基于LabVIEW的人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張凌飛　王圣禹　鄭黃敏　王雪梅

摘 要： 為了使人們能更加及時(shí)地了解自己的一些生理參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)。在此簡單敘述了利用LabVIEW編寫系統(tǒng)軟件，由傳感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)硬件，并將采集到體溫、脈搏波和心率顯示在PC機(jī)上的原理和方法。通過實(shí)踐，系統(tǒng)達(dá)到了較好的效果。

關(guān)鍵詞： 生理參數(shù)； 虛擬儀器； 心率； 脈搏波； 傳感器； 數(shù)據(jù)采集卡

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0088?02

0 引 言

隨著社會的進(jìn)步，人們生活的節(jié)奏越來越快，壓力也越來越大，同時(shí)缺乏鍛煉，使得人們的身體狀況日益下降。據(jù)報(bào)道，我國大部分人都處于亞健康狀態(tài)，目前由于國內(nèi)科技水平和成本的限制，人體生理參數(shù)采集設(shè)備發(fā)展較為緩慢，并且市場上的大多產(chǎn)品只能采集一種參數(shù)，不能很好地滿足人們的需求，而引進(jìn)的設(shè)備價(jià)格又十分昂貴。因此開發(fā)出一款低成本、多參數(shù)、易于擴(kuò)展的生理參數(shù)設(shè)備是迫切需要的。人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)正是在這種背景和需求下而設(shè)計(jì)研制的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡3部分構(gòu)成。

（1） 傳感器。傳感器主要目的是感知人體脈搏、體溫，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。脈搏傳感器選用HK2000B，它是采用集成化工藝將力敏元件（PVDF壓電膜）、溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)，使用十分方便，采集的信號準(zhǔn)確度高。溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，Pt100的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算見式（1），式（2）。

式中：t為攝氏溫度；R0為零攝氏度時(shí)的電阻值；A，B，C為規(guī)定的系數(shù)。

（2） 調(diào)理電路。調(diào)理電路主要是對Pt100采集信號進(jìn)行處理。Pt100接法一般有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將Pt100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。在本系統(tǒng)中采用三線制接線法，并利用運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)對溫度信號的處理。

（3） 數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集作用是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的USB?6009數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡適用高速USB2.0借口，分辨率達(dá)12位，放大增益可用軟件進(jìn)行設(shè)置，最大的放大增益為12倍。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的硬件為帶有USB接口的計(jì)算機(jī)，并通過和系統(tǒng)軟件的配合，實(shí)現(xiàn)對人體參數(shù)的顯示和存儲。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分是整個(gè)人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)的核心，由NI公司推出的虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行編寫。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，它提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)在的高級信號分析函數(shù)，大大提高了程序的開發(fā)效率。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)顯示界面，數(shù)據(jù)存儲部分，數(shù)據(jù)回放部分和軟硬件交互的設(shè)備驅(qū)動等構(gòu)成。

（1） 數(shù)據(jù)顯示界面。顯示界面主要是將人體參數(shù)以圖形和數(shù)字的方式顯示在電腦屏幕上，使人能更加直觀地觀測到各種參數(shù)。界面如圖2所示。圖中有2個(gè)脈搏波顯示，其中一個(gè)為原始信號；另一個(gè)為軟件濾波后的信號。心率利用軟件編程的方法從脈搏波中測算得出。

（2） 數(shù)據(jù)存儲部分。數(shù)據(jù)存儲部分是將人體生理參數(shù)、個(gè)人信息和測試的時(shí)間保存在一個(gè)文件里面，以便人們對長期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。程序如圖3所示。

（3） 數(shù)據(jù)回放部分。數(shù)據(jù)回放部分是將保存文件里面的數(shù)據(jù)再次顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。程序如圖4所示。

