费者/个人电子产品SMPS后置调节器DC-to-DC 模块医疗器材数据电缆 寻呼机SP6201是CMOS LDO器件，适用于要求高精度、快速操作和方便使用的应用。它们提 供极低的静态电流，静态电流只有在带负载的情况下才会稍微有所上升，这为双极型LDO的地电流操作提供了便利。SP6200和SP6201 LDO器件可处理极宽的负载范围，在 1uF的输出陶瓷电容下仍可稳定工作。它们有极好的低频PSRR,这是其它CMOS

47、 LDO不具备的，可对产生的异常进行线性调整。高频PSRR比高达400KHz的40dB更好。SP6200和SP6201良好的负载调节特性和温度的稳定性可与双极性LDO相媲美。所有的版本都提供使能的特性。SP6200和SP6201有输出电压固定和输出电压可调两种版本，含有小型 DFN和小型SOT-23-5的封装。所有输出电压固定的版本都提供一个VOUT良好指示器。绝对最大额定值下面列出的是器件正常工作的额定值，并未涉及器件在这些条件或超出这些条件下的功 能操作。器件不能长时间工作在绝对最大额定值条件下，否则会影响其可靠性。电源输入电压 （VIN） -27V-0.6 （VIN+1V）输出电压（VO

48、UT ）使能输入电压（VEN） -27V内部限定功耗（PD）引脚温度（焊接，5s） .260C存储温度范围 -65C-+150C 工作额定值输入电压（VIN） .+2.5V+6V使能输入电压（VEN） 0V+6V接点温度（TJ） 40 C+125 C热电阻：SOT-23-5 （ 0 JA C/W08 脚 DFN （ 0 JA C/W0SP6201是CMOS LDO器件，适用于要求高精度、快速操作和方便使用的应用。它们提 供极低的静态电流，静态电流只有在带负载的情况下才会稍微有所上升，这为双极型LDO的地电流操作提供了便利。SP6200和SP6201 LDO器件可处理极宽的负载范围，在 1uF的

49、输出陶瓷电容下仍可稳定工作。它们有极好的低频PSRR,这是其它CMOS LDO不具备的，可对产生的异常进行线性调整。高频PSRR比高达400KHz的40dB更好。SP6200和SP6201良好的负载调节特性和温度的稳定性可与双极性LDO相媲美。因此，在所有 DC和AC条件下整个系统的精度都可保持。所有版本的器件都提供使能的特性。输出电压固定的器件都提供一个VOUT良好指示器（RSN管脚）。还有一种输出电压可调的器件版本，内部提供电流限制和过热保护，并可进行良好的控制。 结构SP6200和SP6201的唯一区别是两者的限流阈值不同。SP6200的电流限制在140mA以内，而SP6201的电流限制

50、在 420mA以内。SP6201可提供300mA的脉冲负载电流。LDO有一个 2级放大器，可处理极宽的负载范围（ 10uA300mA）,并保证器件可在 1uF的陶瓷负载电容 下稳定工作。LDO放大器的增益恰到好处，具有其它CMOS LDO器件不具备的良好 PSRR性能。放大器可保证在上电或通过EN管脚使能时不产生过冲。放大器还包含一个有效的下拉，使负载快速移走时输出电压的瞬时变化最小；这样，当负载瞬时变化时输出偏差的变化将很 小，与负载连接和断开的情况非常匹配。2.7V和更高电压的固定输出版本 LDO器件有一个精确的1.250V的带隙基准直接连接到 输出。这就增强了低频和高频PSRR。可调版本

51、LDO器件也有带隙基准，直接连接到输出，从而得出最低外部可编程输出电压为2.7V。2.5V的固定输出版本器件的带隙总是连接到VIN管脚。与许多LDO不同的是，带隙基准不能用于应用的滤波。这种变化很难保持在高频时的 良好PSRR （由于开关噪声作用于管脚，使得系统的PSRR降低）。而且，通常旁路电容或其它元件的泄漏会造成高阻抗带隙节电出错。因此，这种变化已被使用方便”的想法改进。2.2.3接口单元接口单元主要有三个部分：第一，USB接口实现对锂电池的充电和与主控芯片的通信；第二，音频接口实现与脉搏传感器的连接；第三，SD卡接口实现主控芯片对 micro SD卡的读取。CI2U6 Tols ORI

