CN101036576A - 便携式连续记录脉搏检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种便携式连续记录脉搏检测装置，包括光电式脉搏传感器、前置放大器、滤波模块、A/D采集记录器和电源模块，前置放大器分别与光电式脉搏传感器、滤波模块相连，滤波模块分别与光电式脉搏传感器、A/D采集记录器相连，电源为光电式脉搏传感器、前置放大器、滤波模块、A/D采集记录器供电；该装置及其分析方法可以准确地采集记录人体脉搏波，性能稳定，使用方便，无创无约束，可连续记录，重复使用性好。
Description
技术领域
本发明属于电子医疗器械技术领域，特别涉及一种便携式、可连续记录人体脉搏信号的检测装置。
背景技术
脉搏能够反映人的心脏和血管状态的许多重要信息，脉搏测量可以为血压、血流等其它生理检测提供生理参考信息以及许多有价值的诊断信息，是进行脉搏定量化研究的基础。几十年来，已研制出种类繁多的装置，用以采集或识别脉搏信号，甚至模拟中医切脉的手指功能，如采用压力传感器的腕带式PVDF薄膜脉搏测量传感装置、采用压阻传感器的脉象仪、采用光电式传感器的光电容积式脉搏计、光闸式桡动脉脉搏传感器、采用传声器的脉搏拾取装置和应用超声多普勒检测技术的脉象检测装置等。但现有产品的体积较大，携带不方便，连续工作时间较短，只适合专业人士使用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种便携式、可连续记录人体脉搏信号的检测装置。
本发明所依据的科学原理是光电容积脉搏波描记法，即通过对手指末端透光度的测量，间接检测脉搏信号。利用ATmega64单片机为核心的嵌入式系统，实现长时间采集和脉搏数据记录。其技术方案为：使用时将手指伸入透射式光电脉搏传感器，由传感器测得脉搏信号，经前置放大电路将其电流信号转换为电压信号，通过滤波器模块滤除信号中的干扰，再由A/D转换记录器转换成数字信号存储到指定磁盘或传输到PC机中，实现脉搏波信号的准确记录及分析。
便携式连续记录脉搏检测装置是由光电式脉搏传感器、前置放大器、滤波模块、A/D采集记录器和电源模块组成；前置放大器分别与光电式脉搏传感器、滤波模块相连，滤波模块分别与光电式脉搏传感器、A/D采集记录器相连，电源为光电式脉搏传感器、前置放大器、滤波模块、A/D采集记录器供电。
所述的光电式脉搏传感器由红色发光二极管，光电二极管，遮光指套组成，红色发光二极管、光电二极管分别放置于遮光指套的夹层内，位置相对，如图2所示，光电二极管输出脉搏信号，接到前置放大器电路中，对其进行放大。
所述的前置放大器如图3所示，是一种对弱电流进行放大以驱动后级电路工作的低噪声前置放大电路，由集成运算放大器A1、A2，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、Cp、C2组成，其中电阻R1、电容C1的一个公共端与集成运算放大器A1的同相输入端、传感器的一个输出端相联，另一公共端与电阻R4、集成运算放大器A2的输出端相连；电阻R2、电容Cp的一个公共端与集成运算放大器A1的反相输入端相连；电阻R2、电容Cp的另一个公共端与传感器另一输出端、集成运算放大器A2的同相输入端相联并接地；集成运算放大器A1的输出端经电阻R3与集成运算放大器A2的反相输入端、电容C2相连；电容C2的另一端与电阻R4相连。前置放大器的外反馈为工作于短路方式下的基本放大电路，可使检测器对输入的光功率具有较高的分辨率和较大的测量范围，并能减小电路噪声。其电压输出近似为V0＝-R1IL，即被放大的信号只与光强成正比。前置放大器在基本反馈电路基础上附加的内反馈电路，可用R2、R4、C2控制A2增益响应特性。合理地设置R4/R3的比值可以减小噪声带宽。R2用以补偿因R1过大所造成的直流误差，R2上的并联电容Cp用以去除它上面的杂散噪声。外反馈电阻上并联的电容C1为消振电容，以减小噪声带宽。
所述的滤波模块如图4所示，由集成运算放大器A4、A5，电阻R9、R10、R11、R12、R13，电容C5、C6、C7组成的T型陷波器和由集成运算放大器A3，电阻R5、R6、R7、R8，电容C3、C4组成的典型的二阶压控型低通滤波器两部分组成。前置放大器的输出端通过电阻R7、R8连接到集成运算放大器A3的正向输入端，电阻R5分别连接于电源地与A3的反向输入端，C4分别连接于电源地与A3的正向输入端，R6分别连接于A3的反向输入端及输出端，C3分别连接于A3的输出端及R7、R8之间；A3的输出端通过R10、R11与C5、C6的并联电路与A4的反向输入端相连，A4、A5的输出端与其反向输入端短接，A5的正向输入端通过R13与电源地连接，A5的输出端通过C7连接与R7、R8中间，通过R11连接与C5、C6中间，R12分别与A4的输出端、A5的正向输入端相连，A4的输出端作为滤波模块的输出。
