便攜式人體運(yùn)動生理參數(shù)監(jiān)測儀 設(shè)計方案
隨著人們保健意識的增強(qiáng),運(yùn)動鍛煉越來越受到重視。然而運(yùn)動量過強(qiáng)或不足都不能達(dá)到的目的,甚至?xí):ι眢w,因此需要實時檢測運(yùn)動參數(shù),控制運(yùn)動強(qiáng)度。便攜式人體運(yùn)動生理參數(shù)監(jiān)測儀通過連續(xù)實時監(jiān)測脈搏、體溫和行走距離 等,從而預(yù)測能量消耗。 1.系統(tǒng)概述 基本功能
1)基本測量對象:加速度、脈搏、體溫
2)計算參數(shù):步行數(shù)(或里程數(shù))、能量消耗
3)本地液晶顯示和數(shù)據(jù)存儲(4M以上)
4)鋰電池供電,連續(xù)工作1個月以上
5)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理與曲線顯示、數(shù)據(jù)庫管理
6)提醒與報警功能,實時時鐘、預(yù)置參數(shù)等
7)USB接口。
2.系統(tǒng)原理 1)控制器單元:中央控制單元采用了具有超低功耗的16位微控制器MSP430F4270,其片內(nèi)集成有5通道16位Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換模塊、32kB的FLASH ROM和8kB的數(shù)據(jù)RAM,且2個串行通信。采用F4270作為本系統(tǒng)的中央控制單元,可以在無需片外A/D芯片的基礎(chǔ)上實現(xiàn)運(yùn)動信號及各種生理信號的采集、接收和處理。提升了系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和集成度,能有效降低系統(tǒng)設(shè)計的難度,較大程度提升系統(tǒng)的整體性能。 2)采用LCD顯示,留有簡單的按鍵控制,進(jìn)行簡單的功能啟動,部分參數(shù)則由USB通過上位機(jī)設(shè)置,通過圖形點陣液晶實現(xiàn)漢字功能菜單顯示、生理參數(shù)的數(shù)值顯示,為系統(tǒng)提供友好和智能化的人機(jī)交互界面。 3)采用溫度傳感器測量體表溫度,其傳感器設(shè)置在儀表背面,可直接與人體皮膚接觸。 4)采用腕部脈搏傳感器提取脈搏信號和運(yùn)動信號,將其接觸體表檢測體表的振動信號,進(jìn)行前置放大、數(shù)據(jù)采集、濾波和信號處理,提取脈搏信號和運(yùn)動信息,進(jìn)一步進(jìn)行能量損耗估算。 5)采用三維加速度傳感器,將人體的各種運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同幅度的電壓信號,通過測量加速度來反映人體運(yùn)動的強(qiáng)度和頻率,計算運(yùn)動能耗來評估運(yùn)動量。 3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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2017-11-3 02:08 上傳
系統(tǒng)由便攜式單元和上位機(jī)組成,便攜式單元為獨(dú)立單元,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、本地顯示,而上位機(jī)則通過USB接收數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)庫管理,并可查看相關(guān)曲線,或進(jìn)行進(jìn)一步的分析和參數(shù)提取。4.傳感器與關(guān)鍵器件的選擇 1)三維加速度傳感器
型號: MMA7600FC
特點:I2C接口、測量范圍、2.4-3.6V供電
2)溫度傳感器:
型號 18B20
特點:SPI單數(shù)據(jù)線操作
3)腕部脈搏傳感器
型號:SC0073
特點:
4)控制器
型號:TMS430F4270
5)FLASH存儲器
型號:M25P80
特點: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)顯示液晶 型號:DXD12864-3433
特點:驅(qū)動ST7565R,3.3V工作,串口操作
7)USB接口
型號:CP2102
特點:
8)電源系統(tǒng)
型號:LM117
作用:將電池電壓轉(zhuǎn)換為所需的3.3V,考慮數(shù)字電源、模擬電源分開。
附詳細(xì)電路原理圖。
5.軟件系統(tǒng)設(shè)計 軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分,以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。
6.算法研究 數(shù)據(jù)采集得到的溫度、脈搏和三位加速度,需要進(jìn)行數(shù)學(xué)處理得到具體的溫度值、脈搏值和加速度值,并根據(jù)加速度值進(jìn)行運(yùn)動狀態(tài)的估計、步行數(shù)和能量消耗。
1)溫度數(shù)據(jù)處理
12位數(shù)據(jù)精度,分辨率為0.0625oC,溫度與數(shù)據(jù)關(guān)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:溫度 file:///Z:\TEMP\msohtmlclip1\01\clip_image012.gif
2)脈搏信號處理
由于脈搏信號信噪比比較低,在采集過程中混入了肌電信號、工頻干擾、基線漂移等噪聲信號,對脈搏信號特征提取容易造成誤判,需要進(jìn)行去噪處理。
目前,脈搏信號分析方法有:時域分析法(分析波幅的高度和脈動時相關(guān)系)、頻率分析法(觀察信號的幅度、相位隨頻率變化的規(guī)律,找出信號在時域不太明顯而在頻率中比較明顯的特征)、結(jié)合時域、頻率的時頻分析法、以及模糊識別法、速率圖識別法、自回歸法、統(tǒng)計分析法等。
本系統(tǒng)將根據(jù)實際采集的信號具體情形,比較時域、頻域和時頻分析方法,對脈搏信號進(jìn)行分析,提取脈象中的有用信息,如脈搏頻率的大小、變化,特別是對病態(tài)的早搏等進(jìn)行識別,并提供參考,并友好提示運(yùn)動量。
3)三維加速度數(shù)據(jù)處理
三維加速度傳感器為I2C接口,數(shù)字化加速度信息,其大小與二進(jìn)制數(shù)值的關(guān)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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|
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并可通過數(shù)據(jù)獲得運(yùn)動狀態(tài)。
4)能量消耗估算
能耗估算采用三個軸向的三維加速度傳感器,記錄每分鐘的動作次數(shù),即運(yùn)動強(qiáng)度,由于運(yùn)動強(qiáng)度對于脂肪和糖類的供能比率起著至關(guān)重要的關(guān)系,是科學(xué)運(yùn)動的關(guān)鍵要素。
能耗計算是根據(jù)動作的變化進(jìn)行計算的,因此,需要計步功能、以及識別活動的動作,根據(jù)動作的變化改變計算模型,從而大大地提高了計算精度。 同時,結(jié)合國家體育總局科研所體育系統(tǒng)仿真實驗室推出的IEC個性化能耗模型,該模型不僅僅考慮了人體的個性化參數(shù),比如身高、體重、性別、年齡等因素,還考慮了運(yùn)動量、運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動節(jié)奏等因素,甚至包含了個人運(yùn)動功能對能耗的影響。
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便攜式人體生理參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計說明-11-24.doc
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2017-11-2 19:16 上傳
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