便携式人体运动生理参数监测仪 设计方案
随着人们保健意识的增强,运动锻炼越来越受到重视。然而运动量过强或不足都不能达到的目的,甚至会危害身体,因此需要实时检测运动参数,控制运动强度。便携式人体运动生理参数监测仪通过连续实时监测脉搏、体温和行走距离 等,从而预测能量消耗。 1.系统概述 基本功能
1)基本测量对象:加速度、脉搏、体温
2)计算参数:步行数(或里程数)、能量消耗
3)本地液晶显示和数据存储(4M以上)
4)锂电池供电,连续工作1个月以上
5)上位机数据处理与曲线显示、数据库管理
6)提醒与报警功能,实时时钟、预置参数等
7)USB接口。
2.系统原理 1)控制器单元:中央控制单元采用了具有超低功耗的16位微控制器MSP430F4270,其片内集成有5通道16位Σ-ΔA/D转换模块、32kB的FLASH ROM和8kB的数据RAM,且2个串行通信。采用F4270作为本系统的中央控制单元,可以在无需片外A/D芯片的基础上实现运动信号及各种生理信号的采集、接收和处理。提升了系统的先进性、可靠性和集成度,能有效降低系统设计的难度,较大程度提升系统的整体性能。 2)采用LCD显示,留有简单的按键控制,进行简单的功能启动,部分参数则由USB通过上位机设置,通过图形点阵液晶实现汉字功能菜单显示、生理参数的数值显示,为系统提供友好和智能化的人机交互界面。 3)采用温度传感器测量体表温度,其传感器设置在仪表背面,可直接与人体皮肤接触。 4)采用腕部脉搏传感器提取脉搏信号和运动信号,将其接触体表检测体表的振动信号,进行前置放大、数据采集、滤波和信号处理,提取脉搏信号和运动信息,进一步进行能量损耗估算。 5)采用三维加速度传感器,将人体的各种运动状态转换为不同幅度的电压信号,通过测量加速度来反映人体运动的强度和频率,计算运动能耗来评估运动量。 3.系统结构
系统由便携式单元和上位机组成,便携式单元为独立单元,负责数据采集、本地显示,而上位机则通过USB接收数据,数据库管理,并可查看相关曲线,或进行进一步的分析和参数提取。4.传感器与关键器件的选择 1)三维加速度传感器
型号: MMA7600FC
特点:I2C接口、测量范围、2.4-3.6V供电
2)温度传感器:
型号 18B20
特点:SPI单数据线操作
3)腕部脉搏传感器
型号:SC0073
特点:
4)控制器
型号:TMS430F4270
5)FLASH存储器
型号:M25P80
特点:8Mbit,SPI接口,3.3V工作
Page Program (up to 256 bytes) 0.64ms Sector Erase (512 Kbit) in 0.6s (typical) Bulk Erase (8 Mbit) in 8 s (typical)
6)显示液晶 型号:DXD12864-3433
特点:驱动ST7565R,3.3V工作,串口操作
7)USB接口
型号:CP2102
特点:
8)电源系统
型号:LM117
作用:将电池电压转换为所需的3.3V,考虑数字电源、模拟电源分开。
附详细电路原理图。
5.软件系统设计 软件分为上位机和下位机两部分,以及数据库管理系统。
6.算法研究 数据采集得到的温度、脉搏和三位加速度,需要进行数学处理得到具体的温度值、脉搏值和加速度值,并根据加速度值进行运动状态的估计、步行数和能量消耗。
1)温度数据处理
12位数据精度,分辨率为0.0625oC,温度与数据关系如下表所示。
TEMPERATURE (°C)
| DIGITAL OUTPUT | +125 | 0000 0111 1101 0000
| 07D0h
| +85*
| 0000 0101 0101 0000
| 0550h
| +25.0625 | 0000 0001 1001 0001
| 0191h
| +10.125
| 0000 0000 1010 0010
| 00A2h
| +0.5
| 0000 0000 0000 1000
| 0008h
| 0
| 0000 0000 0000 0000
| 0000h |
|
|
|
因此:温度 file:///Z:\TEMP\msohtmlclip1\01\clip_image012.gif
2)脉搏信号处理
由于脉搏信号信噪比比较低,在采集过程中混入了肌电信号、工频干扰、基线漂移等噪声信号,对脉搏信号特征提取容易造成误判,需要进行去噪处理。
目前,脉搏信号分析方法有:时域分析法(分析波幅的高度和脉动时相关系)、频率分析法(观察信号的幅度、相位随频率变化的规律,找出信号在时域不太明显而在频率中比较明显的特征)、结合时域、频率的时频分析法、以及模糊识别法、速率图识别法、自回归法、统计分析法等。
本系统将根据实际采集的信号具体情形,比较时域、频域和时频分析方法,对脉搏信号进行分析,提取脉象中的有用信息,如脉搏频率的大小、变化,特别是对病态的早搏等进行识别,并提供参考,并友好提示运动量。
3)三维加速度数据处理
三维加速度传感器为I2C接口,数字化加速度信息,其大小与二进制数值的关系如下表所示。
6 bit result
| Binary
| 2's Comp
| g value
| Angle X or Y
| | Angle Z | 0
| 0
| 0
| 0.000g
| 0.00°
|
| 90.00° | 1
| 1
| 1
| 0.047g
| 2.69°
|
| 87.31° | 2 | 10
| 2
| 0.094g
| 5.38°
|
| 84.62° | 3
| 11
| 3
| 0.141g
| 8.08°
|
| 81.92° | 4
| 100
| 4
| 0.188g
| 10.81°
|
| 79.19° | 。。。
|
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并可通过数据获得运动状态。
4)能量消耗估算
能耗估算采用三个轴向的三维加速度传感器,记录每分钟的动作次数,即运动强度,由于运动强度对于脂肪和糖类的供能比率起着至关重要的关系,是科学运动的关键要素。
能耗计算是根据动作的变化进行计算的,因此,需要计步功能、以及识别活动的动作,根据动作的变化改变计算模型,从而大大地提高了计算精度。 同时,结合国家体育总局科研所体育系统仿真实验室推出的IEC个性化能耗模型,该模型不仅仅考虑了人体的个性化参数,比如身高、体重、性别、年龄等因素,还考虑了运动量、运动强度和运动节奏等因素,甚至包含了个人运动功能对能耗的影响。
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