CN113520338A - 一种低功耗脉搏信号采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种低功耗脉搏信号采集装置，属于低功耗脉搏信号采集技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种低功耗脉搏信号采集装置硬件结构的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括采集机箱和采集器，采集机箱的正面设置有显示屏、指示灯、按键模块，采集机箱底部的一侧向外延伸设置有接线排，接线排具体安装在采集机箱内部的控制电路板上，采集机箱的背面还设置有电源控制模块，控制电路板上分别集成有微控制器和数据通信模块，微控制器通过导线分别与上述功能模块相连；所述采集器具体为空心管状结构，在采集器的表面包裹有一层变形材料，在采集器中填充有气囊，气囊的一侧开有进气孔；本发明应用于脉搏信号采集场所。

Description

一种低功耗脉搏信号采集装置

技术领域

本发明一种低功耗脉搏信号采集装置，属于低功耗脉搏信号采集技术领域。

背景技术

脉搏是由心脏搏动引起的，它能实时反应人体健康状态，中医一般都是通过手指把脉来获取脉搏信息，目前读取脉搏信息、将脉搏信息转换为健康状态均依赖医生的把脉经验，在这个过程中依赖人的主观性将存在很大的不确定性，尤其对脉搏跳动时产生的胀压感把握存在很大误差，对于不同把脉人在相同或不同时间，或对于相同把脉人在不同时间内都有可能得到完全不同的把脉结论。

随着现代传感器技术的快速发展，人们急切期望将现代技术应用于脉象诊断，在这个量化过程中，主要依靠各类传感器及数据处理解析得到精确的数据，将其应用于脉搏信号采集能够有效提高把脉效果，但目前市面上能够使用的信号采集产品均存在不同程度的缺陷，主要体现在脉搏采集方式、脉搏压力检测、数据采集和传输、装置供电等方面，这些缺陷都将或多或少影响脉搏信号采集效率和精确程度，因此有必要对产品内部相应功能模块的结构进行彻底和针对性改进。

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：提供一种低功耗脉搏信号采集装置硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种低功耗脉搏信号采集装置，包括采集机箱和采集器，所述采集机箱的正面设置有显示屏、指示灯、按键模块，所述采集机箱底部的一侧向外延伸设置有接线排，所述接线排具体安装在采集机箱内部的控制电路板上，所述采集机箱的背面还设置有电源控制模块，所述控制电路板上分别集成有微控制器和数据通信模块，所述微控制器通过导线分别与显示屏、指示灯、按键模块、接线排、电源控制模块、数据通信模块相连；

所述采集器具体为空心管状结构，在采集器的表面包裹有一层变形材料，在采集器中填充有气囊，所述气囊的一侧开有进气孔，进气孔外侧连接进气管与电子气泵相连，所述电子气泵的内部设置有气泵气阀控制模块，在采集器的内侧面平均分布设置有多个压力传感器；

所述接线排的外侧通过导线分别与气泵气阀控制模块、压力传感器相连。

所述采集机箱的顶部还设置有提手，所述采集器具体安装在支架上。

所述数据通信模块还向外延伸有天线，所述天线具体安装在采集机箱的顶部；

所述数据通信模块具体通过无线网络与多个手机无线连接。

所述微控制器内部使用的芯片为控制芯片U1，型号为STM32F103，所述微控制器的电路结构为：

所述控制芯片U1的5脚和6脚分别与晶振X1相连；

所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚分别与压力传感器相连；

所述控制芯片U1的13脚与气泵气阀控制模块的控制端相连；

所述控制芯片U1的14脚、15脚、18脚、19脚、20脚分别与电源控制模块相连；

所述控制芯片U1的21脚串接电阻R3后接地，所述控制芯片U1的44脚串接电阻R2后接地；

所述控制芯片U1的17脚、29脚、30脚、31脚分别与数据通信模块相连；

所述控制芯片U1的41脚、45脚、46脚分别与指示灯的控制端相连；

所述控制芯片U1的42脚、43脚分别与气泵气阀控制模块的信号输入端相连。

所述电源控制模块内部使用的芯片为电源管理芯片U2、U3，所述电源管理芯片U2的型号为FM3209F，所述电源管理芯片U3的型号为AMS1117；

所述数据通信模块的型号为EW-01蓝牙通信芯片。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种低功耗可视化脉搏采集装置，可以将人体脉搏信号变化显示在手机上，为医生的诊断提供帮助，为后期的脉型识别分类提供了技术支持，该采集装置基于对电源模块、显示屏、远程通信等模块的改进，能够实现低功耗、可视化、远程操作等功能，将其作为单独的脉搏采集产品，可以方便用户在家中就能完成自己脉搏信号的提取，并将其远程发送至医生的手机中，完成远程诊断，有效提高诊脉的效率和精确程度。

