基于AVR及无线收发模块的脉搏监测系统设计毕业设计论文.docx

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基于AVR及无线收发模块的脉搏监测系统设计毕业设计论文

摘要

随着人们生活的水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。

要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的,这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。

而脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最可靠的信息源，是反映人体健康状况的重要窗口，而对脉搏的提取速度又快，因此利用脉搏信号快速的发现病因也是一个有效的方法。

本课题采用嵌入式与无线通讯技术，提出处理脉信号的新方案,即采集及处理与无线发送部分（前端系统）+无线接收与PC机显示部分（后端系统）。

前端系统主要负责脉搏信号的采集和初步处理并发送，能够单独工作；通过无线接收和串口接口连接到PC机上显示，后端系统主要负责跟踪显示由前端系统传递来的信号。

正是有了无线接收模块的作用，使得系统具备了远程监测的能力。

本文论述了课题研究的现状和意义以及设计方案；介绍了主要的芯片的原理和他们的使用方法；阐述了硬件设计与软件设计方案；说明了相应软件的流程和方法，并解说了相应硬件与软件的调试。

最后对所做的工作进行了分析和总结，指出了系统涵待改进和提高的地方，展望了系统今后的发展方向。

关键词:

嵌入式系统;无线收发模块;串口;传感器

Abstract

Withpeople'sliveshasimprovedcontinuously,lifestyle,thechangingstructureofdiet,habitschangeandthehightempooflifehasledtohypertension,coronaryheartdiseaseandothercardiovasculardiseasesbecamecommondiseasesandfrequently-occurringdisease.Topreventandreducehypertension,coronaryheartdiseasesuchcardiovasculardiseasetotheserioushumanhealthhazards,effectivediagnosisandtreatmentofthedrymethodandequipment,rapidonsetoftreatmentmethodsareveryimportant,thesearepreciselythecurrentThebroadmassesofmedicalexpertsareworkingtogetherthefocusofthestudy.Thepulseofhumanactivitiesisthemostimportantandmostsensitiveandmostreliablesourceofinformation,toreflectthehealthstatusofanimportantwindowonthepulseofthefastspeedofextraction,useofrapidpulsesignalsthatcauseisalsoaneffectivemethod.

Theissuewiththeuseofembeddedwirelesstechnology,networksignalprocessingbythenewprogramme,acquisitionandprocessingandwirelesstransmitterpart（front-endsystems）+wirelessreceiverandPCrevealedthatsomeof（back-endsystems）.Front-endsystemismainlyresponsibleforthesignalpulseofthecollectionandinitialprocessingandsendtoseparateworkandawirelessreceiverconnectedtotheserialinterfaceonaPC,back-endsystemismainlyresponsibleforthetrackingsystemshowsthatthefrontendtothetransmissionsignal.Itispreciselybecauseoftheroleofthewirelessreceivermodules,makingtheremotemonitoringsystemhastheability.

Thisarticlediscussestheissueofthestatusandsignificanceofresearchanddesignprogrammes;Onthemainchipandtheprincipleoftheuseoftheirmethodsonthedesignofhardwareandsoftwaredesign;notethecorrespondingsoftwareprocessesandmethodologiesandexplainthecorrespondinghardwareandsoftwaredebugging.Finally,theworkdonebyananalysisandconcludedthattheculvertsystemtobeimprovedandincreasedlocalandlookingforwardtothesystem'sfuturedevelopmentdirection.

Keywords:

Embeddedsystems;wirelesstransceivermodule;Serial;sensor

引言

当今在医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。

运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。

用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。

人体脉搏系统是心血管系统的重要组成部分，它是人体输送养料、传递能量和传播各种生理病理信息的重要途径，脉搏包含有丰富的人体健康状况信息。

研究脉搏信息无论是在中医还是西医中都具有重要的临床诊断价值和实用意义。

计算机是现代先进的高速运算和控制工具，因此计算机技术在脉搏研究方面有着其内在的必然性。

利用计算机灵敏的反映、快速的计算、数据存储能力、以及高分辨率的显示设备等功能和优势，使得对脉搏的处理更加准确和有效。

因为脉搏检测是带有我国中医特色和独有的生物信号检测技术，因此开发研制这样的监测仪器，可以同时满足医、患两方面的需求。

根据对它的特点的分析，预计它的用途将是非常广泛的，特别是如果加有其他的措施之后，如加上自我分析能力部分，它就有着非常明显的社会效益与经济效益，主要体现在以下几个方面:

