基于DSP的脉象采集系统
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摘要：该文设计出一种高速采样、处理，友好界面实时显示的脉象采集系统。该系统以聚偏氟乙烯（PVDF）作为传感器，作为一种柔性材料它能与皮肤紧密贴合。调理电路采用多级设计。依托TI公司TMS320F2808系列高速处理器进行采样与处理，并辅助连接与个人电脑，实时直观的显示信息。该系统具有速度快、精度高、界面友好等特点，同时系统化的保存了采集数据，基于VC++的顶层界面也为Matlab处理留有接口，可以对数据进一步处理分析。
关键词：脉象信号；PVDF传感器；dsp接口；VC++编程；Teechart控件
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)21-5138-03
Pulse Signal Collection System Based on DSP
CAI Xiao1, KANG Shuang-shuang2
(1.Department of Control Science and Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China; 2.Faculty of Information Engineering，China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)
Abstract: The pulse signal collection system which can sample at high speed and be easy to use in personal computer. The system uses the integrated Polyvinylidene fluoride piezoelectric pulse sensor to pick up the pulse signal and transfer into electric signal. Through the 3-operation-amplifer circuit, the weak pulse signal transfer into strong signal to be sampled by the ADC on microcomputer TMS320F2808 DSP. DSP also processes the pulse signal and send to PC through serial communication interface of single-chip. PC shows the data and the serials at the same time. Also, the system can record, save the data easily.
Key words: pulse signal; olyvinylidene fluoride piezoelectric pulse sensor; DSP programing; VC++; Teechart
脉诊是中医学理论中诊断的基本方法，作为中医四诊的精髓，自中医学理论发展至今已有2600年的历史。但是脉诊一直以来都是作为一种经验医学，诊断过程只有抽象的语言描述，缺乏客观定量的理论说明，同时受医生的主观因素，外界环境，加之脉象本身的复杂性，使得脉诊的推广长期以来受到很大限制。但是随着今年来微处理器、材料科学的长足发展，利用现代科技水平定量描绘脉象信息已经变成了可能[1-3]。本文面向中医诊断过程中所遇到的问题，对数据采集进行了基于DSP的脉象采集系统设计。通过现代IC技术简化了脉象采集，具有客观性、快速性，同时可以方便的对脉象进行进一步的数据挖掘和建模识别。
1 系统总体设计
本文利用新型压电材料聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜将脉搏反馈力作用转换为电信号，换能器PVDF转换得到是微弱电信号。信号调理电路包括电荷放大、电压放大、滤波电路，微弱信号经过多级放大器转换为0-3V的电压信号。将电压信号送入高速运算DSP处理器采样处理，获得脉象的数字信号。随着个人电脑的普及应用，DSP内部的SCI串口模块把数据实时上传给上位机电脑。编写基于Windows系统的人机界面，可以让被测者与诊断者实时的获取脉象数据。对于获取的数字信号还可以做进一步的数据处理[4]。如图1构成了脉象仪的基本框架。