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为本发明微控制器的电路图；

图4为本发明电源控制模块的电路图；

图5为本发明数据通信模块的电路图；

图6为本发明指示灯的控制电路图；

图7为本发明气泵气阀控制模块的电路图；

图8为本发明压力传感器的电路图；

图9为本发明微控制器内部AD转换模块的电路图；

图10为本发明气压传感器电路和气压与检测汞柱的比例图；

图11为本发明的工作流程图；

图12为本发明实验测试波形信号的效果图；

图中：1为采集机箱、2为采集器、3为显示屏、4为指示灯、5为按键模块、6为接线排、7为电源控制模块、8为微控制器、9为数据通信模块、11为提手、12为支架、13为天线、14为手机、21为气囊、22为进气管、23为电子气泵、24为气泵气阀控制模块、25为压力传感器。

具体实施方式

如图1至图12所示，本发明一种低功耗脉搏信号采集装置，包括采集机箱1和采集器2，所述采集机箱1的正面设置有显示屏3、指示灯4、按键模块5，所述采集机箱1底部的一侧向外延伸设置有接线排6，所述接线排6具体安装在采集机箱1内部的控制电路板上，所述采集机箱1的背面还设置有电源控制模块7，所述控制电路板上分别集成有微控制器8和数据通信模块9，所述微控制器8通过导线分别与显示屏3、指示灯4、按键模块5、接线排6、电源控制模块7、数据通信模块9相连；

所述采集器2具体为空心管状结构，在采集器2的表面包裹有一层变形材料，在采集器2中填充有气囊21，所述气囊21的一侧开有进气孔，进气孔外侧连接进气管22与电子气泵23相连，所述电子气泵23的内部设置有气泵气阀控制模块24，在采集器2的内侧面平均分布设置有多个压力传感器25；

所述接线排6的外侧通过导线分别与气泵气阀控制模块24、压力传感器25相连。

所述采集机箱1的顶部还设置有提手11，所述采集器2具体安装在支架12上。

所述数据通信模块9还向外延伸有天线13，所述天线13具体安装在采集机箱1的顶部；

所述数据通信模块9具体通过无线网络与多个手机14无线连接。

所述微控制器8内部使用的芯片为控制芯片U1，型号为STM32F103，所述微控制器8的电路结构为：

所述控制芯片U1的5脚和6脚分别与晶振X1相连；

所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚分别与压力传感器25相连；

所述控制芯片U1的13脚与气泵气阀控制模块24的控制端相连；

所述控制芯片U1的14脚、15脚、18脚、19脚、20脚分别与电源控制模块7相连；

所述控制芯片U1的21脚串接电阻R3后接地，所述控制芯片U1的44脚串接电阻R2后接地；

所述控制芯片U1的17脚、29脚、30脚、31脚分别与数据通信模块9相连；

所述控制芯片U1的41脚、45脚、46脚分别与指示灯4的控制端相连；

所述控制芯片U1的42脚、43脚分别与气泵气阀控制模块24的信号输入端相连。

所述电源控制模块7内部使用的芯片为电源管理芯片U2、U3，所述电源管理芯片U2的型号为FM3209F，所述电源管理芯片U3的型号为AMS1117；

所述数据通信模块9的型号为EW-01蓝牙通信芯片。

本发明在对信号采集装置设计时，以低功耗、可视化、操作方便为目的，装置包括采集仪外壳，绑带气囊以及壳内硬件电路部分，应用程序显示部分，所述外壳可以将绑带进行固定，并将电路板、气泵、气阀、电量指示灯进行集成，所述绑带的内部还安装有柔性电路板，该电路板上设置有专用的压力传感器带，用于捕获脉搏信号，上述硬件电路中具体设置有电源管理、脉搏信号处理、信号传输、工作开关等控制模块。

本发明在壳体中内置有经过专门设计的电源充放电控制模块，控制模块具体生成两路电压，向主控芯片、蓝牙模块、气泵、气阀、传感器提供3.3V电压，向开关灯、气压传感器提供5V电压，还包括3.8V锂电池充放电与电量监测。

在电源控制模块中，所述电源管理芯片U2的1脚与电源开关相连，芯片U2的2脚并接电阻R4的一端、电感L1的一端后与电容C7的一端相连，芯片U2的3脚并接电容C7的另一端后接地，芯片U2的4脚并接电容C6的一端、电阻R4的另一端后与电池相连，芯片U2的5脚并接芯片U2的6脚、电容C9的一端、电容C8的一端后与电感L1的另一端相连，芯片U2的7脚分别并接芯片U2的8脚、电阻R7的一端、电阻R31的一端、电容C11的一端、电容C10的一端、电容C9的另一端、电容C19的一端、电容C18的一端后与芯片U3的3脚相连，所述芯片U3的2脚并接芯片U3的4脚、电阻R20的一端、电容C16的一端、电容C17的一端后与3.3V电源输出端相连，所述电阻R20的另一端与电源灯相连，所述电阻R7的另一端并接电阻R31的另一端后与场效应管Q6的漏极相连，所述场效应管Q6的栅极串接电阻R29后与微控制器相连；所述芯片U2的9脚并接电容C13的一端、电阻R5的一端、电阻R6的一端后与VCC电源输出端相连，所述芯片U2的11脚至14脚分别串接相应电阻后与微控制器相连。

