便攜式心率采集系統(tǒng)設(shè)計

1、便攜式心率采集系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 生：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：助理指導(dǎo)教師:業(yè):隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)信號測量儀器日新月異。生物醫(yī)學(xué)測量與 臨床醫(yī)學(xué)和保健醫(yī)療的聯(lián)系日益緊密。通過對人體各種生理信號的檢測，能更好 的認識人體的生命現(xiàn)象，這其中脈搏信號包含豐富的人體健康狀況信息，從中提取的心率值對人體健康有著重要的參考作用。 本文采用光電反射式傳感器，設(shè)計了一 套便攜式可穿戴的獲取和保存脈搏信號的系統(tǒng)。本設(shè)計主要是基于STM32L低功耗單片機，利用光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過放大整形濾波后，輸入單片機內(nèi) AD進行采樣并將數(shù)字化后的脈搏信號和計算出的心率值保存在SD卡中。后期通過上位機軟件可以觀測脈搏信

2、號，對人體健康進行評估，因此該系統(tǒng)適用于保健 中心、醫(yī)院和家庭等場所。本設(shè)計所設(shè)計的基于單片機的便攜式心率采集系統(tǒng)對 推進脈診技術(shù)客觀化和HRV研究具有積極的促進作用。關(guān)鍵詞：脈搏，單片機，光電傳感器，脈沖信號，便攜式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目錄摘 要IIABSTRACT JJJ.1緒論11.1 課題研究背景及意義 11.2 脈搏檢測儀介紹 21.3 關(guān)于本文主要研究內(nèi)容及方法 42 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)62.1 脈

7、搏測量模塊 72.1.1 常用的脈搏檢測方法 72.1.2 光電式脈搏傳感器 72.2 采集記錄模塊 112.2.1 主控單元132.2.2 電源單元142.2.3 接口單元202.3 處理顯示模塊 233系統(tǒng)軟件設(shè)計253.1 功能配置：253.2 硬件相關(guān)配置： 263.3 文件系統(tǒng)配置: 264.系統(tǒng)實物圖和測試結(jié)果 335.總結(jié)34參考文獻35IV1緒論1緒論1.1 課題研究背景及意義隨著人們生活水平的提高，地球環(huán)境遭到破壞，多種疾病威脅著人們的生命 而心臟病的發(fā)作又是人們難以預(yù)防的突發(fā)致命疾病。在醫(yī)學(xué)上，通過測量人的心 率，便可初步判斷人的健康狀況。因此，心率計很快產(chǎn)生并得到發(fā)展。隨

8、著單片 機技術(shù)的發(fā)展、人們的生活節(jié)奏加快，設(shè)計一種以使用方便為前提，能夠快速測 出人心率的心率計，不僅是臨床者的需要，也是體育訓(xùn)練者和外出旅游者的需要。 傳統(tǒng)的脈搏測量采用診脈方式，中醫(yī)脈象診斷技術(shù)就是脈搏測量在中醫(yī)上卓有成 效的應(yīng)用，但是受人為的影響因素較大，測量精度不高。為了克服上述測量方法的不足，脈搏測試不再局限于傳統(tǒng)的人工測試法或聽診器測試法。利用血液是高 度不透明的液體，光照在一般組織中的穿透性要比在血液中大幾十倍的特點，可 通過光電傳感器對脈搏信號進行檢測，并通過單片機技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)智 能化的脈搏測試技術(shù)。當代的醫(yī)用電子設(shè)備已不單單是醫(yī)學(xué)電子測量儀器硬件系統(tǒng)，而是該從計算

9、機技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和電子技術(shù)的生理量的檢測。而生物電子測量儀器已 是電子信息產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成部分，它的發(fā)展對整個國民經(jīng)濟尤其對信息產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展有著重要的影響，對高端電子測量儀器的發(fā)展是國家和企業(yè)正確選擇。研究認 為，受測量儀器的智能化、和數(shù)字化發(fā)展趨勢以及消費電子、3G網(wǎng)絡(luò)。數(shù)字電視, 生物醫(yī)學(xué)等市場的迅速發(fā)展的帶動下，未來幾年，通用測量市場會以超高的增長 率快速發(fā)展，一時也將促進電子測量技術(shù)產(chǎn)生新的發(fā)展趨勢和新概念。更因為節(jié) 能、降耗、減排的國際大趨勢更為電子儀器提供了更為廣闊的新的市場。不管是 在國際或者國能，電子測量技術(shù)將快速發(fā)展，步入全新的電子信息的時代。而本課題把生理量的測量和生

10、物信號處理技術(shù)融為一體。所設(shè)計的心率測試 儀屬于一種集輕型化、一體化、可視化等優(yōu)點的便攜式測試儀。由于心率是指人體心臟每分鐘搏動的次數(shù)，但是這種搏動不是均勻的每次的 搏動間期之間的是存在細微的差異，而這種差異產(chǎn)生于自主神經(jīng)系統(tǒng)對竇房結(jié)自 律性的調(diào)制，使得心搏間期一般存才幾十毫米的波動或差異，這種差異或者波動 叫做心率變異性（Heart Rate Variability, HRV）。所謂的心率測試也就是在測量心 率變異性（HRV）。心率變異性（HRV）信息中包含著海量關(guān)乎與心腦血管的調(diào)節(jié)信息，該信息 受血壓、溫度、呼吸、血管緊張素還有腎素等多種因素影響尤其是最重要的自主 神經(jīng)系統(tǒng)對其的調(diào)節(jié)作用。