所述的电源模块采用24V直流供电，电源模块通过DC24V转DC±12V模块、DC24V转DC+5V模块获得所需要的±12V，+5V三种电压，整个装置功率小于3W。采用两种外部供电模式，一种方式是采用AC220V转24V变压整流稳压模块；另一种是采用三块9V充电镍电池，该充电电池组可维持装置正常工作3小时以上。采用三端集成稳压器组成的稳压电路以提高电源电压的稳定性，从而提高脉搏记录装置的稳定性、准确性。
所述的A/D采集记录器如图5所示，由ATmega64单片机、PC机、FRAM铁电存储器、可移动磁盘存储器、显示模块、键盘控制模块、时钟模块组成；如图5(a)所示，ATmega64单片机的管脚3、2分别与U2的11、12脚相连，U2的脚13、14分别与232插口的3、2孔相连，232插口通过232数据线与PC机相连；ATmega64的脚26、25分别与U6、U7、U8、U9、的5、6脚、U4的17、22脚相连，如图5(e)所示；U6、U7、U8、U9的7脚分别与U10的15、14、13、12相连；ATmega64单片机的脚10、11、12、13、14分别与键盘接口的脚1、3、5、7、9相连，D7的输入端与ATmega64单片机的脚9相连，键盘接口与键盘相连，按如图5(b)所示；ATmega64单片机的脚34、33分别与74ALS00的脚1、2相连，74ALS00的脚3与液晶显示屏接口插座J3的8针相连，ATmega64单片机的脚51、50、49、48、47、46、45、44、35、36、37、38分别与J3的8、9、10、11、12、13、14、15、16、6、7、1、2针相连，J3与液晶显示屏相连，如图5(c)所示；ATmega64单片机的脚27、28、20分别与U5的脚25、26、9相连，U5的脚4、5、7分别与J4的脚2、3、1相连，J4通过USB数据线与本地磁盘存储相连，如图5(d)所示；ATmega64单片机的脚61、60、59、58、57、56、55、54分别与接口插座ADCON的1、3、5、7、9、11、13、15针相连，滤波模块的输出与接口插座ADCON相连，如图5(f)所示；A/D采集记录器选用ATmega64单片机为主控制器，实现采集、存储、通讯、显示功能，采用其内部集成的逐次逼近型10位A/D转换器完成脉搏信号的A/D转换。A/D采集记录器支持三种工作模式，一种为本地记录存储脉搏数据，即通过本地铁电存储、本地磁盘存储两种方式实现，铁电存储器采用标准I2C总线接口的超低功耗铁电非易失性存储器FM24C256，能以高达1MHz的总线速度连续进行读写操作，实现短时间内的脉搏波采集记录；第二种工作模式为采用可移动磁盘实现长时间不间断测量脉搏信号。第三种工作模式是利用单片机内部的串行接收转发器与PC机完成实时的数据传输，与上位机软件相结合可实现实时脉搏信号显示。液晶显示屏用于显示实时时钟芯片控制的时间及脉搏波相关信息，并配合键盘操作实现对所述装置的开关控制。
数据采集按以下步骤进行，如图6(a)所示；
(1)、开始，设定采样频率；
(2)、定时器开始定时，启动A/D转化；
(3)、判断A/D转化是否结束，如果否，返回步骤(3)；
(4)、定时器定时是否结束，如果否，返回步骤(4)；
(5)、将数据保存到缓冲区并发送，返回步骤(2)。
串口数据传输按以下步骤进行，如图6(b)所示。
(1)、关闭中断；
(2)、判断上位机是否响应；如果否，执行步骤(6)；
(3)、发送数据，并进行数据效验，判断发送数据是否完成，如果是，执行步骤(5)；
(4)、重新发送数据，并返回步骤(3)；
(5)、开中断，执行步骤(7)；
(6)、出错处理；
(7)、结束。
液晶显示及键盘控制按以下步骤进行，如图6(c)所示：
(1)、显示屏显示菜单；
(2)、判断是否有键按下，如果否，返回步骤(2)；
(3)、读取键值，单片机状态判断，刷新显示屏，判断是否按下确认键，如果否，返回步骤(2)；
(4)、系统执行相应任务。
本地存储是按以下步骤进行，如图6(d)所示：
(1)、程序开始，初始化CH375，设置USB工作模式；
(2)、判断U盘是否准备好，如果否，返回步骤(2)；
(3)、查询U盘信息，判断目标文件是否存在，如果否，执行步骤(6)；
(4)、查询文件属性，设置文件属性；
(5)、判断以字节为单位向文件读写数据是否完成，如果否，返回步骤(5)；如果是，执行步骤(8)；
(6)、新建文件，设置文件属性；
(7)、判断以字节为单位向文件读写数据是否完成，如果否，返回步骤(7)；
(8)、关闭文件；
(9)、判断U盘是否拔出，如果否，返回步骤(9)；
