基于ARM和藍(lán)牙技術(shù)的心電信號(hào)采集系統(tǒng)

摘要 本文介紹了一個(gè)基于ARlVl處理器和藍(lán)牙技術(shù)的無線生理采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了心電信號(hào)傳感器、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和主機(jī)數(shù)據(jù)接收端三部分；在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了簡單的心理學(xué)情緒實(shí)驗(yàn)，采集被試在不同情緒狀態(tài)下的心電信號(hào)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了多對(duì)一的數(shù)據(jù)傳遞，便于在教育現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境中開展群體研究和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 ARM處理器 藍(lán)牙技術(shù) 心電信號(hào)

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們?cè)絹碓缴羁痰刈⒁獾角榫w在人類自身發(fā)展和社會(huì)生活中所起到的不可忽視的作用，而基于生理信號(hào)的情緒識(shí)別也成為一個(gè)重要的研究方向。電信號(hào)作為情緒識(shí)別主要研究對(duì)象之一，對(duì)其進(jìn)行有效地采集和處理也具有重要意義。本文基于ARIVl處理器芯片以及藍(lán)牙技術(shù)建立了一個(gè)無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來進(jìn)行信號(hào)的存儲(chǔ)、顯示和處理，利用本系統(tǒng)可以開展相關(guān)的情緒識(shí)別研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生理信號(hào)中蘊(yùn)含了豐富的情感信息，它們反映了自主神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)情緒刺激的喚醒水平和活動(dòng)情況。本文設(shè)計(jì)的無線采集系統(tǒng)主要在教育現(xiàn)場(chǎng)采集學(xué)生的生理參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和實(shí)時(shí)顯示，以方便研究生理參數(shù)和情緒之間的關(guān)系。整個(gè)生理信號(hào)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和控制主機(jī)組成，其組成如圖1所示。

其中控制終端主要包括用來接收數(shù)據(jù)的藍(lán)牙模塊和對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析并實(shí)時(shí)顯示的主機(jī)后臺(tái)程序。采集終端由數(shù)據(jù)采集模塊、ARM主控模塊和藍(lán)牙射頻模塊三部分組成。采集模塊由多個(gè)傳感器及與其對(duì)應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集工作；藍(lán)牙模塊負(fù)責(zé)終端與控制主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互；主控系統(tǒng)由ARM處理器以及各種外圍接口電路組成，起到核心控制的作用。該系統(tǒng)的主控系統(tǒng)和藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸部分采用三星公司S3C2410處理器及CSR公司BC04-Ex。tenral藍(lán)牙芯片來實(shí)現(xiàn)。

1.1 數(shù)據(jù)采集

心電信號(hào)的特點(diǎn)為：阻抗大、信號(hào)弱，加上周圍的電磁干擾大，因而前置放大電路采用儀表放大器AD620，由于其輸入阻抗高，功耗小，共模抑制比高，很適合作為微弱信號(hào)前置放大器。通常心電信號(hào)的頻率范圍在0.05-100Hz之間，而基線漂移的頻率為0.15-0.3Hz。因此濾波電路設(shè)計(jì)了截止頻率為0.3Hz的高通濾波器來減少基線漂移的影響，另外使用50Hz陷波電路，去除信號(hào)源中的工頻干擾。 后級(jí)放大電路采用了OPA4132。OPA4132是一款性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的通用運(yùn)算放大器，具有高輸入阻抗、高共模擬抑比、低輸入偏置電流、低溫漂、低噪聲等性能。具體電路見圖2，其中電路的放大倍數(shù)取決于電阻R9和R10，放大倍數(shù)為33.3；R16和c3構(gòu)成了低通濾波器，截止頻率為99.8Hz。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

S3C2410是一款面向多媒體應(yīng)用的低功耗、高性能32位精簡指令集微處理器，采用ARM920T內(nèi)核，正常工作時(shí)的典型功耗小于340mW，最高工作頻率266MHz。本系統(tǒng)中應(yīng)用的$3C2410硬件平臺(tái)是核心板底板雙板架構(gòu)，為了節(jié)省設(shè)計(jì)成本，只采用了L2410核心板，自己設(shè)計(jì)了體積更小的底板。