上述电源模块的结构相比于常见的电源模块主要在电路中增加一个场效应管Q6，因为选用的电源管理芯片FM3209F，此芯片有个缺点是在电池供电时负载电流小于50mA会30S自动断电，因此为了保证持续供电同时在输出引脚VOUT处加入R7、R31两个100欧电阻和场效应管Q6，当用Type-C供电时场效应管不工作；电池供电时，为了降低功耗，程序每10秒控制B5端使场效应管导通一次，电阻R7和电阻R31工作，实现当电流大于50mA时电池持续供电，而其余时间这两电阻不工作，可以减小功耗；本系统在充电口上的设计采用夹板型的Type-C口，采用此类比贴片式充电口优点是固定牢固，不易在多次插拔后造成充电口松动或脱落。

如图4所示，本发明通过对电源模块进行改进，使得该控制电路特点是LED灯不仅可以显示电池电量还能显示程序运行状态，电池电量监测是通过FM3209FLED1、2、3、4脚与CPU的B1、B2、B3、B4脚相连，一个脚代表25%电量，CPU对这四个脚进行ADC采集，数值大于1000，代表电池有电，CPU控制指示灯亮，指示灯还有另一个作用就是显示程序运行状态，当系统开始采集脉搏时，微控制器CPU停止对电池电量的ADC采集，LED灯全灭，等到第一次加压时LED4闪烁，其余灯灭，第二次加压LED5闪烁其余灭，第三次加压LED6闪烁其余灭，完成采集后，微控制器CPU再次监测电池电量。

如图9所示，本发明在微控制器内部还集成有信号的预处理电路，具体在脉搏信号转换为数字信号之前，需要通过预处理电路去除信号噪声干扰，由于人体脉搏信号的频率一般处于0.5-20HZ的取值之间，因此在电路中另外设置一套有源二阶低通滤波电路，在滤波电路中，电阻R17=R19=68k，电容C14=C15=100nf，电阻R20=51k，电阻R18=30k，基于该元器件参数可计算低通滤波器的截止频率和放大倍数分别为：

；

如图3所示，本发明设计微控制器的最小系统电路结构主要包括复位电路、时钟电路、调试接口电路、启动模式选择电路；在本设计方案中采用阻容复位方式实现系统复位，系统时钟由外部高速时钟HSE通过内部锁相环PLL倍频输出获得，微处理器的启动方式通过BOOT0和BOOT1高低电平控制设置为内部FLASH启动，电路图中的电容C1、C2、C3、C4均为去耦电容，可在系统工作时减少控制器电源电压波动。

如图8所示，本发明采用的脉搏信号检测电路，需要针对脉搏采集模块进行改进，经过综合考虑，本发明实际采用SC0073-B压力型传感器作为腕部脉搏波信号获取的传感单元，在实际装配过程中，传感器U6、U7、U8具体利用FPC柔性电路板同时集成于腕带内部，传感器电源线与信号线通过柔韧性较好的排线连接于主电路板。

如图7所示，本发明需要至少采集三次不同压力下的脉搏值，微控制器CPU具体通过采集到的三次气压传感器的值从而控制气泵对气囊进行三次加压，本发明为了节约成本选取了国产XGZP6847A型传感器模块，该模块尺寸小、易安装、稳定性好，默认工作电压为5V，气压监测为0-40Kpa，经实际检测气压与汞柱成正比关系，气压传感器电路和气压与汞柱比例图如图10所示。

又由于主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气泵与气阀的控制，该控制电路采用PNP型三极管实现气泵气阀工作状态控制，当B6端为高电位时Q1截止，气泵停止工作，当B6端为低电位时Q1导通，气泵开始工作，对气囊进行鼓气。气阀工作过程与气泵相同，电路中的D1、D2为续流二极管，气泵气阀均为感性负载，当气泵气阀突然启动或者停止工作时，气泵气阀两端会产生突变电压，对器件造成损坏，安装二极管D1、D2可以使感性负载电流平稳变化，避免突波电压的发生。