临床诊断、早期诊断、同步监测、指导用药、中医脉象原理的研究。

本课题结合理论研究和具体实践的基础上，对于嵌入式脉搏检测系统的硬、软件和算法作了一些有意义的研究和探讨，提出了一种新的脉搏检测和分析的系统方案。

即采用前端嵌入式+后端系统的结构，前端嵌入式系统负责脉搏信号的采集与初步处理，后端系统进行显示。

前端和后端系统通过无线收发模块CC1100进行通讯。

整个监控系统采用无线收发模块与最小系统，这样传递速度快，系统结构也简单。

被监控点实时采集的数据通过无线网络通信及时地传输给上位机的PC机，实时动态地反映被监测点的情况。

不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

1课题现状及研究意义

课题现状

现代社会，人们生活水平不断提高，生活方式、饮食结构不断改变，习惯的变化和高节奏的生活导致了高血压、冠心病等心血管疾病成为常见病与多发病。

据统计，目前我国城市人口中每5个成年人中就有1个不同程度的患有心血管方面的疾病。

源于心脏与循环系统的不健康而导致的心肌梗塞、脑卒中、碎死等恶性后果时有发生，而且发病率逐年提高，发病年龄也呈下降趋势。

中国每年有100万人死于脑卒中，并且有更多的人致残。

特别是在最近，中国、日本和新西兰研究人员发现高血压是东方人脑卒中的主要原因。

要避免和减少高血压、冠心病这类心血管疾病给人类健康带来的严重危害，有效的旱期诊断治疗方法和设备，快速的发病后的救治手段都是非常重要的，这些也正是当前广大医学界专家正在共同努力研究的重点。

医学领域中，生物医学参数的测试研究是医学界和工程技术界都很关心的新兴学科。

运用近代传感器测试技术来解决临床诊断及实验室研究多种参数的计量检测，无论对于临床诊断与监护还是对于医学基础研究，都具有极其重要的价值和意义。

用传感器测试技术来对脉搏信息进行定量分析，是目前国内外医学专家普遍关注的课题之一。

近年来日本、美国等国家的医生、学者在医学研究、针灸研究中设计了一些脉象客观描记仪器或装置，例。

这些仪器的主要功能是描记脉象波形，是用作临床观察脉象变化的工具。

但是这些仪器装置大多数没有形成产品，也没有见到广泛临床应用的报道。

其中比较有代表性的仪器有美国医学博士John.H.研制的一种针灸临床用的新型无创脉波记录仪，日本的田口贤辉发明的一种“压力、脉搏测定装置”、日本的代田文彦设计了一种“局部加压型可偿还脉装置”、日本Colin公司研制的一种CBM一3000/2000型挠动脉脉波检测仪以及日本Sony公司曾经推出的一种利用三个驻体微音器作为脉波传感元件的脉波检测仪等等。

而虽然目前己有的心血管诊疗仪器设备多种多样，例如:

比较成熟的技术有心电图检测.x光透视、CT扫描检查、核磁共振、静脉数字减影造影等，还有目前临床应用较多的:

超声心动图、放射性核素心血管造影（核素显像）、心电机械图、阻抗心动图和阻抗微分波图等，但这些手段要么操作复杂、费用昂贵，不容易反复进行检查，要么获得的诊断指标过少，对确诊疾病作用有限，特别是当要全面了解对病人诊断治疗非常重要的心脏血流动力学情况时，大部分体外检测仪器都无能为力了，目前临床只能采取体内插入式导管的检测方法，但这种方法对病人是有着非常大的创伤和风险的，而且要求实施的意愿有相当高的技术与设备条件等等问题。

研究意义

脉搏是常见的生理现象，是心脏和血管状态等重要生理信息的外在反映;因此，脉搏检测不仅为血压测量、血流测量及其他生理检测提供了生理参考信息，而且脉搏波本身也能给出许多有诊断价值的信息。

