摘要：设计了一种基于虚拟仪器的心率监测系统。该系统由STC12C5A60S2单片机最小系统、心率传感器与上位机组成。STC12C5A60S2单片机具有片内AD转换器，可以直接采集心率传感器输出信号，并通过串口发送测量数据至上位机。在上位机利用虚拟仪器设计软件LABVIEW对采集的信息进行实时处理，实现心率的实时测量、心跳波形的实时显示及数据存储。该监测系统体积小，功耗低，能对心电信号实时显示和存储，适合家庭使用，对心血管疾病的预防和长期监护具有重要意义。
关键词：单片机；虚拟仪器；心率监测；光电脉搏传感器
随着生活水平的提高，家庭保健受到了越来越多地关注。心脏病是危害人类健康的头号杀手，但心脏病的发作往往是随机的、短暂的，患者难以及时赶到医院进行心电检查，从而影响到病因的及时诊断。研发一种成本低、可靠性强、适合家庭使用的实时心率监测系统有着重要的意义[1-3]。本文提出了一种电路简洁可靠，使用方便的心率监测系统设计方案，可实时监测心率变化并利用上位机显示，极大地满足了实际使用需求与市场需要。
1 系统硬件方案设计
针对本课题任务，系统使用STC12C5A60S2单片机作为主控电路,并利用单片机片内10位高速ADC读取传感器测量信号。单片机与上位机间经由串口进行通信，仅占用两根管脚，大大节省了单片机I/O资源。上位机可设置波特率等信息，并能显示心跳波形及心率值。系统原理框图如图1所示[4]。
STC12C5A60S2单片机是深圳宏晶科技公司生产的增强型51单片机，完全兼容MCS-51指令，具有60K程序存储器，1280B数据存储器，4个定时器，4组8位并行I/O口。考虑到本设计需要使用串口功能，因此使用11.0592MHz外部晶振构成时钟电路，保证波特率精度。STC12C5A60S2单片机的A/D转换口与P1口复用，共8路10位高速A/D转换器,速度可达到250KHz(25万次/秒)，足以分辨每60秒内仅100次左右的心跳。设计中使用P1.0口作为心率传感器的A/D转换接口。片内AD转换器共涉及到8个相关寄存器，使用时可仅操作A/D转换控制寄存器ADC_CONTR、P1口特殊功能寄存器P1ASF、以及结果寄存器ADC_RES。其中A/D转换控制寄存器ADC_CONTR是使用片内ADC的关键。该寄存器共8位，用于设置ADC电源、转换速度、通道选择等，如表1所示。
图1 系统原理框图
表1 A/D转换控制寄存器
心率测量通过光电式脉搏传感器实现。脉搏主要由人体动脉舒张和收缩产生的，在人体指尖组织中的动脉成分含量高，且指尖厚度相对其他人体组织而言比较薄，透过手指后检测到的光强相对较大，因此光电式脉搏传感器的测量部位通常在人体指尖。在恒定波长光源的照射下，通过检测透过手指的光强可以间接测量到人体的脉搏信号，即可得到心率值。
2 软件设计
系统上电后，设置定时中断间隔，启动片内AD转换，启动串口通信。上位机经过串口向单片机发送检测阈值，单片机产生中断，在串口中断服务程序中向上位机发送心率数据。上位机使用LabVIEW软件进行程序设计。LabVIEW是一种图形化编程语言，功能强大，能够实时显示测量波形，十分适合本系统使用[5]。
2.1 主程序设计
在主程序中，首先进行定时器初始化、串口初始化以及ADC初始化，用于心跳周期测量、串口数据发送以及A/D转换。之后循环执行A/D转换，心率计算程序。其流程如图2所示。在进入串口中断服务子程序后，关闭串口中断，避免发送数据产生重复中断。依次发送AD值与心率值，发送完成后再次打开串口中断返回。定时器每1ms中断一次，中断服务函数中以计数变量计时，计数变量在心率测量函数中进行清零。
2.2 心率计算程序设计
心率计算使用测周法，即测量心跳波形周期，进而推算心率。心跳波形中每个周期会出现一高一低两个波峰，需进行过滤处理。具体方法是在上位机设定检测阈值，只有幅值大于阈值的波峰可被检测。下位机测量时，根据阈值自动滤掉较低的波峰，以较高的波峰为准测量周期。使用定时器定时并利用计数变量计算周期，第一次检测到波峰时开始计时，第二次检测到波峰时停止计时，便可得到心跳周期。心率计算公式：BPM= 60/T,其中BPM为心率值，T为心跳周期。心率计算程序流程图如图3所示。
图2 主程序流程图
图3 心率计算程序流程图
2.3 LabVIEW程序
本设计使用LabVIEW设计虚拟仪器来显示心跳波形、心率值以及串口波特率等信息。使用虚拟仪器省去了额外的人机交互设备，极大地降低了系统成本。本设计虚拟仪器界面如图4所示。设计中使用串口进行上位机与下位机通信，在Lab⁃VIEW程序中使用“VISA配置串口”进行串口配置，可设置：端口号、波特率、数据位、校验位。配置完串口后，使用“VISA写入”将心率监测阈值发送至下位机。在发送之前，需要对输入值进行数据格式转换，将“U8”数值转换为字符串，以便利用“VISA写入”经串口发送至下位机。当下位机接收到数据并产生中断后，将向上位机发送5字节数据，包括波形数据与心率值。使用“VISA读入”函数进行接收，并设置接收5字节数据。
图4 虚拟仪器界面
上位机接收到下位机发送的5字节数据，并以字符串形式存储，为了最终显示，需进行格式转换。首先使用“字符串至数值数组转换”函数，将接收到的字符串转换为数值数组，之后进行数组索引，提取各字节数据。前4字节为波形数据，需要转换为ASCII码形式，并进行组合以供“波形图表”控件进行使用。最后一字节为心率值，可直接显示。程序如图5所示。
图5 数据格式转换与显示
3 结论
在调试过程中反复对AD采集功能进行了验证，系统能够保证可以准确地采集到传感器值；对心率计算程序进行测试，上位机可以接收到合理的心率值；多次开关上位机后均可得到心率值；多次调整检测阈值后，心率值获取不受影响；心率值可随具体情况实时变化。通过对上位机进行测试，预定波形可正确显示、实时变化，波特率等信息可自由设置。测试结果如图6所示。
图6 测试结果显示
根据实验结果，本设计实现了任务要求。系统可以实时检测心率；可以显示心跳波形与心率值；上位机显示正常，无卡顿等问题。但是由于设计时间较短，上位机界面比较简单，显示信息也较少。另外心率测量算法有待进一步完善，测量值有时不够稳定。
