CN112450893A - 一种多路脉搏信号采集控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种多路脉搏信号采集控制系统，属于多路脉搏信号采集控制技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种多路脉搏信号采集控制系统硬件结构的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括信号采集装置、绑带、上位机，所述信号采集装置的正面设置有显示屏、控制按键、状态显示灯，所述信号采集装置的侧面设置有第一数据交换端口、第二数据交换端口，所述信号采集装置的内部封装有控制电路板，所述控制电路板上集成有微控制器、数据存储模块、蓝牙通信模块、信号去噪模块、AD转换模块，所述微控制器通过导线分别与显示屏、控制按键、状态显示灯、第二数据交换端口、数据存储模块、蓝牙通信模块相连；本发明应用于脉搏信号采集。
Description
技术领域
本发明一种多路脉搏信号采集控制系统，属于多路脉搏信号采集控制技术领域。
背景技术
随着社会的快速发展，生活质量的不断提高，人们在关注生活质量的同时，更加注重自身健康问题，因此对专业的医疗体检及日常的健康检查更加重视，在选用的医疗体检仪器和方式中，轻便、无创的检测方式是未来的发展方向。
传统中医学和现代医学表明，人体跳动的脉搏中包含的信号具有丰富的信息，可从一定程度上反映人体健康状况，近年来，许多专家学者致力于人体脉搏信号的检测与分析，但通过脉搏信号定量精准分析人体健康与疾病的关系、健康状态以及疾病预防方面仍有许多不足，例如传统中医脉诊概念较为模糊，无清晰的判别标准，即在采集脉搏信号过程中主要由中医进行切脉，对获取的脉搏信息进行分析，多依赖于医师主观经验；另一方面，现有研究对脉搏信号的敏感获取研究较少，信号采集方法多样，无统一量化标准，深入研究较为困难，极大影响脉诊与脉搏信号健康检测的应用与发展。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种多路脉搏信号采集控制系统硬件结构的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多路脉搏信号采集控制系统，包括信号采集装置、绑带、上位机，所述信号采集装置的正面设置有显示屏、控制按键、状态显示灯，所述信号采集装置的侧面设置有第一数据交换端口、第二数据交换端口，所述信号采集装置的内部封装有控制电路板，所述控制电路板上集成有微控制器、数据存储模块、蓝牙通信模块、信号去噪模块、AD转换模块，所述微控制器通过导线分别与显示屏、控制按键、状态显示灯、第二数据交换端口、数据存储模块、蓝牙通信模块相连；
所述绑带设置在支架上，在绑带的内侧贴附有多个脉搏传感器，在支架的一侧还设置有气泵，在所述气泵的进气口处还设置有气阀，所述气泵的出气口与绑带的进气口相连；所述绑带与气压传感器连通；
所述脉搏传感器的信号输出端通过导线与第一数据交换端口相连，所述第一数据交换端口的信号输出端依次连接信号去噪模块、AD转换模块后与微控制器的信号输入端相连；
所述气泵和气阀的控制端通过导线与第二数据交换端口相连，所述气压传感器的信号输出端通过导线与第二数据交换端口相连；
所述蓝牙通信模块通过无线网络与上位机无线连接；
所述采集装置的背面还设置有电源模块，所述电源模块与微控制器的电源输入端相连。
所述微控制器内部使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为STM32F103C8，所述微控制器的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、48脚与3.3V电源相连；
所述控制芯片U1的5脚串接晶振X1后与控制芯片U1的6脚相连；
所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚分别与信号去噪模块相连；
所述控制芯片U1的13脚与气压传感器的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的21脚与电阻R9的一端相连；
所述控制芯片U1的30脚、31脚与蓝牙通信模块的输入端相连；
所述控制芯片U1的34脚、37脚与程序下载和调试端口相连；