11、在 1978年Wolf等第一次報道了心率變異性（HRV） 在急性心肌梗塞（AMI ）后過度降低同時嚴重心律失常和心源性猝死（SCD）也有 密切關(guān)系，從而導(dǎo)致了心率變異性（HRV）的分析以及檢測在臨床醫(yī)學(xué)中收到了 高度重視，國外和國內(nèi)有關(guān)基礎(chǔ)和臨床研究逐年增加。現(xiàn)在國際上認為，心率變 異性（HRV）分析作為對心臟自主神經(jīng)均衡性、活性、以及相關(guān)病理狀態(tài)的無創(chuàng) 口檢測方法，并且在他的應(yīng)用已經(jīng)在急性心肌梗塞（ AMI）和糖尿病自主神經(jīng)病 變（DAN）評價中得到了充分的肯定，并在高血壓、阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征（俗 稱打呼嚕）、心力衰竭等多種心血管疾病和非心腦血管疾病中展現(xiàn)了非常廣闊的應(yīng) 用前景。同時心

12、率值也是衡量體力勞動強度和腦力勞動強度的重要指標。因此，設(shè)計 一種可隨身攜帶、可長時間記錄、顯示和存貯心率值的心率測試儀是十分必要的。1.2 脈搏檢測儀介紹在臨床診斷和治療中從脈搏波中所提取出的生理病理信息作為重要的依據(jù)， 因此不管在國際和國內(nèi)、中醫(yī)和西醫(yī)中都受到了很大的重視。世界上大多數(shù)的國 家和民族都有通過把脈”來診斷疾病。然而通過傳統(tǒng)的方法來記錄病人的脈搏時大 多時通過把脈也就是醫(yī)生用手按住病人的腕部或者頸部的動脈，根據(jù)脈搏的跳動 來技術(shù)，一般情況下為了節(jié)省時間都是測量 10秒鐘內(nèi)的跳動次數(shù)再通過換算來得 到結(jié)果。但是如此就出現(xiàn)了精度不高、效率低下、等一系列的問題。由于心室射血進入動脈是

13、間斷的，這就造成了每一心動周期內(nèi)動脈容積和動 脈血壓的一系列變化，使動脈隨心動周期而搏動，在淺表動脈可摸到一起一伏的 搏動，稱為動脈搏動。由于主動脈根部的起伏性搏動，沿動脈管壁想末梢血管呈 波形的傳播，稱為脈搏波。脈搏波波形圖是動脈血管的搏動的軌跡，他主要綜合了心臟的收縮活動和脈 搏波沿血管傳播途中攜帶的各種信息，為此，脈搏波波形圖的拐點都有一定的意 義。5圖1.1典型脈搏波波形圖圖中個字母代表的意義為：U:起始點P:主波 T:潮波 V:切跡 D:重博波早在1860年誕生了第一臺脈搏檢測儀，它是 Vierordt所創(chuàng)建的杠桿式脈搏掃 儀，國內(nèi)也與20世紀50年代朱顏將脈搏檢測儀引用到了中醫(yī)脈診

14、的研究反面。 隨后隨著機械及電子技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外在研制脈搏檢測儀方面研究也發(fā)展很快。跟隨者科技的發(fā)展，脈搏檢測技術(shù)也日新月異越來越先進，對脈搏的測量精 度要求也越來越高，國際和國內(nèi)也先后研發(fā)和制造了很多不同脈搏檢測儀，當中 的關(guān)鍵時對脈搏傳感器的研究。脈搏波所呈現(xiàn)的波形（強度）、波形（形態(tài)）、周期（節(jié)律）和速率（波速） 等方面的綜合信息，都反映出了人體心血管系統(tǒng)中系統(tǒng)很多的生理病理的血流特 征，因而脈搏波的采集和處理在醫(yī)學(xué)上有極高的價值和應(yīng)用前景。但是人體繁多 的生物信號多屬強噪聲的背景下的低頻弱信號，其中脈搏波信號更是低頻超弱的 非電生理信號，所以必須經(jīng)過放大和后期濾波以滿足采集的要求。起

15、初用于體育 測量的脈搏測試集中在對接觸式傳感器的研究，利用此類傳感器所研制的指脈、 耳脈等測量儀各有其優(yōu)缺點。指脈測量比較方便、簡單，但因為手指上的汗腺較 多，指夾常年使用，污染可能會使測量靈敏度下降：耳脈測量比較干凈，傳感器 使用環(huán)境污染少，容易維護。但因耳脈較弱，尤其是當季節(jié)變化時，所測信號受 環(huán)境溫度影響明顯，造成測量結(jié)果不準確。過去在醫(yī)院臨床監(jiān)護和日常中老年保 健中出現(xiàn)的日常監(jiān)護儀器，如便攜式電子血壓計，可以完成脈搏的測量但是這種 便攜式電子血壓計利用微型氣泵加壓橡膠氣囊，每次測量都需要一個加壓和減壓 的過程，存在體積龐大、加減壓過程會有不適、脈搏檢測的精確度低等缺點。近年來國內(nèi)外致力

16、于開發(fā)無創(chuàng)非接觸式的傳感器，這類傳感器的重要特征是 測量的探測部分不侵入機體，不造成機體創(chuàng)傷，能夠自動消除儀表自身系統(tǒng)的誤 差，測量精度高，通常在體外，尤其是在體表間接測量人體的生理和生化參數(shù)。傳統(tǒng)測量方法分別有光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。近年來，光電檢測技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)展很 快，這主要是由于光能避開強烈的電磁干擾，具有很高的絕緣性，且可非侵入地檢 測病人各種癥狀信息。本系統(tǒng)設(shè)計了指套式的透射型光電傳感器，實現(xiàn)了光電隔離 減少了對后級模擬電路的干擾。采用指套式的透射型光電傳感器模塊對人體實行 心率數(shù)據(jù)采集。其中光電式脈搏傳感器是根據(jù)光電容