(10)、结束。
PC机内嵌入的LabVIEW为上位PC机的开发平台，利用LabVIEW的开发环境，实现串口通讯、脉搏信号实时显示存储、脉搏信号预处理、脉搏信号频域分析、脉搏信号特征点提取的功能。
串口模块
PC机内嵌入的LabVIEW为上位PC机的开发平台，使用VISA实现与下位单片机的串口通讯。串口通讯的流程框图如图7(a)所示。LabVIEW的串口通讯VI位于InstrumentI/OPlatte的Serial中，LabVIEW提供了一组(共5个)串行口通信子VI控件来承担对编程的支持，它们依次是：VISA Configure Serial Port；VISA Write；VISA Read；VISA Close。通过对这几个功能模块的配置和连接，就能开发出符合要求的LabVIEW串行口通信软件。首先需要调用VISA Configure Serial Port完成串口参数的设置，包括串口资源分配、波特率、数据位、停止位、校验位和流控等。如果初始化没有问题，就可以使用这个串口进行数据收发。发送数据使用VISA Write，接收数据使用VISA Read。在某些特殊情况下，需要设置串口接收/发送缓冲区的大小，此时可以使用VISA Set I/O Buffer Size，而使用VISA Flush I/O Buffer则可以清空接收与发送缓冲区。在串口使用结束后，使用VISA Close结束与VISA resource name指定的串口之间的会话。
串口通讯模块的工作步骤如图7(b)所示：
(1)、调用VISA Configure Serial Port完成串口通讯的配置，初始化串口，使用VISA Bytesat Serial Port设置串口接收缓冲区大小；
(2)、判断采集数据缓冲区是否写满，如果否，返回步骤(2)；
(3)、读取数据缓冲区数据；判断通信是否停止，如果否，返回步骤(2)；
(4)、结束会话，停止线程，并结束。
脉搏信号实时显示存储模块
脉搏信号实时显示存储模块采用了LabVIEW的数字示波器模块进行显示，对于显示的波形可以独立进行的放大、平移、显示、隐藏、更改颜色和名字等操作，使得任意通道波形间的比较尤其方便快捷。脉搏信号的数据保存程序流程图如图8(a)所示，最前面为Open/Create/Replace File模块，file path参数用于设置保存或打开文件的路径，该模块可以打开、创建、替换文件，这里选择的是create or replace参数，即不存在文件就创建，存在文件就替换该文件；中间的为Write File模块和Format Into String模块，用于将实际压力值转换为字符串写入文件，Num参数是写入数据的序号，process value即为实际压力值；最后为Close File模块，用于关闭文件。
脉搏信号实时显示存储模块的工作步骤如图8(b)所示：
(1)、应用Open/Create/Replace File模块设置保存或打开文件的属性，
(2)、将实际电压的浮点数据流转换成字符串数据流，
(3)、通过Write File模块将字符串数据流写入到一打开的文件中，
(4)、关闭文件，结束。
脉搏信号预处理模块
本系统的脉搏信号预处理模块的LabVIEW程序流程图如图9(a)所示。图形化虚拟仪器编程软件LabVIEW自身功能强大，环境友善，但是，对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应用，如小波分析等，LabVIEW显得有些力不从心。而MATLAB具有很强的工程计算功能。因此，研究LabVIEW与MATLAB之间的混合编程，使它们在功能上互补，减少编程的工作量，提高编程效率，具有实用价值。LabVIEW提供了一种相对容易的方式，即MATLAB Script节点方式，通过这种方式，可以在LabVIEW中使用MATLAB强大的数值运算功能。脉搏信号具有非线性、非平稳并且微弱的特点，所以在实测中易受干扰，本系统基于小波变换的消除基线漂移、工频噪声和肌电噪声的方法，应用LabVIEW和MATLAB对脉搏信号进行消除基线漂移、工频噪声和肌电噪声的预处理。
脉搏信号预处理模块的工作步骤如图9(b)所示：
(1)、读取脉搏数据，
(2)、通过MATLAB Script节点方式进入MATLAb环境，
(3)、基于小波变换的脉搏信号去除高频噪声，具体方法为：将小波分解下的尺度1至尺度3的细节分量进行统一的软阈值去噪处理，可去除工频干扰与肌电干扰等高频噪声。最后将经过阈值量化处理后的尺度1至尺度3的细节分量与未作处理的尺度4至尺度8的细节分量进行小波的重构，便可得到去除基线漂移、工频干扰与肌电干扰噪声后的光滑信号；
(4)、处理后的数据在LabVIEW中的Chart子VI显示；
