王慧媛,蔣敏蘭
（浙江師范大學 數理與信息工程學院，浙江 金華 321004）
摘要：針對目前心血管疾病嚴重威脅人類健康,且在我國的發病率與死亡率居高不下的現狀，設計了基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀。下位機選用Arduino為主控芯片，將脈搏心率檢測模塊檢測到的脈搏信息通過串口發送給LabVIEW上位機，上位機對接收到的數據進行處理并顯示動態脈搏曲線，同時將脈搏測量結果顯示在上位機前面板。該檢測儀可實現對脈搏和心率信號的采集、顯示、波形回放和存儲，與物聯網技術結合可以實現遠程監測。測試結果表明，該檢測儀測量誤差不超過1%，利用該儀器可及時了解被測者的身體狀況。
關鍵詞：LabVIEW；Arduino；脈搏檢測；心率檢測；串口通信
0引言
人體脈搏系統是心血管系統的重要組成部分，脈搏波所呈現出的形態、強度、速率、節律等方面的綜合信息，反映了人體心血管系統中的許多生理病理特征，是臨床診斷和治療的重要依據［1］。數據顯示，我國心血管疾病的發病率和死亡率持續上升，約300萬患者每年死于心血管病，幾乎每3個死亡的人中就有1人是心血管病，心血管疾病已成為人類健康的頭號殺手［2］。
目前，國內外在脈搏檢測方面已經開展了大量工作，脈搏測量技術也越來越先進。過去醫院臨床監護和老年保健中常用便攜式電子血壓計，但其在利用氣泵加減壓過程中會使患者不適，且存在體積龐大、檢測精度低等缺點；而近來研發的多種無創非接觸式儀器能夠自動消除系統誤差、測量精度高且能夠實時顯示病人脈搏信息，但此類儀器多用于大型醫院且價格昂貴，不適合廣大消費者的使用［2］。本文提出的基于Arduino和LabVIEW的脈搏心率檢測儀利用美國NI公司開發的LabVIEW圖形化編程開發平臺［3］，設計了簡明、直觀、易用的上位機顯示界面，精度高，使用方便，具有廣闊的應用前景。
1系統方案設計
系統由上、下位機組成。下位機由單片機系統進行數據采集、信號調理［4］。上位機(PC)基于虛擬儀器圖形編程軟件LabVIEW8.0 編制軟件程序,實現脈搏信號的數據讀取、濾波、脈搏頻率計算、波形顯示等功能［5］。上、下位機通過RS232串口通信。系統框圖如圖1所示。
2下位機設計
2.1傳感器選型
傳統的脈搏測量方法主要包括三種：一是從心電信號中提取脈搏信號；二是利用測量血壓時壓力傳感器測到的波動來計算脈率；三是光電容積法測量［6］。前兩種方法提取信號都會限制病人的活動，如果長時間使用會增加病人生理和心理上的不舒適感。本設計選用集成化脈搏傳感器A27pulsesensor，它是利用人體組織在血管搏動時造成透光率的不同即光容積法來進行脈搏的測量，具有方法簡單、可靠性高且佩戴方便的特點。當光束透過人體外周血管，由于動脈搏動充血容積變化導致這束光的透光率發生改變，此時由光電變換器接收經人體組織反射的光線，轉變為電信號并將其放大和輸出。由于脈搏是隨心臟的搏動而周期性變化的信號，動脈血管容積也周期性變化，因此光電變換器的電信號變化周期就是脈搏率。圖2右為A72脈搏心率檢測模塊。
2.2Arduino單片機
Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺。Arduino能夠通過AD對傳感器信號采樣處理，并將數據通過串口發送至LabVIEW平臺。其與脈搏心率檢測模塊一起構成了本設計的底層硬件。圖2為底層硬件結構。
2.3基于Arduino的硬件程序設計
由于心率檢測模塊的輸出信號為0~5 V的電壓信號，因此只需要利用Arduino的一個模擬信號輸入端口將0~5 V的模擬信號轉化為0~255的數字信號，即可實現對脈搏信息的采集，同時通過RS232串口協議將信號傳送到LabVIEW上位機。
3上位機設計
3.1基于LabVIEW的算法設計
LabVIEW通過串口接收到下位機發送的脈搏數據，為了得到準確的心跳頻率，把接收到的值與前兩個數據進行比較，分別獲得數據流中最大值時間tmax和最小值時間tmin，因此心臟實際的跳動周期為：
T=|tmax-tmin|
如圖3所示為脈搏心率檢測流程圖。
3.2基于LabVIEW的上位機設計
上位機設計采用LabVIEW8.0進行圖形編程。LabVIEW軟件提供了有關串口設計的VI［7］，可以實現串口的配置、讀寫和中斷等功能。同時充分利用其強大的數據處理能力，實現對脈搏波的采集、濾波、顯示、波形回放、存儲等功能，如圖4所示為上位機軟件界面，圖5所示為LabVIEW后面板圖形編程。
4測量結果及誤差
表1為6例檢測心率的樣本結果與采用購買的標準儀器測量結果的對比及誤差，樣本來自無疾病、無精神障礙的大學生。其中：
測量誤差=|實測值-標準值|/標準值
由表1可知，本設計誤差不超過標準值的1%。
5結論
本文利用脈搏心率傳感器、Arduino單片機和LabVIEW平臺設計了一款低成本、低功耗、操作簡單、界面美觀的脈搏心率檢測儀，實現了以下功能：
(1)下位機數據采集處理以及數據發送；
(2)LabVIEW上位機接收數據并實現心電圖顯示、數據存儲及波形回放；
(3)定時計算心跳頻率并顯示；
(4)繪制心形曲線。
在當前互聯網+的模式下，尤其是網絡技術高速發展推動虛擬儀器及其相關領域快速發展的情勢下，本設計更加符合社會消費理念和廣大消費者的生活需要。
參考文獻
［1］ 羅志昌，張松，楊益明．脈搏波工程分析與臨床應用［M］．北京：科學出版社，2006．
［2］ 許雪楠，梁晉濤，黃邦宇. 基于STM32 的健康一體機控制系統的設計［J］.微機型與應用， 2013，32（16）：20 22，25.
［3］ 李能禾，成謝鋒. 基于LabVIEW和MATLAB的心音檢測與小波去噪［J］.微機型與應用, 2010,29(1):6 9.
［4］ 韓軍. 基于LabVIEW的脈搏信號檢測系統［J］.微計算機信息,2011,27(5):58 59.
［5］ 姚峰,喬曉艷，董有爾. 基于LabVIEW的無創脈搏血氧檢測系統設計［J］.山西大學學報(自然科學版)，2010，33(1)：92 96.
［6］ 吳素花.張永壽. 基于虛擬儀器的心率檢測［J］.中國醫學裝備，2015(4)：47 48.
［7］ 楊丹，丁夢曉，鄭磊，等.便攜式脈搏血氧飽和度測量儀的研制［J］.微型機與應用，2015，34(22):92 95.