系统设计主要问题：一是传感器的选择与固定；二是调理电路设计，三是软件流程与显示控制。
2 系统硬件设计
2.1 传感器及固定装置
传感器是信号采集的源头，鉴于脉象信息是一种微弱、非平稳周期信号。这里选择了合肥华科电子研究所HK2000系列PVDF传感器。选择PVDF薄膜作为传感器主要是由于：
1）压电常数高，应变响应灵敏；
2）质地柔韧，易于制备，与人体组织贴合紧密；
3）阻尼小，机械品质好，频响范围宽；
基于上述特点选择PVDF作为换能器，确保了能与人体皮肤完美贴合，并且不失真的采集到脉象信号。
脉象信号微弱，容易受到外界信号噪声的干扰，人体呼吸与晃动都会对信号造成干扰。这里对于传感器的固定借鉴了血压计测量方式。采用类似于血压计袖带的可充气腕带，在手腕部对传感器进行包裹。同时该腕带具有血压计袖带充气囊，所以可通过充放气按需要调节传感器与皮肤的贴压程度。在起到了固定作用的同时也遵循了脉诊过程中取脉力不同的测量方式。当气压较小时，相当于浮取；气压增加后为中取；气压更大即为沉取。对于不同的取脉方式获得不同的脉象波形，能够充分反映脉象特点[5-7]。
2.2 信号调理电路
PVDF薄膜在受压形变时，薄膜两级会产生等量电荷，大小相等、极性相反。这种微弱的电信号可以等效成电荷源或是电压源。考虑到对弱电荷放大引入的干扰较小，将其视为一个电容性的静电荷发生器。
由于PVDF传感器具有很高的输出阻抗，第一级放大应该具有同样的高输入阻抗与之匹配。故第一级电荷放大选择由OP37集成运放与Rf和Cf构成的反馈放大电路，它具有高输入阻抗，低输出阻抗，放大增益高，频响好的特点。经试验验证，较小的Cf可以提高放大倍数和薄膜传感器的灵敏度，但是会引入高频噪声。较大的Cf可以保证信号不失真但是会损失放大增益，这里通过实验选择了10uf[8]。
第一级放大主要是为了匹配传感器的输出特性，对电荷的放大倍数设置过高会引起干扰和失真。所以需要引入第二级电压放大。这里仍然选择OP37与反馈电阻构成的电压反馈放大电路。
由于脉象信号是低频信号，其能量集中在30Hz以内，通过两级放大之后会不可避免的引入高频噪声，通过由Ri与Ci构成的低通滤波电路可以在硬件上简单有效的滤除高频噪声，为后期的信号处理提供方便。如图2为信号调理电路。
为了获得稳定的放大效果，选择了正负电源供电的OP37集成运发。对于轻量便携式脉象采集设备选择了ICL7662产生负电源。通过外接10uf钽电容可以产生负电压，三段稳压管保证了电压的稳定性。如图3为负电压变换电路。
2.3 基于TI公司TMS320F2808开发板
采集芯片选择了由TI公司设计开发的一套开发板。它搭载了TMS320F2808系列的DSP处理芯片，5V_AC电源供电；2路串行通用接口；2路CANBUS总线；USB端的JTAG调试接口；板载20MHz晶振发生器。
2808系列DSP运算速度可达100MIPS，6路独立PWM事件控制单元，8路12位ADC转换速率可达12.5MSPS，可以满足脉象数据的实时高速采集和处理。
本文利用DSP通用开发板对调理电路处理之后的脉象信号进行高速采集和软件滤波处理，并完成与上位机的通讯、控制功能。2808DSP集成有ADC模块可以转换0-3V的模拟电压信号为12位数字信号。通过配置PWM事件发生器模块可以控制激发ADC的采样频率，同时PWM也可以控制SCI通信收发频率。在PWM中断程序中完成控制指令。如图4为DSP开发板系统框架图。
3 系统软件设计
3.1 DSP下位机高速采集处理程序设计
运用TI公司2808DSP开发板可以方便的对经过调理过的传感器信号进行采样、数据处理和数据发送。为了充分发挥DSP高速运算的特性，本文在ADC模块配置上在保证复杂滤波运算的情况下大幅提高采样频率[9]，使得信号信息更为完整，这是一般单片机所无法达到的。同时其内部的SCI模块可以实现与上位机PC机的串行通信。
在该系列DSP芯片中配置其内部PWM发生器。每一个PWM都可单独当作一个定时器，按照给定的计数周期产生相应的中断源。利用PWM产生两类控制信号：一类是PWM中断，一类是ADC采样触发信号。在PWM中断内完成串行通信的收发；同时PWM也可以触发ADC模块，在每次采样结束后进入ADC中断完成数据处理，将采样值保存至发送序列等待发送。如图5、图6所示流程框图。