中医脉象诊断技术就是脉搏测量技术在中医诊断上的卓有成效的应用。

采用传感器检测脉搏，可较客观地得到尽可能多的信息，更因为此法对人体无创伤，且使用方便，易于被人们接受。

此外，近百年来，现代医学科学充分利用基础学科及有关技术的进步而发展迅速，形成了现代科学的一部分。

而祖国医学由于历史的和社会的诸多原因，没有充分利用现代科学的种种条件，尽管有合理的内涵和丰富的经验却一直停留在古代的形势和方法上。

整个祖国医学如此，脉学当然亦不例外，所以，利用现代最新科学手段进行有关现代化的脉诊研究探索是一项必须的工作。

而脉诊的前提是能有效提出脉搏信号的情况下。

所以对脉搏的提取医疗工作的前提。

本课题采用光电传感器提取脉搏信号，用嵌入式处理脉搏信号，通过无线收发模块（CC1100）远距离传送,并在PC机上显示.这样就既能减少对人体的创伤的同时，也能远距离并可以在PC机上监视，形成能远程监测人体脉搏的系统，为医生的研究提供一个有效的数据基础。

2方案论证

2.1方案选择

要选择合理的方案，之前就应该知道要测量这个物体的特点，这样才能有准确的处理方案。

因此在选择方案之前就先来了解一下脉搏信号的特点。

脉搏信号具有如下具体特点:

信号弱、干扰强

由于脉搏信号属于主动信号，其信号源不可触及，一般来说，信号幅度很小，大约是微伏到毫伏的数量级范围。

因此，极容易引入干扰，这些干扰有来自50Hz的工频干扰，有来自肌体动作、精神紧张带来的假象信号等。

因为生物体的各部分是不可分割、相互影响的，因此，研究一个系统时，来自另一个系统的信号有可能成为噪声，而且这种噪声有时可能比所需的信号强得多。

频率低

人体脉搏信号频率较低，属次声波，其频谱主要分布在0-4Hz之间。

变异性

脉搏信号的变异性来自脉搏系统的变异性，这是由于人体生命过程具有一种借助自身内在的调节机制以适应环境变化的能力，因此，表现在不同的疾病会具有不同的脉搏信号（即脉象），相同的疾病在不同人身上也会表现出不同的脉象，同一个人的同一疾病在不同时期也会出现不同的脉象，同类脉象在不同病症之间也略有差异。

对于脉搏信号的特点，可以知道，选择测量传感器对脉搏信号的提取最为关键，以下是几种可测量脉搏信号的传感器：

1、压力传感器：

用压力传感器采集脉搏信号，原理是将脉搏跳动产生的力通过传感器转化为电信号。

他的特点是跳动的脉搏信号要强，如果跳动信号弱，那么传感器可能不能有效的反映出脉搏信号。

要么就提高传感器的精度，大家都知道提高一个器件的精度的代价是什么样，而且使用时要用东西把他固定住，这也使得使用起来比较麻烦。

2、光电传感器：

用光电传感器采集脉搏信号，原理是吸收红外线穿透血管时血液浓度的改变而导致红外线强度的改变使红外线吸收传感器产生电信号的变化来反映脉搏的变化。

无论要测量的部位是否有强度的脉搏信号的跳动，他基本都没受到干扰，只要有血液浓度的变化就能导致电信号的改变。

在体育方面测量，用的脉搏测量大致有指脉和耳脉二种方式。

这二种测量方式各有优缺点，指脉测量比较方便、简单，但因为手指上的汗腺较多，指夹常年使用，污染可能会使测量灵敏度下降；耳脉测量比较干净，传感器使用环境污染少，容易维护。

但因耳脉较弱，尤其是当季节变化时，所测信号受环境温度影响明显，造成测量结果不准确。

对一般测量，本课题采用指脉的测量方式，第一，可以简便快速的测量；第二，考虑到性价比。

对指脉的测量有两种方法;光电容积法和阻抗容积法。

这两种方法都是采用光电传感器从人体指尖上获取脉搏波。

光电传感器有两种类型，即透射型和反射型。

透射型是指光源和光电接收器分别位于被测手指的上下两侧，它是利用肌肉比较容易透射光线，而血液对光线有选择吸收作用的原理制成。

光源用红色发光二极管置于指尖上方，光电接收器用光敏三极管或者光敏二极管置于指尖下方。

发光二极管发出的光线透过指尖被光敏只极管接收，手指指尖血管血液容积在血液循环过程中呈现博动性变化，于是光敏三极管或者光敏二极管获得的信号便反映了手指动脉血液容积搏动变化的情况，光敏三极管的输出信号呈现周期性变化，经放大后即得到周期性变化的指尖脉搏波信号。