（4） 軟硬件交互的設(shè)備驅(qū)動。驅(qū)動程序在NI官方網(wǎng)站可以下載，主要用于對數(shù)據(jù)采集卡的配置和使用。

3 系統(tǒng)測試

經(jīng)過對多人的測試，本系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)與專用的醫(yī)療設(shè)備得到的數(shù)據(jù)十分相近，心率和溫度的誤差都在±0.1%以內(nèi)，脈搏波也與經(jīng)典脈象儀得出的脈搏波相吻合。圖5是采集到的一名20歲男生和一名19歲女生的人體生理參數(shù)。由圖可以看出，采集到的脈搏波波形良好，雜波較少，心率和體溫以數(shù)字方式顯示，觀測十分直觀。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)以LabVIEW軟件編程為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集技術(shù)和傳感器技術(shù)完成本設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)完成了對人體溫度、脈搏波和心率的測量，經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)是完全可行的，且操作簡單，穩(wěn)定性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。由于時(shí)間關(guān)系，還有很多的功能是未進(jìn)行開發(fā)的，比如心電信號的采集和分析，這也是以后努力的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 劉篤仁，韓保君，劉靳.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[3] 蒲鳳萍，呂迪波.基于 LabVIEW 的多任務(wù)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2009（8）：35?38.

[4] 阮奇楨.我和LabVIEW——一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6] 阮俞穎，徐軍.基于射頻技術(shù)的人體生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（2）：19?21.

摘 要： 為了使人們能更加及時(shí)地了解自己的一些生理參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)。在此簡單敘述了利用LabVIEW編寫系統(tǒng)軟件，由傳感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)硬件，并將采集到體溫、脈搏波和心率顯示在PC機(jī)上的原理和方法。通過實(shí)踐，系統(tǒng)達(dá)到了較好的效果。

關(guān)鍵詞： 生理參數(shù)； 虛擬儀器； 心率； 脈搏波； 傳感器； 數(shù)據(jù)采集卡

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0088?02

0 引 言

隨著社會的進(jìn)步，人們生活的節(jié)奏越來越快，壓力也越來越大，同時(shí)缺乏鍛煉，使得人們的身體狀況日益下降。據(jù)報(bào)道，我國大部分人都處于亞健康狀態(tài)，目前由于國內(nèi)科技水平和成本的限制，人體生理參數(shù)采集設(shè)備發(fā)展較為緩慢，并且市場上的大多產(chǎn)品只能采集一種參數(shù)，不能很好地滿足人們的需求，而引進(jìn)的設(shè)備價(jià)格又十分昂貴。因此開發(fā)出一款低成本、多參數(shù)、易于擴(kuò)展的生理參數(shù)設(shè)備是迫切需要的。人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)正是在這種背景和需求下而設(shè)計(jì)研制的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡3部分構(gòu)成。

（1） 傳感器。傳感器主要目的是感知人體脈搏、體溫，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。脈搏傳感器選用HK2000B，它是采用集成化工藝將力敏元件（PVDF壓電膜）、溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)，使用十分方便，采集的信號準(zhǔn)確度高。溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，Pt100的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算見式（1），式（2）。

式中：t為攝氏溫度；R0為零攝氏度時(shí)的電阻值；A，B，C為規(guī)定的系數(shù)。

（2） 調(diào)理電路。調(diào)理電路主要是對Pt100采集信號進(jìn)行處理。Pt100接法一般有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將Pt100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。在本系統(tǒng)中采用三線制接線法，并利用運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)對溫度信號的處理。

（3） 數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集作用是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的USB?6009數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡適用高速USB2.0借口，分辨率達(dá)12位，放大增益可用軟件進(jìn)行設(shè)置，最大的放大增益為12倍。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的硬件為帶有USB接口的計(jì)算機(jī)，并通過和系統(tǒng)軟件的配合，實(shí)現(xiàn)對人體參數(shù)的顯示和存儲。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分是整個(gè)人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)的核心，由NI公司推出的虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行編寫。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，它提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)在的高級信號分析函數(shù)，大大提高了程序的開發(fā)效率。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)顯示界面，數(shù)據(jù)存儲部分，數(shù)據(jù)回放部分和軟硬件交互的設(shè)備驅(qū)動等構(gòu)成。