外设PWM产生独立的事件触发。PWM中断事件内处理与上位机通信事件；ADC触发事件处理采样事件。因此ADC采样事件和数据通信事件是相互独立的存在于两个中断之中。为了数据处理运算的方便，可以将ADC采样事件的频率设置为10kHz，将通信事件频率设置为500Hz。当进入通信事件中可对已采集的20组数据进行滑动平均值法滤波，从而降低了偶然误差引起的扰动。
外设ADC设置为单通道触发采样，精度为12位，测量范围为0-3V，可以满足脉象信号奇异值的分辨率。外设SCI设置为串行通信采样RS232异步通信方式，波特率为38400。接收数据保存在接收序列，发送数据保存在发送序列。发送数据每组为6个字节。依据数据通信协约定，前两字节为数据编号；中间两字节为数据幅值；最后两字节为结束校验位。
3.2 PC上位机设计
上位机一般为用户PC电脑，考虑到常用windows系统，因此采用了VC++在微软VisualStudio2010环境下开发的基于MFC的窗口程序，通过该程序实现实时人机交互。在VS平台下开发有诸多优点：首先，平台兼容性好，在所有windows系统的电脑上可直接免安装运行；其次，可视化开发直观方便；再次，集成了微软多种控件，方便的实现了应用功能。
该窗口主要功能为：与下位机通信，数据发送与提取识别；数据采集控制；数据的实时显示；数据建库保存。本文利用MSComm32控件来完成串口通信。MSComm32是通过事件驱动通信，这是一种功能很强的处理串动的方法。当检测到数据缓冲区改变时使用MSComm32控件的OnComm事件捕获和处理这些通信事件。TeeChartV8控件则可以绘制和保存图表。该控件同样支持可视化，可以在视图界面设置坐标轴的类型、标度，也可以绘制平面图、立体图。通过该控件的Chart. Series(0). AddXY (x, y, color)方法可以绘制数据点，并且可以通过鼠标轻松拖拽、放大。该控件中的其他实体类还可以完成数据点的获取、保存。保存的格式可以是EXCEL、TXT或者为图片格式。如图7为数据采集窗口视图。
使用过程：通过“端口”、“比特率”可以设置串口信息，通过“打开串口”按钮确认串口配置。在“姓名”、“ID”可以输入被测者信息，作为保存数据的依据。“起始点”、“终止点”用来划归保存的数据范围。“当前点”为鼠标所指坐标。
在打开串口前提下，点击“开始”按钮开始绘制数据。点击“暂停”按钮停止绘制。点击“清空数据”将清空图表和缓冲区数据。并且在点击上述三个按钮是将同时会对下位机发送相关信号，使下位机完成相应功能。点击“保存数据”，将会以姓名和ID为名建立数据的TXT文档。在“图标编辑”中也可以对数据图表做更进一步的处理，包括导入导出，格式转换、数据查看等。
4 结论
该系统主要完成了信号换能、调理，数据采集，人机交互显示的功能。采用DSP作为下位机处理芯片具有高速，稳定的优点。随着生产工艺的提高在价格相差不大的情况下DSP高速运算的优势可以弥补单片机性能的劣势。并且为更为复杂的处理运算提供了可能。人机界面采用了VS平台下MFC框架开发兼容性好，MSComm和TeeChart控件的应用也简化了编程，丰富了功能并且提高了系统的稳定性。通过该系统采集到的数据信息可以为进一步的数据处理，脉象识别等提供可靠的数据来源。
参考文献：
[1] 燕海霞,王忆勤,李福凤.中医脉象传感器的研究进展[J].上海中医药大学学报,2005(1):62-64.
[2] 李景唐.中医脉象的客观描述和检测[J].中国医疗器械杂志,2001(6):318-323.
[3] 刘峰.中医脉象描述特点及全方位脉象仪器检测研究[D].北京:北京中医药大学,2007.
[4] 陈晓.基于压电传感器和个人计算机构成的脉搏信号实时监测系统[J].中国组织工程研究与临床康复,2008(35):6847-6850.
[5] 王国力,赵子婴,白金星.PVDF压电薄膜脉搏传感器的研制[J].传感技术学报,2004(4):688-692.
[6] 孟仁俊.PVDF压电薄膜传感器的研制[J].上海:东华大学,2009.
[7] 朱婧.压电传感器及其在生物医学中的应用研究[J].医疗卫生装备,2006(7):27-29.
[8] 王艳苹.脉图信息采集处理系统[D].济南:山东大学,2006.
[9] 周刚,傅佑麟.DSP数据采集对实时信号处理的影响[J].电测与仪表,2004(11):47-49.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文