(5)、结束。
脉搏信号频域分析模块
脉搏信号频域分析模块的流程图如图10(a)所示。脉搏信号频域分析模块是采用数字信号处理频域分析方法分析人体的脉搏波，将时域的脉搏波曲线变换到频域，将一个复杂的、周期性变化的脉波分解成不同频率的谐波，从脉搏波谱中提取与人体生理病理相应的信息。该模块的实现是通过LabVIEW自带的数字信号处理模块来实现。
(1)、读取脉搏数据后，分别执行步骤(2)、步骤(5)；
(2)、FFT变换，形成数组子集；
(3)、Z变换，组成以起始位、采样分辨率、幅值为元素的簇；
(4)、生成幅值谱，执行步骤(7)；
(5)、自功率谱变换，组成以起始位、采样分辨率、功率为元素的簇；
(6)、生成功率谱；
(7)、结束。
脉搏信号特征点提取模块
脉搏信号的特征点提取的实现过程是在对脉搏信号进行小波变换的基础上，根据脉搏信号的频率分布特点，首先重构指定的细节分量信号，采用阈值法在重构信号上确定主波P波波峰点的位置。然后根据P波波峰与其它特征点的位置关系，分别提取切迹V波波谷点、重搏前波T波波峰点、重搏波D波波峰点和脉搏初始点A。由于特性点提取也采用小波变换算法，所以模块的实现也采用脉搏预处理模块的实现方式，即采用LabVIEW和MATLAB混合编程的方式实现。工作步骤如图11所示：
(1)、重构指定的细节分量信号，采用阈值法在重构信号上确定主波P波波峰点的位置；
(2)、根据P波波峰与其它特征点的位置关系，分别提取切迹V波波谷点、重搏前波T波波峰点、重搏波D波波峰点和脉搏初始点A；
(3)、结束。
本发明的有益效果是，可以准确地采集记录人体脉搏波，性能稳定，使用方便，无创无约束，可连续记录，重复使用性好，为脉搏信息的进一步提取提供有利的前提，也为中医脉象的研究提供有效的检测工具。
附图说明
图1是脉搏检测装置结构简图，
图2是透射式光电脉搏传感器，
图3是前置放大电路，
图4是滤波模块，
图5(a)是A/D采集记录器的电路原理图，
(b)是键盘接口的电路原理图，
(c)是液晶显示器接口的电路原理图，
(e)是实时时钟接口的电路原理图，
(f)是A/D转换接口的电路原理图，
图6(a)是数据采集流程图，
(b)是串口数据发送模块流程图，
(c)是液晶显示及键盘控制模块流程图，
(d)是本地存储模块流程图；
图7(a)是用LabVIEW表示的数据流驱动的程序的串口操作数据流图，
(b)、是串口操作数据流图，
图8(a)、是用LabVIEW表示的脉搏信号数据保存程序框图，
(b)、是脉搏信号的数据保存程序框图，
图9(a)、是用LabVIEW表示的脉搏信号预处理程序框图，
(b)是脉搏信号预处理程序框图，
图10(a)、是用LabVIEW表示的脉搏信号频域分析程序框图，
(b)是脉搏信号频域分析程序框图；
图11是脉搏信号特征点提取流程图；
其中1——PIN光电二极管，2——红色发光二极管，3——遮光指套。
具体实施方式
下面结合附图对便携式连续记录脉搏装置作进一步详细描述：
1、光电式脉搏传感器，如图2所示：
光电式脉搏传感器采用指套透射式结构，遮光指套选3用黑色遮光塑料或橡胶材料制成，选用红色发光二极管2作为发光源，选用低噪声PIN光电二极管3作为接收元件，接到前置放大器电路中，对其进行放大。
2、前置放大器，如图3所示：
前置放大器是一种对弱电流进行放大以驱动后级电路工作的低噪声前置放大电路，由集成运算放大器A1、A2，电阻R1、R2、R3、R4，电容C1、Cp、C2组成，其中电阻R1、电容C1的一个公共端与集成运算放大器A1的同相输入端、传感器的一个输出端相联，另一公共端与电阻R4、集成运算放大器A2的输出端相连；电阻R2、电容Cp的一个公共端与集成运算放大器A1的反相输入端相连；电阻R2、电容Cp的另一个公共端与传感器另一输出端、集成运算放大器A2的同相输入端相联并接地；集成运算放大器A1的输出端经电阻R3与集成运算放大器A2的反相输入端、电容C2相连；电容C2的另一端与电阻R4相连。
3、滤波模块，如图4所示：
滤波模块由集成运算放大器A4、A5，电阻R9、R10、R11、R12、R13，电容C5、C6、C7组成的T型陷波器和由集成运算放大器A3，电阻R5、R6、R7、R8，电容C3、C4组成的典型的二阶压控型低通滤波器两部分组成。前置放大器的输出端通过电阻R7、R8连接到集成运算放大器A3的正向输入端，电阻R5分别连接于电源地与A3的反向输入端，C4分别连接于电源地与A3的正向输入端，R6分别连接于A3的反向输入端及输出端，C3分别连接于A3的输出端及R7、R8之间；A3的输出端通过R10、R11与C5、C6的并联电路与A4的反向输入端相连，A4、A5的输出端与其反向输入端短接，A5的正向输入端通过R13与电源地连接，A5的输出端通过C7连接与R7、R8中间，通过R11连接与C5、C6中间，R12分别与A4的输出端、A5的正向输入端相连，A4的输出端作为滤波模块的输出。