所述控制芯片U1的42脚与气阀的控制端相连；
所述控制芯片U1的43脚与气泵的控制端相连；
所述控制芯片U1的44脚与电阻R8的一端相连，所述电阻R8的另一端并接电阻R9的另一端后接地。
所述信号去噪模块内部使用的芯片为放大器U2，所述放大器U2的型号为LM324，所述信号去噪模块的电路结构为：
所述放大器U2的3脚并接电阻R19的一端后与电阻R18的一端相连，所述电阻R18的另一端接地；
所述放大器U2的2脚并接电容C14的一端后与电阻R17的一端相连，所述电阻R17的另一端与脉搏传感器的信号输出端相连；
所述放大器U2的4脚与5V电源相连；
所述放大器U2的1脚并接电阻R19的另一端后与微控制器的输入端相连。
所述气泵和气阀的电路结构为：
所述控制芯片U1的43脚与电阻R13的一端相连，所述电阻R13的另一端与三极管D3的基极相连，所述三极管D3的集电极接地，所述三极管D3的发射极并接二极管D1的正极后与气泵控制端口的1脚相连，所述二极管D1的负极并接气泵控制端口的2脚后接3.3V电源；
所述控制芯片U1的42脚与电阻R14的一端相连，所述电阻R14的另一端与三极管D4的基极相连，所述三极管D4的集电极接地，所述三极管D4的发射极并接二极管D2的正极后与气阀控制端口的1脚相连，所述二极管D2的负极并接气阀控制端口的2脚后接3.3V电源。
所述气压传感器内部使用芯片为传感芯片U3，所述传感芯片U3的型号为MPX5050，所述气压传感器的电路结构为：
所述传感芯片U3的2脚接5V电源；所述传感芯片U3的3脚接地；所述传感芯片U3的4脚与控制芯片U1的13脚相连。
所述电源模块内部使用的芯片为充电芯片U4、电压转换芯片U5、稳压器U6；所述充电芯片U4的型号为TP4056，所述电压转换芯片U5的型号为HT7750SA，所述稳压器U6的型号为AMS1117。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明通过提供一套完整的脉搏信号采集系统，系统中包括相应的控制器、采集器、分析器，可对人体脉搏信号进行精确测量与采集，并根据采集的脉搏信号进行分析量化，为后续信号分析，构建人体脉搏信号数据库，研究脉搏信号与人体健康与疾病检测提供数据基础；使用本发明也可直接对接各类脉搏信号诊断系统，作为信号采集终端可放置于家庭、门诊等线下场景，使用方便。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路结构示意图；
图3为本发明微控制器及其外围电路的结构示意图；
图4为本发明信号去噪模块的电路图；
图5为本发明气泵和气阀的电路图；
图6为本发明气压传感器的电路图；
图7为本发明脉搏传感器的电路图；
图8为本发明电源模块的电路图；
图9为本发明脉搏信号采集的步骤流程图；
图中：1为信号采集装置、2为绑带、3为上位机、11为显示屏、12为控制按键、13为状态显示灯、14为第一数据交换端口、15为第二数据交换端口、16为微控制器、17为数据存储模块、18为蓝牙通信模块、31为信号去噪模块、32为AD转换模块、21为支架、22为脉搏传感器、23为气泵、24为气阀、25为气压传感器、41为电源模块。
具体实施方式
如图1至图9所示，本发明一种多路脉搏信号采集控制系统，包括信号采集装置1、绑带2、上位机3，所述信号采集装置1的正面设置有显示屏11、控制按键12、状态显示灯13，所述信号采集装置1的侧面设置有第一数据交换端口14、第二数据交换端口15，所述信号采集装置1的内部封装有控制电路板，所述控制电路板上集成有微控制器16、数据存储模块17、蓝牙通信模块18、信号去噪模块31、AD转换模块32，所述微控制器16通过导线分别与显示屏11、控制按键12、状态显示灯13、第二数据交换端口15、数据存储模块17、蓝牙通信模块18相连；
所述绑带2设置在支架21上，在绑带2的内侧贴附有多个脉搏传感器22，在支架21的一侧还设置有气泵23，在所述气泵23的进气口处还设置有气阀24，所述气泵23的出气口与绑带2的进气口相连；所述绑带2与气压传感器25连通；
所述脉搏传感器22的信号输出端通过导线与第一数据交换端口14相连，所述第一数据交换端口14的信号输出端依次连接信号去噪模块31、AD转换模块32后与微控制器16的信号输入端相连；