17、積法制成的脈搏傳感器，通過對手指末 端透光度的監(jiān)測，間接檢測出脈搏信號。具有結(jié)構(gòu)簡單、無損傷、精度高、可重 復(fù)使用等優(yōu)點。通過光電式脈搏傳感器所研制的脈搏測量儀已經(jīng)應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué) 等各個方面并收到了理想效果。1.3 關(guān)于本文主要研究內(nèi)容及方法本項目擬研制一套脈搏采集分析設(shè)備，該設(shè)備采用光電傳感器從人體的手指 或耳垂等處測得脈搏信號，通過控制器采集信號并經(jīng)由TF卡上傳給計算機，之后 由計算機對脈搏信號進行分析處理得到信號的R-R間期，并將其儲存在計算機的硬盤中。傳統(tǒng)的脈搏測量方法主要有三種：一是從心電信號中提??；二是從測量血壓 時壓力傳感器測到的波動來計算脈率；三是光電容積法。前兩種方法提取信號

18、都 會限制病人的活動，如果長時間使用會增加病人生理和心理上的不舒適感。而光 電容積法脈搏測量作為監(jiān)護測量中最普遍的方法之一，其具有方法簡單、佩戴方 便、可靠性高等特點。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行 脈搏測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子 固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性的 一定波長(500nm700nm)的發(fā)光二極管。當光束透過人體外周血管，由于動脈 搏動充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體 組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵?。由于脈搏是隨心臟的搏動

19、而 周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化 周期就是脈搏率。1 .采用低功耗主控芯片STM32L來實現(xiàn)心率數(shù)據(jù)的采集，使用嵌入式文件系統(tǒng) FATFS完成心率數(shù)據(jù)在 SD卡上的存儲。2 .根據(jù)系統(tǒng)原理，設(shè)計下位機采集板的電路原理圖和PCB版圖并焊接調(diào)試原型機。3 .在PC機上用高級語言編寫GUI界面，完成SD卡中心率波形的讀取、顯示和分析工作。4 .測試整體便攜式設(shè)備的功耗情況，檢驗系統(tǒng)功能2整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脈搏測量分析儀由三部分組成：脈搏測量模塊、采集傳輸模塊和上位機處理 顯示模塊。其示意圖如下：開卡市旃膿搏測學(xué)模塊圖2者柳濯酸結(jié)構(gòu)處理顯不模塊脈搏測量

20、模塊主要完成對手指端脈搏信號的提取和放大的作用。本系統(tǒng)擬采 用峰值波長為515nm的綠光波段的發(fā)光二極管作為光源，并采用對該波段敏感的 環(huán)境光感應(yīng)器來將光信號轉(zhuǎn)為電信號，并通過后級的放大緩沖電路輸出該電信號。 采集記錄模塊主要完成對上一級輸出信號的采樣量化和對后一級傳輸數(shù)字信號的 作用。本系統(tǒng)擬采用微控制器來完成對模擬信號的采樣量化，并將采樣后的數(shù)據(jù) 儲存在可插拔的大容量TF卡中，保證了數(shù)據(jù)的可靠記錄和長時間儲存。系統(tǒng)的前兩部分脈搏測量模塊和采集記錄模塊統(tǒng)一采用低功耗嵌入式技 術(shù)完成，并采用電池供電。不但可以保證整體系統(tǒng)長時間不間斷采集地采集脈搏 信號，而且電池供電保證了系統(tǒng)的安全性，同時由于

21、系統(tǒng)體積較小并采用了TF卡儲存，可以較好地固定于人體上，方便病人活動。處理顯示模塊主要完成對脈搏信號的作圖顯示和自動測量R-R間期并保存的作用。該模塊是采用計算機軟件編程的方式對 TF卡中儲存的脈搏信號進行讀取作 圖顯示同時可以完成對脈搏信號的 R-R間期測量計算并將該測量值保存在硬盤上。2.1 脈搏測量模塊脈搏測量模塊這部分主要的問題是如何測量和處理脈搏信號。而脈搏信號作 為人體中作為最容易被檢測的生理信號之一，血壓、心電、心音等多種生理信號 中都攜帶有心率的信息。http:/pan.baidu.eom/s/1hsi8v5M2.1.1 常用的脈搏檢測方法1 .利用心臟活動時，心臟周圍的組織和

22、體液導(dǎo)電所產(chǎn)生的心電信號用心電圖 記錄下來，隨即從R-R心電間期中提取心率。2 .利用心臟活動時，由于血液裝機心室壁、大動脈，或者心肌收縮等機械振 動被記錄信號中測出脈搏。3 .利用心臟活動時，血液流動的變化從手指頭或耳垂等透光度較高的部中測 量出光通量的變化得到心率。本次課題所用到的就是這種方式。4 .利用心臟活動時，血液流動的變化會導(dǎo)致的人體阻抗發(fā)生變化從中推算出 脈搏。5 .利用心臟活動時，血液流動所引起的超聲多普勒頻移偏變化來推算出心率。6 .還有利用心沖擊圖的辦法等。2.1.2 光電式脈搏傳感器由于本課題追求方便、簡單、無創(chuàng)口、體積小等特點，我們在選擇脈搏檢測 的方法是選用的是光電容

23、積法脈搏測量的辦法。而所謂的光電容積法脈搏測量的 本質(zhì)就是使用光電式脈搏傳感器來檢測和獲得脈搏信息。為光電式脈搏傳感器的原理是由于人體心臟的周期性跳動會導(dǎo)致人體各個組 織中的動脈中血液等成分的周期性變化，所以根據(jù)Lambert-Beer定律，當物質(zhì)被特定波長的光或者說單一顏色的光照射時，他的吸光度與該物質(zhì)的濃度、厚度之 間是存在著特定的關(guān)系。也就是說每當心臟的跳動導(dǎo)致某處動脈中的血液濃度的 變化時會導(dǎo)致該處組織的吸光度發(fā)生變化。因此當我們選擇指尖、耳垂、耳膜等 相對于其他組織而言更為薄地方檢測時檢測到的光強度相對而言更大一些，所以 光電式傳感器的測量部位通?，F(xiàn)在這些地方。下面我們將以指尖為例。