（1） 數(shù)據(jù)顯示界面。顯示界面主要是將人體參數(shù)以圖形和數(shù)字的方式顯示在電腦屏幕上，使人能更加直觀地觀測到各種參數(shù)。界面如圖2所示。圖中有2個(gè)脈搏波顯示，其中一個(gè)為原始信號；另一個(gè)為軟件濾波后的信號。心率利用軟件編程的方法從脈搏波中測算得出。

（2） 數(shù)據(jù)存儲部分。數(shù)據(jù)存儲部分是將人體生理參數(shù)、個(gè)人信息和測試的時(shí)間保存在一個(gè)文件里面，以便人們對長期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。程序如圖3所示。

（3） 數(shù)據(jù)回放部分。數(shù)據(jù)回放部分是將保存文件里面的數(shù)據(jù)再次顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。程序如圖4所示。

（4） 軟硬件交互的設(shè)備驅(qū)動。驅(qū)動程序在NI官方網(wǎng)站可以下載，主要用于對數(shù)據(jù)采集卡的配置和使用。

3 系統(tǒng)測試

經(jīng)過對多人的測試，本系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)與專用的醫(yī)療設(shè)備得到的數(shù)據(jù)十分相近，心率和溫度的誤差都在±0.1%以內(nèi)，脈搏波也與經(jīng)典脈象儀得出的脈搏波相吻合。圖5是采集到的一名20歲男生和一名19歲女生的人體生理參數(shù)。由圖可以看出，采集到的脈搏波波形良好，雜波較少，心率和體溫以數(shù)字方式顯示，觀測十分直觀。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)以LabVIEW軟件編程為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集技術(shù)和傳感器技術(shù)完成本設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)完成了對人體溫度、脈搏波和心率的測量，經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)是完全可行的，且操作簡單，穩(wěn)定性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。由于時(shí)間關(guān)系，還有很多的功能是未進(jìn)行開發(fā)的，比如心電信號的采集和分析，這也是以后努力的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 劉篤仁，韓保君，劉靳.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[3] 蒲鳳萍，呂迪波.基于 LabVIEW 的多任務(wù)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2009（8）：35?38.

[4] 阮奇楨.我和LabVIEW——一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6] 阮俞穎，徐軍.基于射頻技術(shù)的人體生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（2）：19?21.

摘 要： 為了使人們能更加及時(shí)地了解自己的一些生理參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)。在此簡單敘述了利用LabVIEW編寫系統(tǒng)軟件，由傳感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成系統(tǒng)硬件，并將采集到體溫、脈搏波和心率顯示在PC機(jī)上的原理和方法。通過實(shí)踐，系統(tǒng)達(dá)到了較好的效果。

關(guān)鍵詞： 生理參數(shù)； 虛擬儀器； 心率； 脈搏波； 傳感器； 數(shù)據(jù)采集卡

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0088?02

0 引 言

隨著社會的進(jìn)步，人們生活的節(jié)奏越來越快，壓力也越來越大，同時(shí)缺乏鍛煉，使得人們的身體狀況日益下降。據(jù)報(bào)道，我國大部分人都處于亞健康狀態(tài)，目前由于國內(nèi)科技水平和成本的限制，人體生理參數(shù)采集設(shè)備發(fā)展較為緩慢，并且市場上的大多產(chǎn)品只能采集一種參數(shù)，不能很好地滿足人們的需求，而引進(jìn)的設(shè)備價(jià)格又十分昂貴。因此開發(fā)出一款低成本、多參數(shù)、易于擴(kuò)展的生理參數(shù)設(shè)備是迫切需要的。人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)正是在這種背景和需求下而設(shè)計(jì)研制的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊構(gòu)成，該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器、調(diào)理電路和數(shù)據(jù)采集卡3部分構(gòu)成。