所述气泵23和气阀24的控制端通过导线与第二数据交换端口15相连，所述气压传感器25的信号输出端通过导线与第二数据交换端口15相连；
所述蓝牙通信模块18通过无线网络与上位机3无线连接；
所述采集装置1的背面还设置有电源模块41，所述电源模块41与微控制器16的电源输入端相连。
所述微控制器16内部使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为STM32F103C8，所述微控制器16的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、48脚与3.3V电源相连；
所述控制芯片U1的5脚串接晶振X1后与控制芯片U1的6脚相连；
所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚分别与信号去噪模块31相连；
所述控制芯片U1的13脚与气压传感器25的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的21脚与电阻R9的一端相连；
所述控制芯片U1的30脚、31脚与蓝牙通信模块18的输入端相连；
所述控制芯片U1的34脚、37脚与程序下载和调试端口相连；
所述控制芯片U1的42脚与气阀24的控制端相连；
所述控制芯片U1的43脚与气泵23的控制端相连；
所述控制芯片U1的44脚与电阻R8的一端相连，所述电阻R8的另一端并接电阻R9的另一端后接地。
所述信号去噪模块31内部使用的芯片为放大器U2，所述放大器U2的型号为LM324，所述信号去噪模块31的电路结构为：
所述放大器U2的3脚并接电阻R19的一端后与电阻R18的一端相连，所述电阻R18的另一端接地；
所述放大器U2的2脚并接电容C14的一端后与电阻R17的一端相连，所述电阻R17的另一端与脉搏传感器22的信号输出端相连；
所述放大器U2的4脚与5V电源相连；
所述放大器U2的1脚并接电阻R19的另一端后与微控制器16的输入端相连。
所述气泵23和气阀24的电路结构为：
所述控制芯片U1的43脚与电阻R13的一端相连，所述电阻R13的另一端与三极管D3的基极相连，所述三极管D3的集电极接地，所述三极管D3的发射极并接二极管D1的正极后与气泵控制端口的1脚相连，所述二极管D1的负极并接气泵控制端口的2脚后接3.3V电源；
所述控制芯片U1的42脚与电阻R14的一端相连，所述电阻R14的另一端与三极管D4的基极相连，所述三极管D4的集电极接地，所述三极管D4的发射极并接二极管D2的正极后与气阀控制端口的1脚相连，所述二极管D2的负极并接气阀控制端口的2脚后接3.3V电源。
所述气压传感器25内部使用芯片为传感芯片U3，所述传感芯片U3的型号为MPX5050，所述气压传感器25的电路结构为：
所述传感芯片U3的2脚接5V电源；所述传感芯片U3的3脚接地；所述传感芯片U3的4脚与控制芯片U1的13脚相连。
所述电源模块41内部使用的芯片为充电芯片U4、电压转换芯片U5、稳压器U6；所述充电芯片U4的型号为TP4056，所述电压转换芯片U5的型号为HT7750SA，所述稳压器U6的型号为AMS1117。
本发明针对脉诊过程中存在主观影响与实际缺少量化方法的问题，设计一套多路、精准、操作方便的脉搏信号采集系统，为后续研究脉搏信号与人体健康与疾病检测提供分析数据基础。
本发明提供的脉搏信号采集系统包括：采集仪壳体、外置绑带以及相应的控制电路，其中采集仪壳体主要完成采集仪主要电路板安装，将其连接控制机构气泵、气阀等重要功能模块，完成准备阶段的工作。
系统中设置的脉搏采集装置具体为绑带，安装时将绑带固定在支架上，并在绑带内侧不同位置贴附多个脉搏传感器，实现采集人体多个部位脉搏信号的效果，绑带外侧通过气阀与气泵进行连接，气阀气泵的控制端通过导线与采集装置控制器相连，使用时配合气压传感器对绑带进行量化施压，以采集到更为精确的脉搏信号。
如图3所示，信号采集装置内置的控制电路板为脉搏信号采集系统的核心部件，该控制电路对采集装置各部分进行控制调度，以便精准地对信号进行采集，主要包括电源模块、信号处理模块、信号采集、执行控制以及数据通信模块等；本发明使用的控制电路板主要集成有复位电路，时钟电路，晶振电路以及微控制器等部件模块，微控制器是脉搏信号采集系统的中央处理器，本发明采用的微控制器是意法半导体（ST）研制的 32 位 ARM V7 架构 CortexTM-M3 内核的 STM32F103C8T6 芯片，结合该芯片为实现脉搏信号采集功能另外设置有相应的外围电路。