24、手指各種 組織可以分為皮膚組織、肌肉組織、骨骼組織，纖維組織等其中除去血液組織其 他各個組織的吸光度都是定值，而在血液組織中靜脈血的變化相對于動脈血來說 可以忽略不計，所以我完全可以任務(wù)手指或者說指尖的吸光度的變換完全是有動 脈搏動引起的，通過檢測指尖的吸光度來間接檢測人體脈搏信號是可行的。先舞勒命it持幣*值圖2.2人體手指吸光度的變化的示意圖根據(jù)郎伯-比爾(Lambertbeer)定律，物質(zhì)在一定波長處的吸光度和它的濃度 成正比，當恒定波長的光照射到人體組織上時 ，通過人體組織吸收、反射、衰減后 測量到的光強在一定程度上反映了被照射部位組織的結(jié)構(gòu)特征。血液是高度不透 明的液體，光在一般組織

25、中的穿透性要比在血液中大幾十倍。一般情況下，當光 子穿越介質(zhì)時，因能量被吸收而導(dǎo)致的強度衰減可描述為：1o:為入射光強，1是與組織結(jié)構(gòu)相關(guān)的吸收系數(shù)，&是沿光軸的坐標長度。脈搏主要由人體動脈舒張和收縮產(chǎn)生的，在人體指尖，組織中的動脈成分含量高 而且指尖厚度相對其他人體組織而言比較薄，透過手指后檢測到的光強相對較大因此光電式脈搏傳感器的測量部位通常在人體指尖。圖2.3人體指尖還原蛋白與氧化蛋白光吸收率示意圖。光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行 脈搏測量的。其使用的傳感器由光源和光電變換器兩部分組成，通過綁帶或夾子 固定在病人的手指或耳垂上。光源一般采用對動脈血中氧

26、和血紅蛋白有選擇性的 一定波長(500nm700nm)的發(fā)光二極管。當光束透過人體外周血管，由于動脈 搏動充血容積變化導(dǎo)致這束光的透光率發(fā)生改變，此時由光電變換器接收經(jīng)人體 組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵浞糯蠛洼敵觥Ｓ捎诿}搏是隨心臟的搏動而 周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化 周期就是脈搏率。由于光電容積法比較容易實現(xiàn)，所以經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)了一款開源的心率傳感器 pulse sensor該傳感器是可以配套 Arduino使用的一個心率傳感器，本質(zhì)是一個帶 有放大和消噪功能的光學(xué)放大器，通過佩戴在手指末端或者耳垂等毛細血管末端 來檢測血液量的變化從而得到人體的

27、實時心率。該傳感器只有三根線，電源、地 和信號線，信號線輸出模擬信號，利用相應(yīng)的 Arduino下位機程序和Processing上 位機程序，可以方便的顯示脈搏波形，可以直接拿來做演示實驗或者開發(fā)原型，而且這種傳感器也使用方便感器緊貼手指指肚，再用綁帶纏繞，做到傳感器 和皮膚緊密接觸即可。將 pulse sensor arduino相連，通過USB線將數(shù)據(jù)上傳電 腦。通電后，pulse sensor的LED發(fā)出綠光，電腦屏幕上的脈搏波形剛開始還是 很凌亂的，等待arduino采集數(shù)據(jù)一段時間后就會有相應(yīng)的脈搏波形顯示出來，同 時arduino板上的LED燈也會隨著佩戴者的每一次心跳而閃爍。該光

28、電脈搏傳感器須能工作在 0c以上，能在10s內(nèi)測量出一般成人的心率， 測量顯示范圍為30-200次/分，并能持續(xù)測量，每10秒更新一次心率顯示，能夠 通過電路進行高頻濾波，消除高頻噪聲干擾；測量腔內(nèi)部其他部分涂有吸光物質(zhì)， 消除反射光的干擾；單片機能通過算法對結(jié)果進行檢驗和校正。測量腔入口連有 遮光指套，指套口有適合的松緊帶來適應(yīng)各種粗細的手指。25綠光LED口-LcH;rT圖2.4傳感器實物圖模擬電壓信號光感受器濾波電路 放大電路圖2.5脈搏傳感器結(jié)構(gòu)圖MTHC0 ND圖2.6脈搏傳感器原理圖圖2.7傳感器輸出脈搏波形圖2.2采集記錄模塊由于整個系統(tǒng)要采用電池供電，并且待機時間要長，所以采用

29、了低功耗高性 能的單片機STM32L151。綠色能源技術(shù)的發(fā)展、電池供電產(chǎn)品的需求增長、新的國家和國際的低功耗 標準推出，以及善待環(huán)境意識的增強。等眾多原因眾多的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω凸牡?需求與日增長。為了滿足這樣的市場需求，意法半導(dǎo)體開發(fā)了超低功耗的微控制 器平臺。立足于ST自主研發(fā)的130nm超低漏電工業(yè)技術(shù)的8位的STM8和32位的 STM32位的開發(fā)平臺。STM8L和STM32L為低功耗應(yīng)用供給特別的性能，例如優(yōu)化的動態(tài)運行功耗、 先進的超低功耗模式以及特殊的安全性能。不管哪種應(yīng)用，通過不一工作模式， 微處理器都可以在超低功耗與高性能之間取得平衡，以此保證產(chǎn)品使用周期內(nèi)的 各個環(huán)節(jié)一直保證