底板采用5V電源，外圍接口包括一個(gè)UART串口和兩個(gè)USB接口，S3C2410內(nèi)部集成10bitADC，ADC為8通道復(fù)用，模塊采用ADC0、ADCI兩個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，具有較好的集成度。底板的外圍接口電路設(shè)計(jì)如下：

(1)電源模塊。系統(tǒng)使用5V的穩(wěn)壓電源，而核心板和外設(shè)需要的電源電壓為3.3V，另外為了確保核心板的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)核心板進(jìn)行單獨(dú)供電。因此，采用兩組電壓轉(zhuǎn)換電路對(duì)核心板和外設(shè)分別供電，電壓轉(zhuǎn)換電路采用LMlll7芯片。

(2)ADC接口。優(yōu)龍公司YL2410核心板自帶8路ADC接口，可以提供最大500k每秒的轉(zhuǎn)換速率，及10位分辨率。為了對(duì)傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，需要將AD腳引出以接入傳感器模擬信號(hào)。

(3)USB接口電路設(shè)計(jì)。S3C2410內(nèi)置2個(gè)USB HOST端口，USB接口有電源線、地線和差分?jǐn)?shù)據(jù)線，硬件上只需要將對(duì)應(yīng)的線連接即可。

(4)藍(lán)牙接口。藍(lán)牙模塊采用是的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹髁餍酒狢SR公司的BC04-Extemal芯片，型號(hào)為BC417143B。在藍(lán)牙模塊上還集成了8M的Flash，用于藍(lán)牙Firmware和藍(lán)牙程序的存儲(chǔ)。

1.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件上的設(shè)計(jì)分為兩大部分，分別是數(shù)據(jù)采集終端部分的軟件和監(jiān)控端PC機(jī)上的軟件。其中數(shù)據(jù)采集終端部分采用了基于S3C2410平臺(tái)的嵌入式Linux操作系統(tǒng)：顯示終端采用Delphi7來實(shí)現(xiàn)主機(jī)監(jiān)控軟件的編寫，該部分負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集部分的通信以及收集來自串口的各類數(shù)據(jù)，顯示被測(cè)試者的相關(guān)數(shù)據(jù)波形。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采集了12名被試的心電數(shù)據(jù)，其中男性10位，女性2位。實(shí)驗(yàn)中向被試播放不同的影視片斷來誘發(fā)喜悅、平靜和煩躁三種情緒，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的順序是：快樂—平靜—煩躁。快樂情緒的刺激材料：貓和老鼠片段，憨豆先生片段。煩躁情緒的刺激材料：在坦克噪聲的影響下做三位數(shù)加減數(shù)學(xué)題。平靜情緒的誘發(fā)方式：排除思緒靜坐。

在進(jìn)行每種刺激之前有一分鐘平靜時(shí)間用來緩和情緒，本實(shí)驗(yàn)對(duì)同—被試多次采集，一共采集三種情緒的樣本600條。

在本次實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行良好。為了對(duì)比同一被試在三種情緒狀態(tài)下心電波形的變化，選取一名被試觀察他三種情緒狀態(tài)下的心電波形。圖3所示為該被試在平靜狀態(tài)下的心電波形。對(duì)該名被試的相關(guān)數(shù)據(jù)分析顯示，喜悅和煩躁情緒下的瞬時(shí)心率要大于平靜狀態(tài)下的瞬時(shí)心率。在多個(gè)時(shí)間段對(duì)該被試采集平靜狀態(tài)下的心電波形，波形差異較小，通過統(tǒng)計(jì)分析得知，在平靜狀態(tài)下個(gè)體的心電數(shù)據(jù)均值接近，方差較小，系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM9和藍(lán)牙技術(shù)的生理信號(hào)采集系統(tǒng)，在CSR公司的BC04-Extemal芯片以及三星公司的S3C2410 ARM9平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了多對(duì)一的信號(hào)傳輸，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖形化顯示、處理和分析。同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的情緒實(shí)驗(yàn)，用于驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)用性和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集的穩(wěn)定性。后期將對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行特征分析和情緒識(shí)別。