MSP430单片机便携式疲劳信号检测系统的设计与研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.51MB 77 页 15积分
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I
摘 要
疲劳是由于人们长时间工作而导致工作能力暂时下降的规律性生理现象,基
于各种人体生理信号的疲劳检测方法日益成为安全应用领域的研究重点，脉搏检
测作为一种可靠性较高、简单易行、操作方便、能较准确地反映人体疲劳状态的
客观检测方法，在未来疲劳检测方法中具有非常重要的推广和应用价值。
本文主要进行基于 MSP430 的脉搏信号同步采集分析系统的设计与研究。根
据人体脉搏波信号的特征，设计性能优良的脉搏波信号采集系统，选用超低功耗
16 位单片机 MSP430F449 对采集的脉搏波信号进行记录、处理、传输。硬件部分
为满足脉搏信号的采集要求，着重讨论了模拟放大电路的组成结构、工作原理、
分析方法以及性能参数的计算。
软件部分，利用 Matlab 图形用户接口(GUI)设计工具，设计了脉搏信号检测系
统。该系统界面友好，操作简单，数据处理能力强，可以实现的基本功能包括对
脉搏信号实时采集的控制，脉搏信号的波形显示、滤波除噪，其中重点研究了高
阶谱分析技术中运用较广泛的双谱分析，进行功能更完善的脉搏波数据分析。
本文的工作是对智能化测试疲劳信号的一次努力和尝试，无论是在硬件电路
设计，还是在软件算法处理上，都采用了比较独特的方法，从而为今后疲劳信号
客观定量研究提供重要而具有指导意义的参考。
关键词：疲劳检测 脉搏波信号 MSP430 MATLAB 双谱估计
II
ABSTRACT
Fatigue is a temporary decline in the ability to work regularity physiological
phenomenon caused by people working long hours, and fatigue detection methods based
on a variety of physiological signals increasingly becoming the focus of the study area of
security applications. Human pulse wave detection as a high reliability, easily operating
method, can more accurately reflect the objective state of the human body, has a very
important promotional and applied value in the future fatigue detection.
The research work in this paper is mainly based on MSP430 pulse synchronization
pulse signal acquisition system. According to the characteristics of human pulse wave
signal, high performance pulse wave transmission signal acquisition system is designed
by applying ultra-low-power 16-bit microcontroller MSP430F449 to acquire, process,
record and transmit in real-time. To meet the pulse signal acquisition requirements in
hardware part, the analog amplifier circuit of the structure, the conception of the signal
integrity, analytical methods and performance calculations is studied in detail.
Intelligent pulse wave signal analysis software is developed based on Matlab
graphical user interface (GUI) design tools. The system has high performance in
user-friendly, simple operation, data processing ability. Its basic function includes
real-time control data acquisition, and waveform display and filtering noise. The
Bispectral Analyzing, which is most generally used in the Higher Order Spectral
Analyzing technology, is primarily studied in this article.
Work described in the dissertation is a try and effort of the intelligent test system of
the fatigue detection. Both in the hardware circuit design, or in the signal processing
software algorithms, we have adopted a relatively unique approach, to offer important and
instructive reference for the future objective and quantitative research of fatigue
detection.