52、QOpFroiVbusGND10217SBLC6MH IX1H2.R71.5KX1H4.vccD-D+NCGNDvccTQ2X/67503-1020R18 I viPNPRI9,VWC13iHJnF10KGND 图2.11 USB接口电路USB接口是一种可以热插拔的通信接口，方便随时使用，但是在插拔过程中 容易产生电路上的瞬间冲击，从而损坏单片机的USB接口。因为在USB接口上加 入了 USBLC6芯片可以有效保护USB接口电路的安全性。同时利用一个三极管来 控制USB接口电路的使能，可以有效控制系统的功耗。IIO 1luFC3 ?FlOOnF图2.12传感器接口电路传感器接口使用的是普通音频

53、插口。由于脉搏传感器输出的是低压模拟信号 同时使用在人体需要一定的长度，所以为了保证信号尽量少受干扰，采用了带有 屏蔽的音频线来传输脉搏信号。止匕外，在接口的输出端加入了一阶低通滤波器来 去除混入的高频噪声。SD_EN ；RH IKVDDR12AR1310K：IOK、/ 1srr CLK.R1L“OK：RIO. 10K：(SPI MISO56235Pi_CS ; SPI MOSI7QlPNPX DUTU4DAT2 CS/DAT3 MOST/CMb VDD SCLK/CLK GNDMT SO/DATO DAT1 CD10TTGlG2G3G4TF CARDlOOpFGND图2.13 SD卡接口电路

54、本系统采用SPI接口来完成对SD卡的操作。同时在SD卡的电源端加入了一 个三极管来控制SD卡的上电控制，最大限度实现系统的能耗控制。2.3处理显示模块使用C#S言搭建了上位机显示模块，可以将 SD卡中存储的波形文件读入计 算机并显示波形，同时利用现有算法文件直接对脉搏波形计算心率。下位机显示 界面如下图所示，其具有局部放大和缩小的功能。图2.14下位机显示界面3系统软件设计3系统软件设计为了降低整体功耗，主控芯片 STM32L151采用定时唤醒工作方式。每 2ms 唤醒一次，采集AD数据，采样率为500HZ。系统每采集512个AD数值后，将 其一次性存入SD卡的一个block中。由于波形文件要

55、由上位机或其他软件读取， 为了增强兼容性和稳定性，采用了适用于嵌入式系统的文件系统-FATFS。FatFS是一个为小型嵌入式系统设计的通用 FAT（File Allocation Table）文件系 统模块。FatFs的编写遵循ANSI C,并且完全与磁盘I/O层分开。因此，它独立于 硬件架构。它可以被嵌入到低成本的微控制器中，如 AVR, 8051, PIC, ARM, Z80, 68K等等，而不需要做任何修改。FatF4一个通用的文件系统模块，用于在小型 嵌入式系统中实现FAT文件系统。FatFs的编写遵循ANSI C ,因此不依赖于硬件 平台。它可以嵌入到便宜的微控制器中，如8051,

56、PIC, AVR, SH, Z80, H8, ARM等 等，不需要做任何修改。3.1功能配置:_FS_TINY:文件系统为标准的还是微型的，默认为标准的 （0）;_FS_READONLY :文件系统是否为只读，默认为可读写（0）,若只读则f_write、 f_sync、 f_unlink、f_mkdir、f_chmod、f_rename f_truncate和f_getfree不可用；_FS_MINIMIZE :裁剪文件系统的功能，默认为全部功能（0）,若为1、2则会 移除大部分链接、目录等功能；_USE_STRFUNC:是否允许字符串操作，默认为不允许（0）,这个看个人需求， 一般情况下设置为1即可，如果工作在windows下，为保证文件兼容性（如换行符n 和回车符建议将此项设置为2;_USE_MKFS:是否允许使用f_mkfs函数，默认为0,用于创建文件夹，建议 开启；_USE_FORWARD :用于允许f_forward函数，只有开启tiny文件系统时才用到， 该函数用于将读写的数据立即转