30、優(yōu)化的功耗水平0其中32位的STM32L微控制器系列基于Cortex-M3內(nèi)核，從功能、性能、封裝 管腳數(shù)目和存儲器容量等方面極大豐富了超低功耗產(chǎn)品線。STM32L系列有超低功耗和高性能于一身,STM32L系列不僅使用了意法半導(dǎo)體的超低漏電流制造工藝, 而且優(yōu)化了整體架構(gòu)。于2009年底ST宣布STM32L超低消耗微控制器正式投入市場，為了能夠最大限 度降低了各種工作模式的功能消耗使用現(xiàn)在最為先進的EnergyLite?技術(shù)。超低功耗微控制器能夠適用當前飛速提高的功能消耗需要，滿足設(shè)計人員對更長時間的電池功能產(chǎn)品的使用壽命，以及放低家用電器和智能電表等功能的消 耗。市場上大部分的低耗技術(shù)大多是

31、關(guān)閉無用元件電源和休眠模式，STM32L的EnergyLite?技術(shù)不僅如此還能夠在工作模式下節(jié)約能源，從而幫助設(shè)計者達到各 種能效目標，能夠更容易的達到國際高能效電源推廣計劃以及各種待機能耗限制。除最為突出的與制程有關(guān)的節(jié)能特色外，STM32L系列還提供更多其它的功能，開發(fā)人員能夠優(yōu)化應(yīng)用設(shè)計的功耗特性。通過六個超低功耗模式，STM32L系列產(chǎn)品能夠在任何設(shè)定時間以最低的功耗完成任務(wù)。意法半導(dǎo)體單片機部市場經(jīng) 理張軍輝說，STM32L為客戶提供6種模式：10.4仙4氐功耗運彳T模式、6.1仙低功 耗睡眠模式（一個計時器工作）、1.3 pA亭機模式（RTC運行，保留RAM內(nèi)容、 0.5仙A停機

32、模式（無RTC運行，保留RAM內(nèi)容）、1.0仙轉(zhuǎn)機模式（RTC運行， 保存后備寄存器）?？蛻艨梢愿鶕?jù)自己的算法和應(yīng)用需要在不同模式之間切換， 達到一個低功耗的狀態(tài)。STM32L系列新增低功耗運行和低功耗睡眠兩個低功耗模 式，通過利用超低功耗的穩(wěn)壓器和振蕩器，微控制器可大幅度降低在低頻下的工 作功耗。穩(wěn)壓器不依賴電源電壓即可滿足電流要求。STM32L還提供動態(tài)電壓升降功能，這是一項成功應(yīng)用多年的節(jié)能技術(shù)，可進一步降低芯片在中低頻下運行時 的內(nèi)部工作電壓STM32L性能1 .ARM Cortex-M3 32MHz 處理器2 .內(nèi)置64128K字節(jié)閃存，16K字節(jié)RAM和最多4K字節(jié)EEPROM3

33、.2個子系列：子系列間管腳、軟件和外設(shè)兼容4 .與STM32F系列在引腳分布上兼容5 .供電電壓：帶低電壓檢測時為1.8V3.6V,不帶低電壓檢測時為1.65V3.6V6 .超低能耗：低至185 pA/DMIPS7 .6種超低功耗模式：功耗最低可達270 nA8 .超低功耗動態(tài)模式：低功耗運行時功耗低至 10.4必A低功耗睡眠且有1個定時器 運行時功耗低至6.1以卜9 .運行模式，代碼從FLASH執(zhí)行加動態(tài)電壓調(diào)節(jié)，經(jīng)濟功耗低達 230 A/MHz 10.工作溫度范圍-40 C至+85C11.豐富的高端模擬、數(shù)字外設(shè)STM32L超低功耗性能1 .低耗運行模式：CPU仍然處于運行狀態(tài)。CPU由低

34、速振蕩器驅(qū)動（RTC或內(nèi)部振 蕩器），執(zhí)行RAM中的代碼。功耗的典型值為10.4小兒2 .低耗睡眠模式：允許RTC和其他的一些外設(shè)（例如定時器）保持運行狀態(tài)，CPU 停止運行。當只有一個定時器保持運行時，功耗電流的典型值為 6.1 在此模式下，F(xiàn)lashf塊關(guān)閉，CPU停止運行，調(diào)壓器處于超低功耗狀態(tài)下，RTC和一些外設(shè)可以保持運行狀態(tài)3 .停止模式：CPU、主時鐘和外設(shè)都停止運行。RTC可以保持運行或停止狀態(tài)（取 決于2種不同的停止模式）?？梢酝ㄟ^外設(shè)的中斷來喚醒。維持SRAM和備份寄存器 的內(nèi)容。4 .待機模式：CPU、主時鐘和外設(shè)都停止運行。RTC可以保持運行或停止狀態(tài)（取 決于2種不同

35、的待機模式）。只維持備份寄存器的內(nèi)容。需要通過喚醒引腳來喚醒。整個采集記錄模塊主要分為3個部分：主控單元、電源單元和接口單元。2.2.1 主控單元主控單元主要是STM32L151單片機的最小系統(tǒng)，完成對脈搏模擬信號的采集 量化，并將脈搏數(shù)據(jù)儲存在 SD卡中。GNDR4 MHigndVDOI HjND-pAtl-WKUPlpenPAIpiiiiM3iPRX inPAiP133JTDOPMPR*.rNTR$TPA?F陽PAAPJSftPA?PH1PASPBHPIJH1PAIOPVIOiPAI 1PflllPAI 2懵INPAIMIMSWDIQmuPAi4JTi ICE魯工 LKpirnPfilSU