Keywords: Fatigue Detection, Pulse Wave, MSP430, MATLAB,
Bispectrum
目 录
摘 要 ...................................................................................................................................................I
ABSTRACT ...........................................................................................................................................II
第一章 绪论 .......................................................................................................................................... 1
§1.1 疲劳的概念 ......................................................................................................................... 1
§1.2 研究背景 ............................................................................................................................. 1
§1.3 疲劳检测方法概述 .............................................................................................................2
§1.4 本文所完成的工作 .............................................................................................................3
第二章 脉搏波机理和研究方法 ..........................................................................................................5
§2.1 脉搏波概述 ......................................................................................................................... 5
§2.1.1 脉搏波的定义 ..........................................................................................................5
§2.1.2 脉搏波信息 ..............................................................................................................5
§2.1.3 脉搏测量的意义 ......................................................................................................5
§2.2 脉搏波信号的形成机理及脉搏波形图特征 .................................................................... 6
§2.2.1 脉搏波形成机理 ......................................................................................................6
§2.2.2 脉搏波形图特征 ......................................................................................................6
§2.3 脉搏波信号分析方法概述 .................................................................................................7
§2.3.1 相关噪声检测在脉搏信号提取中的应用 ............................................................. 8
§2.3.2 小波变换在脉搏提取中的应用 ..............................................................................9
§2.3.3 基于 Hilbert-Huang 变换的脉搏信号分析 ............................................................ 9
§2.3.4 高斯函数叠加法的算法流程 ................................................................................10
§2.3.5 脉图 K值在脉搏波分析中的应用 .......................................................................11
第三章 采集系统硬件设计 ................................................................................................................13
§3.1 采集系统的分析 ...............................................................................................................13
§3.2 传感器的选取 ...................................................................................................................14
§3.2.1 压电式传感器的工作原理 ....................................................................................14
§3.2.2 压电传感器的等效电路 ........................................................................................16
§3.2.3 压电传感器的测量电路 ........................................................................................17
§3.3 电荷放大器电路的设计与实现 .......................................................................................20
§3.3.1 芯片介绍 ................................................................................................................20
§3.3.2 基本电路原理图 ....................................................................................................22
§3.4 信号调理电路 ...................................................................................................................24
§3.4.1 高通滤波 ................................................................................................................25
§3.4.2 低通滤波 ................................................................................................................25
§3.4.3 二阶 Butterworth 低通滤波 .................................................................................. 26
§3.4.4 带阻滤波器 ............................................................................................................27
第四章 MSP430 单片机及外围模块介绍 .........................................................................................29
§4.1 MSP430 系列单片机简介 ...................................................................................................29
§4.2 基本外围电路 .....................................................................................................................31
§4.2.1 电源电路 ................................................................................................................31
§4.2.2 MSP430F449 时钟模块 ......................................................................................... 32
§4.2.3 MSP430 系列单片机 JTAG 接口电路 ..................................................................33
§4.2.4 ADC12 模/数转换模块 ......................................................................................... 35