如图4所示，信号采集装置内设置有相应的信号处理电路，主要包括信号去噪模块和AD转换模块，其中信号去噪模块主要实现对传感器信号的噪声去除功能，由于脉搏传感器具有较高的灵敏度，传感器输出信号极易受到外部干扰，导致输出信号中含有噪声，又因为人体脉搏信号频率主要集中于低频，因此系统通过外接低通滤波电路对传感器输出信号进行高频噪声滤除；装置内设置的AD转换模块实现对采集信号的初步处理，在采集系统工作过程中，共有四路传感器信号需要获取，分别为三路脉搏信号，一路气压信号，本发明采用主控制器自带模拟数字转换器，控制芯片STM32F103C8T6拥有3个ADC，共18个通道，为12位逐次逼近型模数转换器，最大转换效率1MHZ，可以高效完成对采集的脉搏信号进行转换的需要，在控制芯片U1的管脚中，实际选用ADC1第0通道、ADC2第1通道、ADC3第2通道、ADC3第3通道分别完成脉搏传感器A、脉搏传感器B、脉搏传感器C、气压传感器的信号采集。
如图5所示，在脉搏信号采集系统工作的过程中，微控制器通过控制气泵、气阀的工作状态来控制绑带内的气压高低，间接控制传感器的施压程度，由于微控制器输出负载能力较弱，所以需要设计相应的驱动电路来完成对气泵与气阀的控制，通过在气泵气阀控制电路中设置相应的三极管驱动电路实现信号放大功能。
如图6所示，在脉搏信号的实际采集过程中，为了使传感器可以更好地与人体桡骨内侧位置进行贴合，微控制器会发出指令，通过对腕带内部进行鼓气的方式对脉搏传感器施加固定压力，气压传感器通过气管与绑带内部连通，实时采集绑带内部压力情况，以保证传感器可以在固定压力状态下对脉搏信号进行转换；气压传感器选用新型单片式带信号调节的硅压力传感器MPXV5050GP，在测量过程中，该类型传感芯片可以提供与所施压力成正比的高输出模拟信号。
如图7所示，信号采集装置为获取脉搏信号，需要选择合适的脉搏传感器将脉搏信号转换为电信号，本发明采集系统选用SC0073B型脉搏传感器，该传感器灵敏度较高，抗过载及冲击能力较强，可以高效完成脉搏信号向电信号的转换，在使用时，将其通过信号线与信号采集装置内部的信号处理模块相连。
在脉搏信号采集系统工作过程中，传感器输出信号经过信号处理，AD模数转换后经主控制器处理上传至上位机，具体实现时，将微控制器通过串口连接HC-05蓝牙模块，以无线通讯方式将数据上传至PC上位机，串口具体配置为8位数据位、1位停止位、奇偶校验、无硬件数据流控制、波特率38400。
如图8所示，信号采集装置在实际工作时设计了两路电源：分别为给微控制器、气阀、脉搏传感器供电的3.3V电源和给气压传感器和蓝牙通讯电路供电的5V电源，此外还根据需求设计了3.7V锂电池充放电电路，以保证采集仪在无外部供电的情况下还可以继续工作。
如图9所示，本发明微控制器内置有预设的信号采集程序，在脉搏信号采集系统工作的过程中，微控制器通过程序指令控制执行机构在不同时间段完成多种不同的任务，如信号采集、气泵气阀控制、数据传输、上位机交互等操作，共同维持系统稳定运行；信号采集装置在开机后首先对内部各模块组件进行初始化调试，确认各模块运行正常，然后检测气压传感器采集信号数值是否达到目标值，如没有达到将控制气泵进行充气，达到目标值后关闭气泵，并控制脉搏传感器实时采集脉搏信号，装置将采集到的脉搏信号经过去噪放大和模数转换后发送至微控制器，微控制器对信号做进一步分析处理后，将其通过蓝牙模块上传至上位机进行脉搏数据库的构建。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种多路脉搏信号采集控制系统，包括信号采集装置（1）、绑带（2）、上位机（3），其特征在于：所述信号采集装置（1）的正面设置有显示屏（11）、控制按键（12）、状态显示灯（13），所述信号采集装置（1）的侧面设置有第一数据交换端口（14）、第二数据交换端口（15），所述信号采集装置（1）的内部封装有控制电路板，所述控制电路板上集成有微控制器（16）、数据存储模块（17）、蓝牙通信模块（18）、信号去噪模块（31）、AD转换模块（32），所述微控制器（16）通过导线分别与显示屏（11）、控制按键（12）、状态显示灯（13）、第二数据交换端口（15）、数据存储模块（17）、蓝牙通信模块（18）相连；
