CN103340613A - 基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于无线通信的信号采集与分析交互式系统及方法，下位机为以DSP芯片为核心构建的信号采集和传输子系统，实时采集人体脉搏、心电、呼吸以及环境温度、湿度、光照强度和声音信号，并对这些信号进行放大和滤波预处理，由蓝牙发送模块发送至上位机；上位机基于LabVIEW和Matlab软件的信号实时采集和分析，以LabVIEW构成虚拟仪器实现信号采集、分析、参数显示和存储，驱动蓝牙接收模块实时接收下位机传递来的信号，对所接收的信号在LabVIEW中调用Matlab程序进行实时的时域和频域分析，并提出采用滑窗迭代法实时计算瞬时脉率和呼吸率。

Description

基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统及方法

技术领域

本发明涉及信号检测、处理和无线传输，可用于近距离多路信号实时交互式无线检测和分析。

 

背景技术

 随着通信技术、电子技术和计算机技术的迅速发展，数字信号处理技术得到了长足进步，并广泛应用于电子、机械、仪表、通信、模式识别、遥感遥测、生物医学等各个专业领域。在理工科高等学校的教学体系中，数字信号处理课程的地位日显重要，不仅成为电子信息类专业的一门重要的专业基础课程，而且在自动控制、检测技术、医学处理等专业中得到普及，成为这些专业的必修或选修课程。

数字信号处理的概念抽象，对其中的分析方法与基本理论不易很好地理解与掌握。因此，如何帮助学生理解与掌握课程中的基本概念、基本原理、基本分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力是数字信号处理课程教学中所要解决的关键问题。课堂教学与实验相结合是提高教学效果的有效途径。目前信号采集与处理方面的实验设备体积较大，多为有线型，并且无法进行实时采集与分析，不适合在课堂使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线通信的信号采集与分析交互式方法及系统。

基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统，由下位机子系统1，蓝牙无线通信模块2，上位机子系统3组成，下位机子系统1以DSP芯片为核心，实时检测和采集人体的脉搏、心电、呼吸、体温信号，同时实时检测和采集环境湿度、温度信号，将各信号调理为可供DSP模块内部A/D转换的0-3V电压信号，实现信号的A/D转换；根据用户滤波选择，决定是否对信号在DSP内部进行滤波；根据用户的信号选择，决定传送对应的信号，驱动蓝牙无线通信模块2，无线发送系统采集的信号；上位机子系统3为以PC机，或笔记本电脑为核心的LabVIEW人机交互系统，能够驱动蓝牙无线通信模块2，实时接收下位机传输来的信号，并采用Matlab算法做相应的信号分析，显示并存储分析结果。

   基于无线通信的信号采集与分析实时交互式方法，其步骤为：

（1）利用光电脉搏传感器，采集人体的脉搏信号；

（2）利用心电电极，采集人体的心电信号；

（3）利用呼吸传感器，采集人体的呼吸信号；

（4）利用温度传感器，采集体温和环境温度信号；

（5）利用湿度传感器，采集环境湿度信号；

（6）各信号经过硬件预处理电路的放大和滤波的调理，变为0-3V电压信号，可供下位机DSP子系统内的DSP模块对其进行A/D转换；

（7）下位机DSP子系统内的DSP模块以200Hz的采样频率对脉搏、心电和呼吸信号进行采样；

（8）下位机DSP子系统内的DSP模块以0.01Hz的采样频率对温度、湿度和光照信号进行采样；

（9）下位机DSP子系统内的DSP模块根据滤波控制开关，对相应的信号进行实时滤波；

（10）下位机DSP子系统内的DSP模块根据信号选择开关，驱动蓝牙发送模块，发送所采集的信号；

（11）上位机LabVIEW子系统驱动蓝牙接收模块，接收下位机发送的信号；

（12）上位机LabVIEW子系统对多路原始信号存储；

（13）上位机LabVIEW子系统对多路原始信号显示；

（14）上位机LabVIEW子系统嵌入调用Matlab程序对多路信号进行实时的时域分析；

（15）上位机LabVIEW子系统嵌入调用Matlab程序对多路信号进行实时的频域分析；

（16）上位机LabVIEW子系统嵌入调用Matlab程序对脉搏和呼吸信号进行分析，计算瞬时脉率和呼吸率，并判断是否异常；

（17）上位机LabVIEW子系统对处理后的信号进行显示；

（18）上位机LabVIEW子系统对处理后的信号进行存储。

本发明的有益之处是：能实时采集、传输和分析多路信号，方便检测被监测者的生理信号及其所处环境的相关信号，并能够让检测者与被监测者进行交流互动，对信号进行实时分析和处理。