本发明使用的STM32F103C8T6微处理器拥有2个12位逐次逼近型模数转换器，合计12路通道，最大的转换速率为1Mhz，各个通道的A/D 转换可以设置为不同模式如单次、连续、扫描或间断模式执行，A/D转换的结果数据可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中，此外，模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高低阀值，因此，主控制器自带的模数转换器可以较好的满足设计的硬件资源需求。本系统设计中，选用ADC1第0通道、ADC2第1通道、ADC1第2通道、ADC2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以及气压传感器的信号转换。

如图5所示，系统装置在工作的过程中将采集到的模拟脉搏波信号转换为数字信号，主控制器对脉象数据进行处理后通过蓝牙将数据传送给手机，具体实现为主控制器串口连接EW-01蓝牙模块，该蓝牙模块基于Nordic方案，支持蓝牙4.2、5.0BLE协议栈。

该数据通信模块具有性能良好、功耗低、接收灵敏度高、传输距离远、支持 UART/I2C/SPI 通讯协议、接口齐全等优点。该模块由3.3V电源供电，传统蓝牙供电为5V，功耗较小，EW-01 模块低功耗部分，由模块内部自动控制，空闲状态自动进入休眠状态，休眠状态平均功耗可低于3ua，模块的默认状态是以 100ms 间隔持续广播，该模块属于透传模块，不能直接使用，因此又设计了底板，底板外接一个状态指示灯LED1，引脚是P0.17，默认低电平表示已经连接，高电平连接断开。

本发明设置脉搏信号采集装置在工作时，打开装置，通过操作手机内微信小程序连接蓝牙，对蓝牙发送指令，控制装置开始工作，依次执行：脉搏信号采集、气泵三次加压、气阀放气、数据的传输返回，小程序波形显示，其工作流程图如图11所示，在实际测量脉搏压力的过程中，得到的脉搏力度与时间关系图如图12所示。

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、相互间连接方式以及，由上述技术特征带来的常规使用方法、可预期技术效果，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专利、期刊论文、技术手册、技术词典、教科书中已公开内容，或属于本领域常规技术、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 (5)

1.一种低功耗脉搏信号采集装置，包括采集机箱（1）和采集器（2），其特征在于：所述采集机箱（1）的正面设置有显示屏（3）、指示灯（4）、按键模块（5），所述采集机箱（1）底部的一侧向外延伸设置有接线排（6），所述接线排（6）具体安装在采集机箱（1）内部的控制电路板上，所述采集机箱（1）的背面还设置有电源控制模块（7），所述控制电路板上分别集成有微控制器（8）和数据通信模块（9），所述微控制器（8）通过导线分别与显示屏（3）、指示灯（4）、按键模块（5）、接线排（6）、电源控制模块（7）、数据通信模块（9）相连；

所述采集器（2）具体为空心管状结构，在采集器（2）的表面包裹有一层变形材料，在采集器（2）中填充有气囊（21），所述气囊（21）的一侧开有进气孔，进气孔外侧连接进气管（22）与电子气泵（23）相连，所述电子气泵（23）的内部设置有气泵气阀控制模块（24），在采集器（2）的内侧面平均分布设置有多个压力传感器（25）；

所述接线排（6）的外侧通过导线分别与气泵气阀控制模块（24）、压力传感器（25）相连。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗脉搏信号采集装置，其特征在于：所述采集机箱（1）的顶部还设置有提手（11），所述采集器（2）具体安装在支架（12）上。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗脉搏信号采集装置，其特征在于：所述数据通信模块（9）还向外延伸有天线（13），所述天线（13）具体安装在采集机箱（1）的顶部；

所述数据通信模块（9）具体通过无线网络与多个手机（14）无线连接。

4.根据权利要求1所述的一种低功耗脉搏信号采集装置，其特征在于：所述微控制器（8）内部使用的芯片为控制芯片U1，型号为STM32F103，所述微控制器（8）的电路结构为：

所述控制芯片U1的5脚和6脚分别与晶振X1相连；

所述控制芯片U1的10脚、11脚、12脚分别与压力传感器（25）相连；

所述控制芯片U1的13脚与气泵气阀控制模块（24）的控制端相连；

所述控制芯片U1的14脚、15脚、18脚、19脚、20脚分别与电源控制模块（7）相连；

所述控制芯片U1的21脚串接电阻R3后接地，所述控制芯片U1的44脚串接电阻R2后接地；

所述控制芯片U1的17脚、29脚、30脚、31脚分别与数据通信模块（9）相连；

所述控制芯片U1的41脚、45脚、46脚分别与指示灯（4）的控制端相连；

所述控制芯片U1的42脚、43脚分别与气泵气阀控制模块（24）的信号输入端相连。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗脉搏信号采集装置，其特征在于：所述电源控制模块（7）内部使用的芯片为电源管理芯片U2、U3，所述电源管理芯片U2的型号为FM3209F，所述电源管理芯片U3的型号为AMS1117；

所述数据通信模块（9）的型号为EW-01蓝牙通信芯片。

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