4、A/D采集记录器，如图5所示：
所述的A/D采集记录器如图5所示，由ATmega64单片机、PC机、FRAM铁电存储器、可移动磁盘存储器、显示模块、键盘控制模块、时钟模块组成；如图5(a)所示，ATmega64单片机的管脚3、2分别与U2的11、12脚相连，U2的脚13、14分别与232插口的3、2孔相连，232插口通过232数据线与PC机相连；ATmega64的脚26、25分别与U6、U7、U8、U9、的5、6脚、U4的17、22脚相连，如图5(e)所示；U6、U7、U8、U9的7脚分别与U10的15、14、13、12相连；ATmega64单片机的脚10、11、12、13、14分别与键盘接口的脚1、3、5、7、9相连，D7的输入端与ATmega64单片机的脚9相连，键盘接口与键盘相连，如图5(b)所示；ATmega64单片机的脚34、33分别与74ALS00的脚1、2相连，74ALS00的脚3与液晶显示屏接口插座J3的8针相连，ATmega64单片机的脚51、50、49、48、47、46、45、44、35、36、37、38分别与J3的8、9、10、11、12、13、14、15、16、6、7、1、2针相连，J3与液晶显示屏相连，如图5(c)所示；ATmega64单片机的脚27、28、20分别与U5的脚25、26、9相连，U5的脚4、5、7分别与J4的脚2、3、1相连，J4通过USB数据线与本地磁盘存储相连，如图5(d)所示；ATmega64单片机的脚61、60、59、58、57、56、55、54分别与接口插座ADCON的1、3、5、7、9、11、13、15针相连，滤波模块的输出与接口插座ADCON相连，如图5(f)所示。
数据采集
数据采集主要完成模拟信号的A/D转换并将转换结果存入存储寄存器。该模块根据预先设置好的采集通道和采样频率进行数据采集，并将数据采集的结果保存到数据缓冲区中，等待传输、存储或者数据处理。考虑实际应用，脉搏信号频带宽度为0～40Hz，故采样频率设定为250Hz，数据采集任务按以下步骤进行，如图6(a)所示；
(1)、开始，设定采样频率；
(2)、定时器开始定时，启动A/D转化；
(3)、判断A/D转化是否结束，如果否，返回步骤(3)；
(4)、定时器定时是否结束，如果否，返回步骤(4)；
(5)、将数据保存到缓冲区并发送，返回步骤(2)。
串口数据传输
串口数据传输与上述工作过程类似，启动任务后等待缓冲区满的消息(消息由数据采集中断程序发出)，然后进行发送。由流程图可见，单片机与上位机之间的数据通讯是采用这种相互“握手”应答的通讯方式基本可以保证数据的可靠性与正确性。单片机与上位机之间采用的是异步串行通讯方式，波特率设定为9600bit/s，在数据通讯这个环节基本还没有出现过问题，由此可以证明这种上位机与下位机交互“握手”的通讯方式的可靠性是很高的。串口数据传输任务按以下步骤进行，如图6(b)所示。
(1)、关闭中断；
(2)、判断上位机是否响应；如果否，执行步骤(6)；
(3)、发送数据，并进行数据效验，判断发送数据是否完成，如果是，执行步骤(5)；
(4)、重新发送数据，并返回步骤(3)；
(5)、开中断，执行步骤(7)；
(6)、出错处理；
(7)、结束。
液晶显示及键盘控制
液晶显示及键盘控制用于实现系统模式选择。系统开机后显示菜单，通过按键选择工作模式。液晶显示及键盘控制按以下步骤进行，如图6(c)所示。
(1)、显示屏显示菜单；
(2)、判断是否有键按下，如果否，返回步骤(2)；
(3)、读取键值，单片机状态判断，刷新显示屏，判断是否按下确认键，如果否，返回
步骤(2)；
(4)、系统执行相应任务。
本地存储
本地存储是按以下步骤进行，如图6(d)所示：
(1)、程序开始，初始化CH375，设置USB工作模式；
(2)、判断U盘是否准备好，如果否，返回步骤(2)；
(3)、查询U盘信息，判断目标文件是否存在，如果否，执行步骤(6)；
(4)、查询文件属性，设置文件属性；
(5)、判断以字节为单位向文件读写数据是否完成，如果否，返回步骤(5)；如果是，执行步骤(8)；
(6)、新建文件，设置文件属性；
(7)、判断以字节为单位向文件读写数据是否完成，如果否，返回步骤(7)；
(8)、关闭文件；
(9)、判断U盘是否拔出，如果否，返回步骤(9)；
(10)、结束。
5、电源模块
便携式连续记录脉搏装置采用24V直流供电。
6、PC机内嵌入的LabVIEW为上位PC机的开发平台，利用LabVIEW的开发环境，实现串口通讯、脉搏信号实时显示存储、脉搏信号预处理、脉搏信号频域分析的功能。
