《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于嵌入式微處理器的睡眠質(zhì)量控制研究
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第5期
李 珍,張開(kāi)生,于曉明
陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,,陜西 西安710021
摘要: 分析了嵌入式睡眠質(zhì)量控制研究的重要性,。在不影響人們自然睡眠的基礎(chǔ)上,采集人體的脈搏信號(hào),,挖掘其中與睡眠相關(guān)的信息,以嵌入式微處理器為核心設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控硬件。利用虛擬儀器(LabVIEW)技術(shù)搭建脈搏信號(hào)顯示平臺(tái),,實(shí)現(xiàn)了脈搏信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、波形顯示,、波形回放等功能,,同時(shí)給出了軟件設(shè)計(jì)流程圖,以此構(gòu)造睡眠質(zhì)量控制系統(tǒng),,合理引導(dǎo)人們的睡眠,。
中圖分類號(hào): TP368.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)05-0023-03
Study of sleep quality control system based on embedded microprocessor
Li Zhen,Zhang Kaisheng,,Yu Xiaoming
College of Electric & Information Engineering, Shanxi University of Science & Technology,Xi′an 710021,,China
Abstract: The importance of study on embedded sleep quality control is analyzed, then pulse signal from which the information related with sleep can be extracted is collected in the base of not affecting normal sleep process, in addition, system monitoring hardware is designed by utilizing embedded microprocessor,after that,pulse signal analytical processing platform is set up on professional computer through virtual instrument technique in order to realize the functions such as data acquisition,displaywaveform,waveformplayback and so on,at the same time,system software flow chart is given to construct the sleep quality control system to guide people's sleep.
Key words : sleep quality;control,;embedded,;pulse signal;virtual instrument

    隨著電子技術(shù),、計(jì)算機(jī)技術(shù),、通信技術(shù)的飛速發(fā)展,對(duì)睡眠的監(jiān)控也迎來(lái)了新的機(jī)遇,。傳統(tǒng)的睡眠監(jiān)控采用傳導(dǎo)睡眠圖,,但是該方法操作復(fù)雜且需要在睡眠者頭部固定電極,,對(duì)正常睡眠造成不可忽視的影響,難以準(zhǔn)確反應(yīng)睡眠者的正常睡眠狀況,。因此,,本文提出了利用其他生理參數(shù)對(duì)睡眠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控的方法[1-2]。脈搏信號(hào)中包含豐富的生理信息,,各種脈搏傳感器的出現(xiàn)使脈搏測(cè)量變得非常方便,。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有體積小、功耗低,、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn),,因此非常適合于醫(yī)療設(shè)備的開(kāi)發(fā)。如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理技術(shù)相互結(jié)合,,有效地監(jiān)測(cè)人們的睡眠狀態(tài),,改善睡眠質(zhì)量,是值得人們特別重視的,。

1 設(shè)計(jì)思路
    在睡眠過(guò)渡階段中,“失控的認(rèn)知活動(dòng)”致使人們?cè)馐懿煌潭鹊氖呃_,。在近年的研究中,有許多跡象顯示,通過(guò)基于認(rèn)知科學(xué)的心理控制,有可能使失控的認(rèn)知活動(dòng)中斷,那些致使人們失眠的失控的認(rèn)知活動(dòng)會(huì)在外界刺激下導(dǎo)致注意轉(zhuǎn)移從而被抑制[3],。在從覺(jué)醒狀態(tài)向睡眠狀態(tài)過(guò)渡時(shí),脈搏會(huì)明顯減慢且呈現(xiàn)出不同的特征,。因此可以通過(guò)傳感器采集脈搏信號(hào),判斷睡眠者的睡眠狀態(tài),??梢酝ㄟ^(guò)嵌入式處理器不斷依據(jù)脈搏信號(hào)所反映的睡眠狀態(tài)提供刺激,中斷從清醒到睡著這一過(guò)渡過(guò)程中的失控思維活動(dòng),,使這些有害的思維活動(dòng)持續(xù)地處于被抑制狀態(tài),,直至最終失活。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    根據(jù)設(shè)計(jì)思路的基本認(rèn)知原理,,系統(tǒng)采用脈搏監(jiān)測(cè)的方式來(lái)監(jiān)控睡眠,,在不影響正常睡眠的情況下,利用脈搏傳感器采集人體脈搏信號(hào),,構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)監(jiān)測(cè)使用者的睡眠狀況[4],,在睡眠質(zhì)量不佳的情況下,利用嵌入式微處理器發(fā)出合理的聲音刺激以達(dá)到提高睡眠質(zhì)量的目的,。整個(gè)系統(tǒng)由脈搏采集模塊,、信號(hào)調(diào)理模塊、微處理器模塊,、聲音刺激模塊,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊及數(shù)據(jù)顯示分析處理平臺(tái)等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。


3 硬件設(shè)計(jì)
3.1 脈搏信號(hào)采集模塊

    人體的脈搏信號(hào)具有幅度小,、干擾強(qiáng),、阻抗高、頻率低等特點(diǎn),,采集過(guò)程中容易引入外界干擾(如工頻干擾,、人體活動(dòng)、高頻干擾和人體呼吸移動(dòng)引起的基線漂移),,常伴有嚴(yán)重的背景噪聲[5],。因此,脈搏信號(hào)測(cè)量必須經(jīng)過(guò)放大和濾波等處理,,才能滿足信號(hào)采集的要求,。圖2為脈搏信號(hào)調(diào)理電路。