（1） 傳感器。傳感器主要目的是感知人體脈搏、體溫，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。脈搏傳感器選用HK2000B，它是采用集成化工藝將力敏元件（PVDF壓電膜）、溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)，使用十分方便，采集的信號準(zhǔn)確度高。溫度傳感器采用鉑熱電阻Pt100，它的阻值會隨著溫度的變化而改變，Pt100的阻值隨溫度的變化而變化的計(jì)算見式（1），式（2）。

式中：t為攝氏溫度；R0為零攝氏度時(shí)的電阻值；A，B，C為規(guī)定的系數(shù)。

（2） 調(diào)理電路。調(diào)理電路主要是對Pt100采集信號進(jìn)行處理。Pt100接法一般有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將Pt100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。在本系統(tǒng)中采用三線制接線法，并利用運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)對溫度信號的處理。

（3） 數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集作用是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的USB?6009數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡適用高速USB2.0借口，分辨率達(dá)12位，放大增益可用軟件進(jìn)行設(shè)置，最大的放大增益為12倍。

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的硬件為帶有USB接口的計(jì)算機(jī)，并通過和系統(tǒng)軟件的配合，實(shí)現(xiàn)對人體參數(shù)的顯示和存儲。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分是整個(gè)人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)的核心，由NI公司推出的虛擬儀器軟件LabVIEW進(jìn)行編寫。LabVIEW是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，它提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)在的高級信號分析函數(shù)，大大提高了程序的開發(fā)效率。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)顯示界面，數(shù)據(jù)存儲部分，數(shù)據(jù)回放部分和軟硬件交互的設(shè)備驅(qū)動等構(gòu)成。

（1） 數(shù)據(jù)顯示界面。顯示界面主要是將人體參數(shù)以圖形和數(shù)字的方式顯示在電腦屏幕上，使人能更加直觀地觀測到各種參數(shù)。界面如圖2所示。圖中有2個(gè)脈搏波顯示，其中一個(gè)為原始信號；另一個(gè)為軟件濾波后的信號。心率利用軟件編程的方法從脈搏波中測算得出。

（2） 數(shù)據(jù)存儲部分。數(shù)據(jù)存儲部分是將人體生理參數(shù)、個(gè)人信息和測試的時(shí)間保存在一個(gè)文件里面，以便人們對長期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。程序如圖3所示。

（3） 數(shù)據(jù)回放部分。數(shù)據(jù)回放部分是將保存文件里面的數(shù)據(jù)再次顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。程序如圖4所示。

（4） 軟硬件交互的設(shè)備驅(qū)動。驅(qū)動程序在NI官方網(wǎng)站可以下載，主要用于對數(shù)據(jù)采集卡的配置和使用。

3 系統(tǒng)測試

經(jīng)過對多人的測試，本系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)與專用的醫(yī)療設(shè)備得到的數(shù)據(jù)十分相近，心率和溫度的誤差都在±0.1%以內(nèi)，脈搏波也與經(jīng)典脈象儀得出的脈搏波相吻合。圖5是采集到的一名20歲男生和一名19歲女生的人體生理參數(shù)。由圖可以看出，采集到的脈搏波波形良好，雜波較少，心率和體溫以數(shù)字方式顯示，觀測十分直觀。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)以LabVIEW軟件編程為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)采集技術(shù)和傳感器技術(shù)完成本設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)完成了對人體溫度、脈搏波和心率的測量，經(jīng)過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)是完全可行的，且操作簡單，穩(wěn)定性好，可擴(kuò)展性強(qiáng)。由于時(shí)間關(guān)系，還有很多的功能是未進(jìn)行開發(fā)的，比如心電信號的采集和分析，這也是以后努力的方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 劉篤仁，韓保君，劉靳.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

[3] 蒲鳳萍，呂迪波.基于 LabVIEW 的多任務(wù)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測試，2009（8）：35?38.

[4] 阮奇楨.我和LabVIEW——一個(gè)NI工程師的十年編程經(jīng)驗(yàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[6] 阮俞穎，徐軍.基于射頻技術(shù)的人體生理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（2）：19?21.