附图说明

图1是本发明的系统框图，图2是下位机的数据流程，图3是上位机的数据流程。

具体实施方式

如图1所示，基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统，由下位机子系统1，蓝牙无线通信模块2，上位机子系统3组成，下位机子系统1以DSP芯片为核心，实时检测和采集人体的脉搏、心电、呼吸、体温信号，同时实时检测和采集环境湿度、温度信号，将各信号调理为可供DSP模块内部A/D转换的0-3V电压信号，实现信号的A/D转换；根据用户滤波选择，决定是否对信号在DSP内部进行滤波；根据用户的信号选择，决定传送对应的信号，驱动蓝牙无线通信模块2，无线发送系统采集的信号；上位机子系统3为以PC机，或笔记本电脑为核心的LabVIEW人机交互系统，能够驱动蓝牙无线通信模块2，实时接收下位机传输来的信号，并采用Matlab算法做相应的信号分析，显示并存储分析结果。

上位机子系统为以PC机（或笔记本电脑）为核心的LabVIEW人机交互系统，其驱动蓝牙接收模块，实时接收下位机传输来的信号，并采用Matlab算法做相应的信号分析，显示并存储分析结果。

图2给出了本发明的下位机子系统的主要的工作流程。通过信号检测与调理模块1-1采集和调理各种信号，其中脉搏传感器1-2检测脉搏信号，脉搏信号调理电路1-3对脉搏信号进行I/V转换、放大和滤波处理；心电传感器1-4检测心电信号，心电信号调理电路1-5对心电信号进行光电隔离、放大和滤波处理；呼吸传感器1-6检测人体呼吸信号，呼吸信号调理电路1-7对呼吸信号进行放大和滤波；湿度传感器1-8检测环境湿度信号，湿度信号调理电路1-9对湿度信号进行滤波处理；环境温度传感器1-10检测环境温度信号，环境温度调理1-11对环境温度信号进行滤波处理；体温传感器1-12检测体温信号，体温信号调理电路1-13对体温信号进行滤波；DSP模块1-14对信号检测与调理模块输入的信号进行A/D采样，根据滤波控制模块1-15选择对应信号进行滤波处理，并根据信号选择控制模块1-16，通过蓝牙发送模块将对应信号传送给上位机；其中，滤波控制开关1-15控制DSP模块是否对输入信号进行滤波，信号选择控制开关1-16控制蓝牙模块发送信号的种类，通过蓝牙模块2无线发送相应的信号；若信号选择控制开关1-16处于缺省状态，循环无线发送各信号。

其中，信号检测与调理模块，主要完成将其他形式的信号转换为电信号，并根据信号的特点，进行适当的硬件调理，输出可供DSP模块A/D转换的电压信号(0-3V)。

选用光电脉搏传感器拾取人体手指处的脉搏信号，其内置红光发光二极管(中心波长为660nm)、近红外发光二极管(中心波长为940nm)和高性能光敏二极管组成；其中，由占空比为50%的方波驱动两发光二极管交替发光，由光敏二极管感知光信号；由于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动而变化，于是，光敏二极管可将变化的光信号转化为变化的电流信号，将指尖脉搏的波动转化为两路电流信号输出。

脉搏信号的调理电路实现脉搏信号的初步调理，先通过I/V转换电路，将光电脉搏传感器拾取的电流信号转换为电压信号；然后，通过一个截止频率为0.16Hz二阶高通模拟滤波器，去除基线漂移；一个截止频率为80Hz的二阶低通模拟滤波器，降低肌电干扰；在滤波的同时，通过两级放大器，将微弱的脉搏信号放大500倍，输出为0-3V的电压信号供DSP模块A/D转换。

心电传感器有两种形式，在课堂教学中，采用肢体导联的连接方式，拾取人体心电信号；在无菌仓中，采用胸部V1导联。然后将此信号进行硬件调理，包括光电隔离、滤波（截止频率为0.16Hz的二阶高通模拟滤波器，50Hz模拟陷波器，截止频率为80Hz的二阶模拟低通滤波器）、放大（放大倍数为500倍），输出为0-3V的电压信号供DSP模块A/D转换。