    脈搏信號(hào)的能量頻段主要集中在2 Hz~20 Hz之間,,最高頻率不超過(guò)40 Hz,。脈搏傳感器采集到的電壓信號(hào)幅度值在0~20 mV之間,系統(tǒng)所采用的LPC2103片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓值范圍為0~+3.3 V,。為了滿足轉(zhuǎn)換要求,,脈搏電壓信號(hào)需要被放大100~200倍。同時(shí),,為了更好地抗干擾,放大電路采用兩級(jí)放大,。信號(hào)調(diào)理電路由一級(jí)放大電路,、基線漂移抑制電路、50 Hz陷波電路,、低通濾波器,、二級(jí)放大電路組成。
    一級(jí)放大電路采用差分輸入的方式,有效地抑制共模信號(hào),。差分放大器采用AD620,,其具有極高的共模抑制比,可有效抑制工頻噪聲和人體靜電干擾。集成運(yùn)放采用高輸入阻抗型,。在電路設(shè)計(jì)中,,設(shè)置一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)A為20倍,則:
    
3.2 微處理器
      系統(tǒng)選用NXP公司推出的基于ARM7TDMI-S內(nèi)核,、LQFP48封裝的LPC2103處理器作為嵌入式系統(tǒng)核心,。LPC2103采用3.3 V和1.8 V雙電源供電,最高工作頻率可達(dá)70 MHz,,內(nèi)部集成8 KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器,。10 bit A/D轉(zhuǎn)換器提供8路模擬輸入使得調(diào)理后的脈搏信號(hào)可直接完成A/D轉(zhuǎn)化[6]。LPC2103價(jià)格低廉,、低功耗以及小封裝充分滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,。復(fù)位電路設(shè)計(jì)中采用專用電源監(jiān)控復(fù)位芯片CAT1025,,以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
3.3 聲音刺激模塊
    根據(jù)人在睡眠和清醒時(shí)的脈搏信號(hào)的不同,,利用嵌入式微處理器控制刺激器來(lái)產(chǎn)生聲音刺激,,利用微處理器產(chǎn)生特定頻率的方波使得揚(yáng)聲器發(fā)出聲響作為聲音刺激。只有合適響度的聲音才能抑制有害的思維活動(dòng),,過(guò)弱的聲音刺激不能很好地轉(zhuǎn)移使用者的注意,,而過(guò)強(qiáng)的聲音刺激會(huì)成為自然入睡新的干擾源。所以選取響度為使用者剛好能聽(tīng)到的聲音作為刺激,,通過(guò)編程來(lái)調(diào)節(jié)方波的頻率可得到需要的聲音刺激,。
3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
    系統(tǒng)采用SD卡存儲(chǔ)睡眠過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。SD卡大量應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī),、手機(jī)等大容量存儲(chǔ)設(shè)備,,作為這些便攜式設(shè)備的存儲(chǔ)載體,具有功耗低,、非易失性,、保存數(shù)據(jù)無(wú)需消耗能量等特點(diǎn),同樣適用于本系統(tǒng)設(shè)計(jì),。系統(tǒng)的硬件電路如圖3所示,。

4 軟件設(shè)計(jì)

 


    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件,。下位機(jī)軟件部分主要完成脈搏信號(hào)的采集,、分析、傳輸以及發(fā)出聲音刺激,,上位機(jī)軟件主要是脈搏數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ),。
4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    下位機(jī)軟件以ADS1.2為開(kāi)發(fā)環(huán)境,采用C語(yǔ)言編寫(xiě),。ADS(ARM Developer Suite)支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器,,具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn),。系統(tǒng)通過(guò)分析采集到的脈搏信號(hào),,根據(jù)脈搏信號(hào)變化判斷使用者的睡眠狀態(tài),在睡眠異常時(shí)發(fā)出合理的聲音刺激,。系統(tǒng)的軟件控制框圖如圖4示,。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)軟件采用LabVIEW8.5為開(kāi)發(fā)環(huán)境,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)(LabVIEW)采用圖形化的程序編程語(yǔ)言(即G語(yǔ)言),,編寫(xiě)程序時(shí),,流程圖取代了以往復(fù)雜的程序代碼[7]。上位機(jī)軟件主要完成脈搏數(shù)據(jù)的采集顯示,、存儲(chǔ)等功能,,通過(guò)監(jiān)測(cè)脈搏信號(hào)的變化對(duì)睡眠狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),,而且嵌入式系統(tǒng)可借助上位機(jī)軟件平臺(tái)監(jiān)測(cè)脈搏變化,結(jié)合使用者的反應(yīng),,反復(fù)試驗(yàn),,研究睡眠狀態(tài)與脈搏變化的相互關(guān)系,協(xié)助系統(tǒng)找到合適的聲音刺激來(lái)改善睡眠質(zhì)量,。
      基于上述技術(shù)建立的嵌入式系統(tǒng),,具有性能高、體積小,、功耗低,、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),可佩戴于手上對(duì)睡眠過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè),。在大量的實(shí)驗(yàn)中,,聲音刺激對(duì)使用者睡眠沒(méi)有造成干擾,并且能使他們較快入睡,。通過(guò)采集人體脈搏信號(hào)并從中獲取睡眠信息,,利用聲音刺激來(lái)干擾失眠機(jī)制,對(duì)于提高人們的睡眠質(zhì)量,、保證身心健康有著深遠(yuǎn)的意義,。
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