串口模块
PC机内嵌入的LabVIEW为上位PC机的开发平台，使用VISA实现与下位单片机的串口通讯。串口通讯的用LabVIEW表示的数据流驱动的程序流程框图如图7(a)所示。LabVIEW的串口通讯VI位于Instrument I/O Platte的Serial中，LabVIEW提供了一组(共5个)串行口通信子VI控件来承担对编程的支持，它们依次是：VISA Configure Serial Port；VISA Write；VISA Read；VISA Close。通过对这几个功能模块的配置和连接，就能开发出符合要求的LabVIEW串行口通信软件。首先需要调用VISA Configure Serial Port完成串口参数的设置，包括串口资源分配、波特率、数据位、停止位、校验位和流控等。如果初始化没有问题，就可以使用这个串口进行数据收发。发送数据使用VISA Write，接收数据使用VISA Read。在某些特殊情况下，需要设置串口接收/发送缓冲区的大小，此时可以使用VISA Set I/O BufferSize，而使用VISA Flush I/O Buffer则可以清空接收与发送缓冲区。在串口使用结束后，使用VISA Close结束与VISA resource name指定的串口之间的会话。
串口通讯模块的工作步骤如图7(b)所示：
(1)、调用VISA Configure Serial Port完成串口通讯的配置，初始化串口，使用VISA Bytesat Serial Port设置串口接收缓冲区大小；
(2)、判断采集数据缓冲区是否写满，如果否，返回步骤(2)；
(3)、读取数据缓冲区数据；判断通信是否停止，如果否，返回步骤(2)；
(4)、结束会话，停止线程，并结束。
脉搏信号实时显示存储模块
脉搏信号实时显示存储模块采用了LabVIEW的数字示波器模块进行显示，对于显示的波形可以独立进行的放大、平移、显示、隐藏、更改颜色和名字等操作，使得任意通道波形间的比较尤其方便快捷。脉搏信号的数据保存程序流程图如图8(a)所示，最前面为Open/Create/Replace File模块，file path参数用于设置保存或打开文件的路径，该模块可以打开、创建、替换文件，这里选择的是create or replace参数，即不存在文件就创建，存在文件就替换该文件；中间的为Write File模块和Format Into String模块，用于将实际压力值转换为字符串写入文件，Num参数是写入数据的序号，process value即为实际压力值；最后为Close File模块，用于关闭文件。
脉搏信号实时显示存储模块的工作步骤如图8(b)所示：
(1)、应用Open/Create/Replace File模块设置保存或打开文件的属性，
(2)、将实际电压的浮点数据流转换成字符串数据流，
(3)、通过Write File模块将字符串数据流写入到一打开的文件中，
(4)、关闭文件，结束。
脉搏信号预处理模块
本系统的脉搏信号预处理模块的LabVIEW程序流程图如图9(a)所示。图形化虚拟仪器编程软件LabVIEW自身功能强大，环境友善，但是，对于一些需要进行大量数据运算处理的复杂应用，如小波分析等，LabVIEW显得有些力不从心。而MATLAB具有很强的工程计算功能。因此，研究LabVIEW与MATLAB之间的混合编程，使它们在功能上互补，减少编程的工作量，提高编程效率，具有实用价值。LabVIEW提供了一种相对容易的方式，即MATLAB Script节点方式，通过这种方式，可以在LabVIEW中使用MATLAB强大的数值运算功能。脉搏信号具有非线性、非平稳并且微弱的特点，所以在实测中易受干扰，本系统基于小波变换的消除基线漂移、工频噪声和肌电噪声的方法，应用LabVIEW和MATLAB对脉搏信号进行消除基线漂移、工频噪声和肌电噪声的预处理。
脉搏信号预处理模块的工作步骤如图9(b)所示：
(1)、读取脉搏数据，
(2)、通过MATLAB Script节点方式进入MATLAb环境，
(3)、基于小波变换的脉搏信号去除高频噪声，具体方法为：将小波分解下的尺度1至尺度3的细节分量进行统一的软阈值去噪处理，可去除工频干扰与肌电干扰等高频噪声。最后将经过阈值量化处理后的尺度1至尺度3的细节分量与未作处理的尺度4至尺度8的细节分量进行小波的重构，便可得到去除基线漂移、工频干扰与肌电干扰噪声后的光滑信号；
(4)、处理后的数据在LabVIEW中的Chart子VI显示；
(5)、结束。
脉搏信号频域分析模块
脉搏信号频域分析模块的流程图如图10(a)所示。脉搏信号频域分析模块是采用数字信号处理频域分析方法分析人体的脉搏波，将时域的脉搏波曲线变换到频域，将一个复杂的、周期性变化的脉波分解成不同频率的谐波，从脉搏波谱中提取与人体生理病理相应的信息。该模块的实现是通过LabVIEW自带的数字信号处理模块来实现。