呼吸传感器置于人体腰部，将人体的呼吸信号转换为微弱的电压信号，经过硬件调理电路的放大（放大倍数为50倍）和滤波（截止频率为80Hz的二阶模拟低通滤波器），输出给DSP模块。

环境的湿度、温度和人体温度分别由相应传感器和调理电路检测并滤波（截止频率为0.5Hz的二阶模拟低通滤波器），输出为0-3V的电压信号。

DSP模块的核心处理芯片为TMS320F28335A，是TI公司生产的一款具有高处理速度(150MIPS)的浮点内核DSP芯片。自带RAM(68K×16bit)，2路串行接口(RS232)，16路12bitA/D转换器，最大采样率为12.5MSPS，采集电压范围0-3.3V。DSP系统对心电、脉搏、呼吸、体温、环境的湿度和温度信号进行巡回检测，依据信号特点，对心电、脉搏和呼吸信号的采样频率为200Hz，对环境湿度、环境温度和体温信号的采样频率为0.01Hz。

DSP模块主要完成信号的采样与A/D转换、滤波、信号处理和无线传输。其中，内置A/D转换器完成对信号检测与调理模块传输的各路信号进行采样，将其转换为数字信号。滤波为选择性滤波，在DSP模块内部分别内置了整系数50Hz陷波器和适用于各路信号的不同截止频率的低通滤波器，用户可以根据需求打开和关闭滤波控制按键，系统根据按键的状态，选择是否对相应信号进行滤波。同时，系统设有6路信号选择开关，每个开关对应一种信号，用户可以根据需求打开和关闭相应开关，系统根据用户按键选择是否传输对应信号,若信号选择控制开关处于缺省状态，循环无线发送各信号。信号的无线传输由置于DSP芯片串口上的蓝牙发送模块完成，DSP模块驱动蓝牙模块，采用循环的方式发送信号。

图3给出了本发明上位机的数据流程。主要的工作流程为：上位机驱动蓝牙通信模块2接收下位机传输的多路信号，将其传给LabVIEW人机交互系统3进行分析；对于脉搏信号3-1，进行低通（截止频率为66.7Hz的整系数低通滤波器）、陷波滤波（整系数50Hz陷波器）3-2处理，检测其特征值3-3(峰值和幅度及其对应位置)，并采用滑窗迭代DFT算法，估计脉搏信号的瞬时脉率信号3-4，判断脉搏信号是否异常3-5，若脉率异常，系统进行声光报警3-6，计算脉搏信号的功率谱3-7，根据两路脉搏信号计算血氧饱和度信号3-8，显示3-21并存储3-22脉搏信号、脉率信号、血氧饱和度信号、功率谱及各特征值；对于心电信号3-9，进行低通（截止频率为66.7Hz的整系数低通滤波器）和陷波滤波（整系数50Hz滤波器）处理3-10，检测其特征值3-11(Q波、R波、S波及其对应位置)，并根据R波位置，估计出心电信号的心率信号3-12，计算其功率谱3-13，显示3-21并存储3-22心电信号、心率信号、功率谱及各特征值；对于呼吸信号3-14，采用滑窗迭代DFT法估计瞬时呼吸率信号3-15，判断呼吸率是否异常3-16，若呼吸率异常，声光报警3-17，显示3-21并存储3-22呼吸信号及呼吸率信号；对湿度3-18、体温3-19、环境温度3-20，进行显示3-21并存储3-22。

本发明采用滑窗迭代DFT算法实时估计瞬时脉率和呼吸率信号，详细说明如下：

对任意有限带宽的周期信号x（kτ）,其周期为T，N为周期的采样点数，采样周期τ=T/N，则其可以展开为傅里叶级数：

                                                  

                 （1）

其中，

                             （2）

            （3）

 

            （4）

 式中k=0,1,2,…,N-1。

 由上式可以看出，每一次计算需要从固定的起始点(

)开始，对一个整周期的所有采样点进行计算，计算量太大。不利于信号的实时处理和分析。为了提高算法的运算速度，采用滑窗迭代的思想，对式(3)和式(4)进行改进：

          （5）

       （6）

式中，

表示最新的数据采样点。由式(5)和式(6)可以看出，每次计算都从当前新的数据开始，向后运算一个周期的长度，即为滑窗迭代，相比式(1)-(4),计算量大大减少，计算速度加快。由式(5)和式(6)可以得出，信号的基波分量由下面的公式给出：

 