36、NI JMXlK iJ-WKUfJU&L OVTTDIPt N-CKiC32 INPCJ5-OSt32_aUTTIOOTCNRSTVLCPVDD 1VSS 1VDD 2VS_2VDD_3VSSJvnriAVSSAU7miIESIBOOT I PSJ 4IK.JRJTlWjTJIkndrr 3圖2.8主控單元示意圖2.2.2 電源單元電源單元主要完成兩個功能：第一,使用 TP4057實現(xiàn)外部5v電壓對鋰電池 的充電保護電路；第二，使用低壓差LDO芯片SP6201實現(xiàn)對整個系統(tǒng)穩(wěn)壓供電。I ?IIHGVCC57nI lNdnr 2Title圖2.9鋰電池充電和保護電路(1)鋰電池保護電路近年來，P

37、DA、數(shù)字相機、手機、可攜式音訊設(shè)備和藍芽設(shè)備等越來越多的產(chǎn) 品采用鋰電池作為主要電源。鋰電池具有體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循 環(huán)壽 命高、高電壓電池和自放電率低等優(yōu)點，與鍥鎘、鍥氫電池不太一樣，鋰電 池必須考慮充電、放電時的安全性，以防止特性劣化。針對鋰電池的過充、過度 放電、過 電流及短路保護很重要，所以通常都會在電池包內(nèi)設(shè)計保護線路用以保 護鋰電池。由于鋰離子電池能量密度高，因此難以確保電池的安全性。在過度充 電狀態(tài)下，電池溫度上升后能量將過剩，于是電解液分解而產(chǎn)生氣體，因內(nèi)壓上 升而產(chǎn)生自燃或 破裂的危險；反之，在過度放電狀態(tài)下，電解液因分解導(dǎo)致電池 特性及耐久性劣化，因而降低可

38、充電次數(shù)。鋰離子電池的保護電路就是要確保這 樣的過度充電及放電狀態(tài)時的安全性，并防止特性劣化。鋰離子電池的保護電路 是由保護IC及兩顆功率MOSFET所構(gòu)成，其中保護IC監(jiān)視電池電壓，當有過度 充電及放電狀態(tài)時切換到以外掛的功率 MOSFET來保護電池，保護IC的功能有 過度充電保護、過度放電保護和過電流/短路保護。一、過度放電保護在過度放電的情況下，電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化， 并造成充電次數(shù)的降低。采用鋰電池保護 IC可以避免過度放電現(xiàn)象產(chǎn)生，實現(xiàn)電 池保護功能。過度放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài)，假設(shè)鋰電 池接上負載，當鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測點（假定為2.3

39、V）時將激活過度放電保護，使功率 MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?，以避免電池過度放 電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式，此時的電流僅 0.1 當鋰 電池接上充電器，且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時，過度放電保護功能方 可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過放電檢測電路設(shè)有延遲時間以避免產(chǎn)生誤動作。二、過度充電保護過度充電保護IC的原理為：當外部充電器對鋰電池充電時， 為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時，保護IC需檢測電池電壓，當?shù)竭_4.25V時（假設(shè)電池過充點為4.25V）即激活過度充電保護，將 功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，進而截止充電。三、過電流及短

40、路電流因為不明原因（放電時或正負極遭金屬物誤觸）造成過 電流或短路，為確保安全，必須使其立即停止放電。過電流保護IC原理為，當放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時，保護 IC將激活過（短路）電流保護，此時過電流 的檢測是將功率MOSFET的Rds（on）當成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形， 如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電，運算公式為：V- = I Rds（on） x2 （V-為過電流檢測電壓，I為放電電流）四、鋰電池保護IC的新功能除了上述的鋰電池保護IC功能之外，下面這些新 的功能同樣值得關(guān)注：1.充電時的過電流保護。當連接充電器進行充電時突然產(chǎn)生 過電流（如充電器損壞），電路立即進行過

41、電流檢測，此時 Cout將由高轉(zhuǎn)為低， 功率MOSFET由開轉(zhuǎn)為切斷，實現(xiàn)保護功能。V- = I Rds（on）去（I是充電電流； Vdet4,過電流檢測電壓，Vdet4為-0.1V） 2.過度充電時的鎖定模式通常保護IC 在過度充電保護時將經(jīng)過一段延遲時間，然后就會將功率MOSFET切斷以達到保護的目的，當鋰電池電壓一直下降到解除點（過度充電滯后電壓）時就會恢復(fù)， 此時又會繼續(xù)充電一保護一放電一充電一放電。這種狀態(tài)的安全性問題將無法獲 得有效解決，鋰電池將一直重復(fù)著充電一放電一充電一放電的動作，功率MOSFET 的柵極將反復(fù)地處于高低電壓交替狀態(tài)，這樣可能會使MOSFET變熱，還會降低電池壽

42、命，因此鎖定模式很重要。假如鋰電保護電路在檢測到過度充電保護時有鎖定模式，MOSFET將不會變熱，且安全性相對提高很多。在過度充電保護之后， 只要充電器連接在電池包上，此時將進入過充鎖定模式。此時，即使鋰電池電壓下降也不會產(chǎn)生再充電的情形，將充電器移除并連接負載即可恢復(fù)充放電的狀態(tài)。3.減少保護電路組件尺寸將過度充電和短路保護用的延遲電容器整合在到保護 IC里面，以減少保護電路組件尺寸。五、對保護IC性能的要求。1.過度充電保護的高精密度化當鋰離子電池有過 度充電狀態(tài)時，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，須截止充電狀態(tài)。保護 IC 將檢測電池電壓，當檢測到過度充電時，則過度充電檢測的功率 MO