脉搏信号频域分析模块的工作步骤如图10(b)所示：
(1)、读取脉搏数据后，分别执行步骤(2)、步骤(5)；
(2)、FFT变换，形成数组子集；
(3)、Z变换，组成以起始位、采样分辨率、幅值为元素的簇；
(4)、生成幅值谱，执行步骤(7)；
(5)、自功率谱变换，组成以起始位、采样分辨率、功率为元素的簇；
(6)、生成功率谱；
(7)、结束。
脉搏信号特征点提取模块
脉搏信号的特征点提取的实现过程是在对脉搏信号进行小波变换的基础上，根据脉搏信号的频率分布特点，首先重构指定的细节分量信号，采用阈值法在重构信号上确定主波P波波峰点的位置。然后根据P波波峰与其它特征点的位置关系，分别提取切迹V波波谷点、重搏前波T波波峰点、重搏波D波波峰点和脉搏初始点A。由于特性点提取也采用小波变换算法，所以模块的实现也采用脉搏预处理模块的实现方式，即采用LabVIEW和MATLAB混合编程的方式实现；工作步骤如图11所示：
(1)、重构指定的细节分量信号，采用阈值法在重构信号上确定主波P波波峰点的位置；
(2)、根据P波波峰与其它特征点的位置关系，分别提取切迹V波波谷点、重搏前波T波波峰点、重搏波D波波峰点和脉搏初始点A；
(3)、结束。
Claims (10)
1、一种便携式连续记录人体脉搏信号的检测装置，其特征在于该装置是由光电式脉搏传感器、前置放大器、滤波模块、A/D采集记录器和电源模块组成；前置放大器分别与光电式脉搏传感器、滤波模块相连，滤波模块分别与光电式脉搏传感器、A/D采集记录器相连，电源为光电式脉搏传感器、前置放大器、滤波模块、A/D采集记录器供电。
2、根据权利要求1所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的光电式脉搏传感器由红色发光二极管，光电二极管，遮光指套组成，红色发光二极管、光电二极管分别放置于遮光指套的夹层内，位置相对。
3、根据权利要求1所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的A/D采集记录器工作包括ATmega64单片机、PC机、FRAM铁电存储器、可移动磁盘存储器、显示模块、键盘控制模块、时钟模块；ATmega64单片机的管脚3、2分别与U2的11、12脚相连，U2的脚13、14分别与232插口的3、2孔相连，232插口通过232数据线与PC机相连；ATmega64的脚26、25分别与U6、U7、U8、U9、的5、6脚、U4的17、22脚相连；U6、U7、U8、U9的7脚分别与U10的15、14、13、12相连；ATmega64单片机的脚10、11、12、13、14分别与键盘接口的脚1、3、5、7、9相连，D7的输入端与ATmega64单片机的脚9相连，键盘接口与键盘相连；ATmega64单片机的脚34、33分别与74ALS00的脚1、2相连，74ALS00的脚3与液晶显示屏接口插座J3的8针相连，ATmega64单片机的脚51、50、49、48、47、46、45、44、35、36、37、38分别与J3的8、9、10、11、12、13、14、15、16、6、7、1、2针相连，J3与液晶显示屏相连；ATmega64单片机的脚27、28、20分别与U5的脚25、26、9相连，U5的脚4、5、7分别与J4的脚2、3、1相连，J4通过USB数据线与本地磁盘存储相连；ATmega64单片机的脚61、60、59、58、57、56、55、54分别与接口插座ADCON的1、3、5、7、9、11、13、15针相连，滤波模块的输出与接口插座ADCON相连；A/D采集记录器选用ATmega64单片机为主控制器，实现采集、存储、通讯等功能，采用其内部集成的逐次逼近型10位A/D转换器完成脉搏信号的A/D转换；实现了数据采集、串口数据传输、液晶显示及键盘控制、本地存储的功能。
4、根据权利要求3所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的数据采集按以下步骤进行：
(1)、开始，设定采样频率；
(2)、定时器开始定时，启动A/D转化；
(3)、判断A/D转化是否结束，如果否，返回步骤(3)；
(4)、定时器定时是否结束，如果否，返回步骤(4)；
(5)、将数据保存到缓冲区并发送，返回步骤(2)。
5、根据权利要求3所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的本地存储是按以下步骤进行：
(1)、程序开始，初始化CH375，设置USB工作模式；
(2)、判断U盘是否准备好，如果否，返回步骤(2)；