可以看出该算法将一个周期

点数据的乘积累加和，简化为数据乘积的一次加法和一次减法，提高了系统的实时性。但迭代计算中的乘积因子

、

、、

均为时变量，每次计算后需要重构环节才能得到基波分量。

滑窗迭代主要思想是利用最新的实时采样数据参与信号分析，而相应剔除最早采样数据，从而加快采样数据的更新速度。窗口的宽度设为信号的一个整周期，采样点数为

。为了解决迭代计算中乘积因子的时变性，引入两个迭代因子、

，当

固定时，迭代因子为常数。滑窗DFT算法分为建立和迭代两个过程，在其建立过程中，数据的第一个周期内只有实时采样的新数据，为两个迭代过程量。信号

为实时采样数据，此时

。在第一个周期内利用式(12)完成滑窗迭代的初始化,第一个周期初始化完成后，可由式(13)继续进行滑窗迭代。

 

同时，为信号的基波分量，信号的谐波分量为，根据滑窗迭代DFT算法的过程量

即可实时得到信号的谐波分量。此外，利用两个迭代的过程量

可以实时地求出基波信号的均方根值，即

                       (14)

滑窗迭代DFT算法估计脉率和呼吸率信号：

脉搏信号和呼吸信号是具有一定周期的信号。所以，通过滑窗迭代DFT算法可估计脉搏中的脉率和呼吸率信号，具体步骤如下：

对原始脉搏、呼吸信号进行滑窗迭代DFT变换，求出脉搏、呼吸信号的基波分量。

对基波分量进行整系数低通滤波处理，滤除其中的高频干扰。采用零极点对消法设计整系数滤波器，滤波器的传递函数如下所示：

                      (15)

其中，采样频率为200Hz，第一截止频率为50Hz。

对滤波后的基波分量进行Hilbert变换，求出基波信号的瞬时频率信号，根据脉率和呼吸率信号定义，将瞬时频率信号放大60倍，转换为瞬时脉率、呼吸率信号。

脉率、呼吸率异常判断：

本发明在检测出脉搏信号的脉率和呼吸信号的呼吸率之后，实时对脉率和呼吸率状态进行监控，若脉率低于60次/min则为脉率过缓，高于100次/min，则为脉率过快；脉率过缓或过快，均为脉率异常。若呼吸率超过24次/min则为呼吸过速，若呼吸率低于10次/min,则为呼吸过缓，呼吸过速或过缓，均为呼吸异常。

脉率、呼吸率异常报警：

本发明在脉率和呼吸率发生异常时，系统将会发出声光报警。

声光报警模块系统由声报警和光报警两部分组成，其中，声报警由上位机LabVIEW人机交互子系统驱动PC机（或笔记本电脑）扬声器完成，报警形式为语音报警，根据脉率异常和呼吸率异常的不同发出不同的报警；光报警由上位机LabVIEW人机交互子系统完成，人机交互界面设有脉率异常和呼吸率异常两盏不同的光报警指示灯，完成不同情况下的光报警。

Claims (4)

1.基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统，由下位机子系统（1），蓝牙无线通信模块（2），上位机子系统（3）组成，其特征在于下位机子系统（1）以DSP芯片为核心，实时检测和采集人体的脉搏、心电、呼吸、体温信号，同时实时检测和采集环境湿度、温度信号，将各信号调理为可供DSP模块内部A/D转换的0-3V电压信号，实现信号的A/D转换；根据用户滤波选择，决定是否对信号在DSP内部进行滤波；根据用户的信号选择，决定传送对应的信号，驱动蓝牙无线通信模块（2），无线发送系统采集的信号；上位机子系统（3）为以PC机，或笔记本电脑为核心的LabVIEW人机交互系统，能够驱动蓝牙无线通信模块（2），实时接收下位机传输来的信号，并采用Matlab算法做相应的信号分析，显示并存储分析结果。