43、SFET使之切 斷而截止充電。此時應(yīng)注意的是過度充電的檢測電壓的高精密度化，在電池充電 時，使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問題，同時兼顧到安全性問題，因此需要在達到容許電壓時截止充電狀態(tài)。要同時符合這兩個條件，必須有高精 密度的檢測器，目前檢測器的精密度為 25mV,該精密度將有待于 進一步提高。 2.降低保護IC的耗電 隨著使用時間的增加，已充過電的鋰離子電池電壓會逐漸 降低，最后低到規(guī)格標準值以下，此時就需要再度充電。若未充電而繼續(xù)使用， 可能造成由于過度放電而使 電池不能繼續(xù)使用。為防止過度放電，保護 IC必須 檢測電池電壓，一旦達到過度放電檢測電壓以下，就得使放電一方的功率MO

44、SFET 切斷而截止放電。但此時 電池本身仍有自然放電及保護IC的消耗電流存在，因 此需要使保護IC消耗的電流降到最低程度。3.過電流/短路保護需有低檢測電壓 及高精密度的要求。因不明原因?qū)е露搪窌r必須立即停止放電。過電流的檢測是 以功率MOSFET的Rds(on)為感應(yīng)阻抗，以監(jiān)視其電壓的下降，止匕-時的電壓若比 過電流檢測電壓還高時即停止放電。為了使功率 MOSFET的Rds(onXE充電電流 與放電電流時有效應(yīng)用，需使該阻抗值盡量低，目前該阻抗約為20mQ30mQ,這 樣過電流檢測電壓就可較低。4.耐高電壓。電池包與充電器連接時瞬間會有高壓產(chǎn) 生，因此保護IC應(yīng)滿足耐高壓的要求。5.低電

45、池功耗。在保護狀態(tài)時，其靜態(tài)耗 電流必須要小0.1 nA 6.零伏可充電 有些電池在存放的過程中可能因為放太久或 不正常的原因?qū)е码妷旱偷?0V,故保護IC需要在0V時也可以實現(xiàn)充電RI4 vw-470KU5圖2.10電源穩(wěn)壓電路（2）電源穩(wěn)壓電路微功耗，100mA 和 200mA CMOS LDO 調(diào)節(jié)器6201小型DFN封裝（2mrK 3mm）低壓差：160mV 100mA高輸出電壓精確度：2%極低的關(guān)斷電流：最大為1uA極低的GND電流：200uA 200mA負載、28uA 100uA負載極好的負載和線性調(diào)節(jié)電流和發(fā)熱限制復(fù)位輸出（VOUT良好）邏輯控制的電子使能1uF的陶瓷電容可保持器

46、件無條件穩(wěn)定工作固定的輸出：5V, 1.8V, 2.5V, 2.7V, 2.85V, 3.0V, 3.3V, 3.5V, 5V輸出電壓可調(diào)節(jié)應(yīng)用移動電話筆記本/掌上電腦電池供電的設(shè)備消費者/個人電子產(chǎn)品SMPS后置調(diào)節(jié)器DC-to-DC 模塊醫(yī)療器材數(shù)據(jù)電纜 尋呼機SP6201是CMOS LDO器件，適用于要求高精度、快速操作和方便使用的應(yīng)用。它們提 供極低的靜態(tài)電流，靜態(tài)電流只有在帶負載的情況下才會稍微有所上升，這為雙極型LDO的地電流操作提供了便利。SP6200和SP6201 LDO器件可處理極寬的負載范圍，在 1uF的輸出陶瓷電容下仍可穩(wěn)定工作。它們有極好的低頻PSRR,這是其它CMOS

47、 LDO不具備的，可對產(chǎn)生的異常進行線性調(diào)整。高頻PSRR比高達400KHz的40dB更好。SP6200和SP6201良好的負載調(diào)節(jié)特性和溫度的穩(wěn)定性可與雙極性LDO相媲美。所有的版本都提供使能的特性。SP6200和SP6201有輸出電壓固定和輸出電壓可調(diào)兩種版本，含有小型 DFN和小型SOT-23-5的封裝。所有輸出電壓固定的版本都提供一個VOUT良好指示器。絕對最大額定值下面列出的是器件正常工作的額定值，并未涉及器件在這些條件或超出這些條件下的功 能操作。器件不能長時間工作在絕對最大額定值條件下，否則會影響其可靠性。電源輸入電壓 （VIN） -27V-0.6 （VIN+1V）輸出電壓（VO

48、UT ）使能輸入電壓（VEN） -27V內(nèi)部限定功耗（PD）引腳溫度（焊接，5s） .260C存儲溫度范圍 -65C-+150C 工作額定值輸入電壓（VIN） .+2.5V+6V使能輸入電壓（VEN） 0V+6V接點溫度（TJ） 40 C+125 C熱電阻：SOT-23-5 （ 0 JA C/W08 腳 DFN （ 0 JA C/W0SP6201是CMOS LDO器件，適用于要求高精度、快速操作和方便使用的應(yīng)用。它們提 供極低的靜態(tài)電流，靜態(tài)電流只有在帶負載的情況下才會稍微有所上升，這為雙極型LDO的地電流操作提供了便利。SP6200和SP6201 LDO器件可處理極寬的負載范圍，在 1uF的

49、輸出陶瓷電容下仍可穩(wěn)定工作。它們有極好的低頻PSRR,這是其它CMOS LDO不具備的，可對產(chǎn)生的異常進行線性調(diào)整。高頻PSRR比高達400KHz的40dB更好。SP6200和SP6201良好的負載調(diào)節(jié)特性和溫度的穩(wěn)定性可與雙極性LDO相媲美。因此，在所有 DC和AC條件下整個系統(tǒng)的精度都可保持。所有版本的器件都提供使能的特性。輸出電壓固定的器件都提供一個VOUT良好指示器（RSN管腳）。還有一種輸出電壓可調(diào)的器件版本，內(nèi)部提供電流限制和過熱保護，并可進行良好的控制。 結(jié)構(gòu)SP6200和SP6201的唯一區(qū)別是兩者的限流閾值不同。SP6200的電流限制在140mA以內(nèi)，而SP6201的電流限制