如图2.1.1所示。

反射型是指光源和光电接收器同置于被测指尖的下方，并靠在一起，发光二极管发出光纤，光敏三极管对血压变化所引起的光线发射率变化做出响应，经过相似的处理后也可以得到周期性变化的指尖脉搏波信号。

如图2.1.2所示。

本课题采用透射式探头。

2.2系统框图

系统框图如下图2.2.1所示

3主要芯片介绍

3.1光电传感器

BPW83型红外接收二极管和IR333型红外发射二极管工作波长都是940nm，在指夹中，红外接收二极管和红外发射二极管相对摆放以获得最佳的指向特性。

红外发射二极管中的电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大。

3.2Atmega8515

ATmega8515是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8515的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega8515有如下特点8K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，512字节SRAM，一个外部存储器接口，35个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，两个具有比较模式的灵活的定时器计数器（T/C）片内外中断，可编程串行USART，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及三个可以通过软件进行选择的省电模式。

工作于CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。

他具有一整套的编程与系统开发工具，包括：

C语言编译器、宏汇编、程序调试器软件仿真器、仿真器及评估板。

ATmega8515除有AT90S4414/8515的所有特性外，还有一些新的特性。

ATmega8515基本上对AT90S4414/8515向下兼容。

但两者间还会存在不兼容的问题。

可通过对AT90S4414/8515的S8515C熔丝位编程，选择兼容模式来解决该问题，ATmega8515引脚与AT90S4414/8515引脚100%兼容，也可在电路印刷板上替换AT90S4414/8515，但二者的熔丝位位置及电气特性间存在差异。

ATmega8515的引脚结构如图3.2.1所示：

图3.2.1ATmega8515引脚

他的I/O口以及第2功能跟MCS-51系列单片机是差不多的，但是它比MCS-51系列更能节省能量而且他的运算速度也更快。

AVR系列的内部结构如图3.2.2所示：

图3.2.2AVR内部结构图

为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard结构，具有独立的数据和程序总线。

程序存储器里的指令通过一级流水线运行。

CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令在本文称为预取。

这个概念实现了指令的单时钟周期运行。

程序存储器是可以在线编程的Flash。

快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。

从而实现了单时钟周期的ALU操作。

在典型的ALU操作中，两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。

整个过程仅需一个时钟周期。

寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据实现高效的地址运算。

其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。

这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。

ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。

ALU也可以执行单寄存器操作。

运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。

程序流程通过有无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址大多数指令长度为16位，亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。

程序空间存储器分为两个区，程序存储器（Boot区）和应用程序区。

这两个区都有专门的锁定位以实现读和读写保护。

用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。

在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器（PC）保存于堆栈之中。

堆栈位于通用数据SRAM，因此其深度仅受限于SRAM的大小。

在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。

这个指针位于I/OSRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。

AVR存储器空间为一线性的平面结构：

AVR有一个灵活的中断模块。

控制寄存器位于I/O空间，状态空间有全局中断使能位。

每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。

各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关，中断向量地址越低，优先级越高。

I/O存储器64个可以直接寻址的地址，作为CPU外设的控制寄存器、SPI，以及其他I/O功能。

映射到数据0x20-0x5F。

I/O口介绍：

端口A（PA0……PA7）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。

端口B（PB0……PB7）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。

端口B第二功能如下：

端口C（PC0……PC7）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。

端口D（PD0……PD7）为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。

端口D第二功能如下：

端口E（PE0……PE2）为3位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。

其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。

作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。

在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口E处于高阻状态。

端口E第二功能如下：

/RESET复位输入引脚。

持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。

门限时间见P42Table18。

持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠复位。

XALT1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。

XATL2反向振荡放大器的输出端。

3.3无线收发模块

无线收发模块采用由ETC公司生产的CC1100芯片，这个芯片的特点是：

CC1100是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。

电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348MHz、400-464MHz和800-928MHz的其他频率。

RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。

这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。

通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。

CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。

CC1100的主要操作参数和64位传输/接收FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口控制。

在一个典型系统里，CC1150和一个微控制器及若干被动元件一起使用。

基于0.18微米CMOS晶体的Chipcon的SmartRF04技术。

主要特性：

体积小（QLP4×4mm封装，20脚）