2.根据权利要求1所述的基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统，其特征在于下位机子系统（1）中的通过信号检测与调理模块（1-1）采集和调理各种信号，其中脉搏传感器（1-2）检测脉搏信号，脉搏信号调理电路（1-3）对脉搏信号进行I/V转换、放大和滤波处理；心电传感器（1-4）检测心电信号，心电信号调理电路（1-5）对心电信号进行光电隔离、放大和滤波处理；呼吸传感器（1-6）检测人体呼吸信号，呼吸信号调理电路（1-7）对呼吸信号进行放大和滤波；湿度传感器（1-8）检测环境湿度信号，湿度信号调理电路（1-9）对湿度信号进行滤波处理；环境温度传感器（1-10）检测环境温度信号，环境温度调理（1-11）对环境温度信号进行滤波处理；体温传感器（1-12）检测体温信号，体温信号调理电路（1-13）对体温信号进行滤波；DSP模块（1-14）对信号检测与调理模块输入的信号进行A/D采样，根据滤波控制模块（1-15）选择对应信号进行滤波处理，并根据信号选择控制开关（1-16），通过蓝牙无线通信模块（2）将对应信号传送给上位机子系统（3）；其中，滤波控制开关（1-15）控制DSP模块（1-14）是否对输入信号进行滤波，信号选择控制开关（1-16）控制蓝牙无线通信模块（2）发送信号的种类，通过蓝牙无线通信模块（2）无线发送相应的信号；若信号选择控制开关（1-16）处于缺省状态，循环无线发送各信号。

3.根据权利要求1所述的基于无线通信的信号采集与分析实时交互式系统，其特征在于上位机子系统（3）驱动蓝牙无线通信模块（2）接收下位机子系统（1）传输的多路信号，将其传给包含LabVIEW人机交互的上位机子系统（3）进行分析；在上位机子系统（3）中，陷波器（3-2）对于脉搏信号（3-1）进行低通、陷波滤波处理，检测其特征值（3-3），并采用滑窗迭代DFT算法，估计脉搏信号的瞬时脉率信号（3-4），判断脉搏信号是否异常，若脉率异常，系统的声光报警模块（3-6）进行声光报警，功率谱模块（3-7）计算脉搏信号的功率谱，血氧饱和度信号模块（3-8）根据两路脉搏信号计算血氧饱和度，由显示模块（3-21）显示并由存储模块（3-22）存储脉搏信号、脉率信号、血氧饱和度信号、功率谱及各特征值；心电信号模块（3-9）由截止频率为66.7Hz的整系数低通滤波器进行低通，由整系数50Hz滤波器（3-10）进行陷波滤波处理，检测其特征值（3-11），特征值为Q波、R波、S波及其对应位置，并根据R波位置，由心率信号模块（3-12）估计出心电信号，计算其功率谱（3-13），由显示模块（3-21）和存储模块（3-22）显示并存储心电信号、心率信号、功率谱及各特征值；由呼吸信号模块（3-14）采用滑窗迭代DFT法估计瞬时呼吸率信号（3-15），判断呼吸率是否异常，若呼吸率异常，声光报警模块（3-17）进行声光报警，由显示模块（3-21）、存储模块（3-22）显示并呼吸信号及呼吸率信号；对湿度（3-18）、体温（3-19）、环境温度（3-20），由显示模块（3-21）、存储模块（3-21）进行显示并存储。

4.基于无线通信的信号采集与分析实时交互式方法，其步骤为：

（1）利用光电脉搏传感器，采集人体的脉搏信号；

（2）利用心电电极，采集人体的心电信号；

（3）利用呼吸传感器，采集人体的呼吸信号；

（4）利用温度传感器，采集体温和环境温度信号；

（5）利用湿度传感器，采集环境湿度信号；

（6）各信号经过硬件预处理电路的放大和滤波的调理，变为0-3V电压信号，可供下位机DSP子系统内的DSP模块对其进行A/D转换；

（7）下位机DSP子系统内的DSP模块以200Hz的采样频率对脉搏、心电和呼吸信号进行采样；

（8）下位机DSP子系统内的DSP模块以0.01Hz的采样频率对温度、湿度和光照信号进行采样；

（9）下位机DSP子系统内的DSP模块根据滤波控制开关，对相应的信号进行实时滤波；

（10）下位机DSP子系统内的DSP模块根据信号选择开关，驱动蓝牙发送模块，发送所采集的信号；

（11）上位机LabVIEW子系统驱动蓝牙接收模块，接收下位机发送的信号；

（12）上位机LabVIEW子系统对多路原始信号存储；

（13）上位机LabVIEW子系统对多路原始信号显示；

（14）上位机LabVIEW子系统嵌入调用Matlab程序对多路信号进行实时的时域分析；

（15）上位机LabVIEW子系统嵌入调用Matlab程序对多路信号进行实时的频域分析；

（16）上位机LabVIEW子系统嵌入调用Matlab程序对脉搏和呼吸信号进行分析，计算瞬时脉率和呼吸率，并判断是否异常；

（17）上位机LabVIEW子系统对处理后的信号进行显示；

（18）上位机LabVIEW子系统对处理后的信号进行存储。

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