50、在 420mA以內(nèi)。SP6201可提供300mA的脈沖負載電流。LDO有一個 2級放大器，可處理極寬的負載范圍（ 10uA300mA）,并保證器件可在 1uF的陶瓷負載電容 下穩(wěn)定工作。LDO放大器的增益恰到好處，具有其它CMOS LDO器件不具備的良好 PSRR性能。放大器可保證在上電或通過EN管腳使能時不產(chǎn)生過沖。放大器還包含一個有效的下拉，使負載快速移走時輸出電壓的瞬時變化最??；這樣，當負載瞬時變化時輸出偏差的變化將很 小，與負載連接和斷開的情況非常匹配。2.7V和更高電壓的固定輸出版本 LDO器件有一個精確的1.250V的帶隙基準直接連接到 輸出。這就增強了低頻和高頻PSRR。可調(diào)版本

51、LDO器件也有帶隙基準，直接連接到輸出，從而得出最低外部可編程輸出電壓為2.7V。2.5V的固定輸出版本器件的帶隙總是連接到VIN管腳。與許多LDO不同的是，帶隙基準不能用于應(yīng)用的濾波。這種變化很難保持在高頻時的 良好PSRR （由于開關(guān)噪聲作用于管腳，使得系統(tǒng)的PSRR降低）。而且，通常旁路電容或其它元件的泄漏會造成高阻抗帶隙節(jié)電出錯。因此，這種變化已被使用方便”的想法改進。2.2.3接口單元接口單元主要有三個部分：第一，USB接口實現(xiàn)對鋰電池的充電和與主控芯片的通信；第二，音頻接口實現(xiàn)與脈搏傳感器的連接；第三，SD卡接口實現(xiàn)主控芯片對 micro SD卡的讀取。CI2U6 Tols ORI

52、QOpFroiVbusGND10217SBLC6MH IX1H2.R71.5KX1H4.vccD-D+NCGNDvccTQ2X/67503-1020R18 I viPNPRI9,VWC13iHJnF10KGND 圖2.11 USB接口電路USB接口是一種可以熱插拔的通信接口，方便隨時使用，但是在插拔過程中 容易產(chǎn)生電路上的瞬間沖擊，從而損壞單片機的USB接口。因為在USB接口上加 入了 USBLC6芯片可以有效保護USB接口電路的安全性。同時利用一個三極管來 控制USB接口電路的使能，可以有效控制系統(tǒng)的功耗。IIO 1luFC3 ?FlOOnF圖2.12傳感器接口電路傳感器接口使用的是普通音頻

53、插口。由于脈搏傳感器輸出的是低壓模擬信號 同時使用在人體需要一定的長度，所以為了保證信號盡量少受干擾，采用了帶有 屏蔽的音頻線來傳輸脈搏信號。止匕外，在接口的輸出端加入了一階低通濾波器來 去除混入的高頻噪聲。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圖2.13 SD卡接口電路

54、本系統(tǒng)采用SPI接口來完成對SD卡的操作。同時在SD卡的電源端加入了一 個三極管來控制SD卡的上電控制，最大限度實現(xiàn)系統(tǒng)的能耗控制。2.3處理顯示模塊使用C#S言搭建了上位機顯示模塊，可以將 SD卡中存儲的波形文件讀入計 算機并顯示波形，同時利用現(xiàn)有算法文件直接對脈搏波形計算心率。下位機顯示 界面如下圖所示，其具有局部放大和縮小的功能。圖2.14下位機顯示界面3系統(tǒng)軟件設(shè)計3系統(tǒng)軟件設(shè)計為了降低整體功耗，主控芯片 STM32L151采用定時喚醒工作方式。每 2ms 喚醒一次，采集AD數(shù)據(jù)，采樣率為500HZ。系統(tǒng)每采集512個AD數(shù)值后，將 其一次性存入SD卡的一個block中。由于波形文件要

55、由上位機或其他軟件讀取， 為了增強兼容性和穩(wěn)定性，采用了適用于嵌入式系統(tǒng)的文件系統(tǒng)-FATFS。FatFS是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的通用 FAT（File Allocation Table）文件系 統(tǒng)模塊。FatFs的編寫遵循ANSI C,并且完全與磁盤I/O層分開。因此，它獨立于 硬件架構(gòu)。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。FatF4一個通用的文件系統(tǒng)模塊，用于在小型 嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)。FatFs的編寫遵循ANSI C ,因此不依賴于硬件 平臺。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:文件系統(tǒng)為標準的還是微型的，默認為標準的 （0）;_FS_READONLY :文件系統(tǒng)是否為只讀，默認為可讀寫（0）,若只讀則f_write、 f_sync、 f_unlink、f_mkdir、f_chmod、f_rename f_truncate和f_getfree不可用；_FS_MINIMIZE :裁剪文件系統(tǒng)的功能，默認為全部功能（0）,若為1、2則會 移除大部分鏈接、目錄等功能；_USE_STRFUNC:是否允許字符串操作，默認為不允許（0）,這個看個人需求， 一般情況下設(shè)置為1即可，如果工作在windows下，為保證文件兼容性（如換行符n 和回車符建議將此項設(shè)置為2;_USE_MKFS:是否允許使用f_mkfs函數(shù)，默認為0,用于創(chuàng)建文件夾，建議 開啟；_USE_FORWARD :用于允許f_forward函數(shù)，只有開啟tiny文件系統(tǒng)時才用到， 該函數(shù)用于將讀寫的數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)