(3)、查询U盘信息，判断目标文件是否存在，如果否，执行步骤(6)；
(4)、查询文件属性，设置文件属性；
(5)、判断以字节为单位向文件读写数据是否完成，如果否，返回步骤(5)；如果是，执行步骤(8)；
(6)、新建文件，设置文件属性；
(7)、判断以字节为单位向文件读写数据是否完成，如果否，返回步骤(7)；
(8)、关闭文件；
(9)、判断U盘是否拔出，如果否，返回步骤(9)；
(10)、结束。
6、根据权利要求3所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的PC机内嵌入的LabVIEW为上位PC机的开发平台，利用LabVIEW的开发环境，实现串口通讯、脉搏信号实时显示存储、脉搏信号预处理、脉搏信号频域分析、脉搏信号特征点提取的功能。
7、根据权利要求8所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的脉搏信号实时显示存储模块工作过程是：最前面为Open/Create/Replace File模块，file path参数用于设置保存或打开文件的路径，该模块可以打开、创建、替换文件，这里选择的是create orreplace参数，即不存在文件就创建，存在文件就替换该文件；中间的为Write File模块和Format Into String模块，用于将实际压力值转换为字符串写入文件，Num参数是写入数据的序号，process value即为实际压力值；最后为Close File模块，用于关闭文件；脉搏信号实时显示存储模块的工作步骤如下所示：
(1)、应用Open/Create/Replace File模块设置保存或打开文件的属性，
(2)、将实际电压的浮点数据流转换成字符串数据流，
(3)、通过Write File模块将字符串数据流写入到一打开的文件中，
(4)、关闭文件，结束。
8、根据权利要求8所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的脉搏信号预处理模块工作过程是：LabVIEW与MATLAB之间的混合编程，LabVIEW提供了一种相对容易的方式，即MATLAB Script节点方式，通过这种方式，可以在LabVIEW中使用MATLAB强大的数值运算功能；
脉搏信号预处理模块的工作步骤如下所示：
(1)、读取脉搏数据；
(2)、通过MATLAB Script节点方式进入MATLAb环境；
(3)、基于小波变换的脉搏信号去除高频噪声，具体方法为：将小波分解下的尺度1至尺度3的细节分量进行统一的软阈值去噪处理，可去除工频干扰与肌电干扰等高频噪声；最后将经过阈值量化处理后的尺度1至尺度3的细节分量与未作处理的尺度4至尺度8的细节分量进行小波的重构，便可得到去除基线漂移、工频干扰与肌电干扰噪声后的光滑信号；
(4)、处理后的数据在LabVIEW中的Chart子VI显示；
(5)、结束。
9、根据权利要求8所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的脉搏信号频域分析模块的工作过程是：脉搏信号频域分析模块是采用数字信号处理频域分析方法分析人体的脉搏波，将时域的脉搏波曲线变换到频域，将一个复杂的、周期性变化的脉波分解成不同频率的谐波，从脉搏波谱中提取与人体生理病理相应的信息；该模块的实现是通过LabVIEW自带的数字信号处理模块来实现；
脉搏信号频域分析模块的工作步骤如下所示：
(1)、读取脉搏数据后，分别执行步骤(2)、步骤(5)；
(2)、FFT变换，形成数组子集；
(3)、Z变换，组成以起始位、采样分辨率、幅值为元素的簇；
(4)、生成幅值谱，执行步骤(7)；
(5)、自功率谱变换，组成以起始位、采样分辨率、功率为元素的簇；
(6)、生成功率谱；
(7)、结束。
10、根据权利要求8所述的便携式连续记录脉搏检测装置，其特征在于所述的脉搏信号特征点提取模块的实现过程，首先重构指定的细节分量信号，采用阈值法在重构信号上确定主波P波波峰点的位置；然后根据P波波峰与其它特征点的位置关系，分别提取切迹V波波谷点、重搏前波T波波峰点、重搏波D波波峰点和脉搏初始点A；模块的实现也采用脉搏预处理模块的实现方式，即采用LabVIEW和MATLAB混合编程的方式实现；工作步骤如图11所示：
(1)、重构指定的细节分量信号，采用阈值法在重构信号上确定主波P波波峰点的位置；
(2)、根据P波波峰与其它特征点的位置关系，分别提取切迹V波波谷点、重搏前波T波波峰点、重搏波D波波峰点和脉搏初始点A；
(3)、结束。
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