所述绑带（2）设置在支架（21）上，在绑带（2）的内侧贴附有多个脉搏传感器（22），在支架（21）的一侧还设置有气泵（23），在所述气泵（23）的进气口处还设置有气阀（24），所述气泵（23）的出气口与绑带（2）的进气口相连；所述绑带（2）与气压传感器（25）连通；
所述脉搏传感器（22）的信号输出端通过导线与第一数据交换端口（14）相连，所述第一数据交换端口（14）的信号输出端依次连接信号去噪模块（31）、AD转换模块（32）后与微控制器（16）的信号输入端相连；
所述气泵（23）和气阀（24）的控制端通过导线与第二数据交换端口（15）相连，所述气压传感器（25）的信号输出端通过导线与第二数据交换端口（15）相连；
所述蓝牙通信模块（18）通过无线网络与上位机（3）无线连接；
所述采集装置（1）的背面还设置有电源模块（41），所述电源模块（41）与微控制器（16）的电源输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种多路脉搏信号采集控制系统，其特征在于：所述微控制器（16）内部使用的芯片为控制芯片U1，所述控制芯片U1的型号为STM32F103C8，所述微控制器（16）的电路结构为：
所述控制芯片U1的1脚、9脚、24脚、48脚与3.3V电源相连；
所述控制芯片U1的5脚串接晶振X1后与控制芯片U1的6脚相连；
所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚分别与信号去噪模块（31）相连；
所述控制芯片U1的13脚与气压传感器（25）的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的21脚与电阻R9的一端相连；
所述控制芯片U1的30脚、31脚与蓝牙通信模块（18）的输入端相连；
所述控制芯片U1的34脚、37脚与程序下载和调试端口相连；
所述控制芯片U1的42脚与气阀（24）的控制端相连；
所述控制芯片U1的43脚与气泵（23）的控制端相连；
所述控制芯片U1的44脚与电阻R8的一端相连，所述电阻R8的另一端并接电阻R9的另一端后接地。
3.根据权利要求2所述的一种多路脉搏信号采集控制系统，其特征在于：所述信号去噪模块（31）内部使用的芯片为放大器U2，所述放大器U2的型号为LM324，所述信号去噪模块（31）的电路结构为：
所述放大器U2的3脚并接电阻R19的一端后与电阻R18的一端相连，所述电阻R18的另一端接地；
所述放大器U2的2脚并接电容C14的一端后与电阻R17的一端相连，所述电阻R17的另一端与脉搏传感器（22）的信号输出端相连；
所述放大器U2的4脚与5V电源相连；
所述放大器U2的1脚并接电阻R19的另一端后与微控制器（16）的输入端相连。
4.根据权利要求3所述的一种多路脉搏信号采集控制系统，其特征在于：所述气泵（23）和气阀（24）的电路结构为：
所述控制芯片U1的43脚与电阻R13的一端相连，所述电阻R13的另一端与三极管D3的基极相连，所述三极管D3的集电极接地，所述三极管D3的发射极并接二极管D1的正极后与气泵控制端口的1脚相连，所述二极管D1的负极并接气泵控制端口的2脚后接3.3V电源；
所述控制芯片U1的42脚与电阻R14的一端相连，所述电阻R14的另一端与三极管D4的基极相连，所述三极管D4的集电极接地，所述三极管D4的发射极并接二极管D2的正极后与气阀控制端口的1脚相连，所述二极管D2的负极并接气阀控制端口的2脚后接3.3V电源。
5.根据权利要求4所述的一种多路脉搏信号采集控制系统，其特征在于：所述气压传感器（25）内部使用芯片为传感芯片U3，所述传感芯片U3的型号为MPX5050，所述气压传感器（25）的电路结构为：
所述传感芯片U3的2脚接5V电源；所述传感芯片U3的3脚接地；所述传感芯片U3的4脚与控制芯片U1的13脚相连。
6.根据权利要求5所述的一种多路脉搏信号采集控制系统，其特征在于：所述电源模块（41）内部使用的芯片为充电芯片U4、电压转换芯片U5、稳压器U6；所述充电芯片U4的型号为TP4056，所述电压转换芯片U5的型号为HT7750SA，所述稳压器U6的型号为AMS1117。
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