§4.2.5 MSP430 系列单片机的通用串行通信模块 ......................................................... 38
第五章 系统软件设计 ........................................................................................................................41
§5.1 系统程序的总体构架 .......................................................................................................41
§5.2 单片机程序设计 ...............................................................................................................42
§5.2.1 MSP430 开发环境概述 ..........................................................................................43
§5.2.2 A/D 转换设计 ........................................................................................................43
§5.2.3 串口通信设计 ........................................................................................................46
§5.3 上位机软件功能设计 .......................................................................................................48
§5.3.1 利用 GUIDE 设计图形化界面 ............................................................................. 49
§5.3.2 界面功能介绍 ........................................................................................................52
§5.4 脉搏信号处理软件各部分原理介绍 ...............................................................................52
§5.4.1 开始采集 ................................................................................................................52
§5.4.2 滤波 ........................................................................................................................53
§5.4.3 双谱分析原理 ........................................................................................................55
§5.4.4 软件设计 ................................................................................................................58
第六章 程序实现与数据处理 ............................................................................................................61
§6.1 脉搏信号采集系统的测试实验 .......................................................................................61
§6.2 脉搏波信号预处理 ...........................................................................................................61
§6.2.1 脉搏波信号的主要噪声 ........................................................................................61
§6.2.2 脉搏波信号的预处理 ............................................................................................61
§6.3 脉象信号的双谱估计 .......................................................................................................62
§6.4 讨论 ................................................................................................................................... 66
第七章 总结与展望 ............................................................................................................................ 67
§7.1 总结 ................................................................................................................................... 67
§7.2 展望 ................................................................................................................................... 67
附录 ...................................................................................................................................................... 69
参考文献 .............................................................................................................................................. 73
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................................. 77
致 谢 .................................................................................................................................................. 79
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 疲劳的概念
《中国医学百科全书七·劳动卫生与职业病学》[1] 对疲劳的解释：“疲劳一般
是指因过度劳累（体力或脑力劳动）而引起的一种劳动能力下降现象，其产生原
因是多方面的，如劳动强度过大，精神过度紧张，持续工作时间过长，工作单调，
消极的工作情绪，睡眠不足，不良的工作环境，操作频率过快等。”
疲劳概念的主观性以及其发生机理的复杂性，目前，对疲劳的详细分类尚没有
系统、统一的方法。已有的文献中对疲劳的分类主要有以下几种：根据产生的原
因或表现分为体力疲劳和脑力疲劳；根据产生的部位分为全身疲劳和局部疲劳；
根据疲劳的表现形式分为急性疲劳和慢性疲劳；根据疲劳的产生机理分为生理性
疲劳和病理性疲劳，生理性疲劳是短暂性的，休息后可缓解，病理性疲劳常见于
某些疾病之中。
§1.2 研究背景
疲劳虽然是一个很正常的生理现象，但每年导致的交通事故给世界各国造成巨
大的经济损失和人员伤亡，增加了社会的不安定因素。故近年来，就如何减少交
通事故，促进道路交通安全也是各国汽车厂商投入重金研究的一片领域[2]。驾驶员
疲劳驾驶问题已受到世界各国越来越多研究人员的关注，因此针对疲劳驾驶检测
方法而进行的研究更显得具有重要的现实意义。
疲劳是由于人们长时间工作而导致工作能力暂时下降的规律性生理现象,在
疲劳产生的初期,由于意志的作用,人还能够强迫自己仍按原有意图进行操作,但
工作状态会受到很大的影响,特别是在道路交通状态发生突然变化等情况下,处
于疲劳状态下的驾驶员,容易发生交通事故。
据统计[3],每个国家的道路交通伤亡事故所造成的经济损失占国民生产总值的
1％~2％，我国因疲劳驾车而造成的交通事故占总起数的20%左右,占特大交通事
故的40%以上,占交通事故死亡率的83%；美国国家工具交通安全管理局保守估计,
每年因疲劳驾驶导致的交通事故至少有10万起；英国有研究表明，驾车时打瞌睡，
或是前一天夜晚睡眠时间小于5小时，或是在夜间2点至5点驾车，发生伤亡车祸的
危险性会增加19％（15％~25％）。打瞌睡占事故的比例，美国大约是1％~3％，法
国是10％，澳大利亚是33％。法国国家警察总署事故报告表明,因疲劳驾驶导致的
MSP430 单片机便携式疲劳信号检测系统的设计与研究
2
意外事故占人身伤害事故的14.9%、死亡事故的20.6%；2001年在美国发起的驾车
者警觉度测试和问卷调查结果显示, 516名驾驶者中, 24%感觉有疲劳驾驶, 10%调
查当天驾车时打过瞌睡, 50%回忆在驾车时打过瞌睡。由此可见,疲劳驾驶是造成
交通事故的一个重要因素,监测汽车驾驶员疲劳状态并在驾驶员出现疲劳状态的
初期给驾驶员以视觉或听觉上的警示，这对减少由疲劳驾驶引起的交通事故有重
要意义。
§1.3 疲劳检测方法概述
疲劳信号检测方法的主要研究内容是详细深入分析疲劳产生的机理并采取相
对的预防措施，一方面从人体的生理信号指标对疲劳状况进行分析，如对脑电图、
心电图、呼吸频率、血压、体表温度的精确检测分析，一方面从人体的外部行为
进行分析，如对眼部分析（瞳孔大小）、面部表情（打呵欠等）、头部位置等部位
的监测，让被测者利用以上检测结果对生理特征进行自我评测，从而对疲劳行为
进行自我约束。但是实际上，疲劳是以上多种因素综合作用的结果，即以中枢神
经为主导，身体代谢过程中的肌体反应为表征，并伴随着机体内部环境的变化和
相关机能的失调，逐渐波及其它肌体组织乃至全身[4]。近年来，随着电子技术和信
号处理技术的发展，基于各种人体生理信号的疲劳驾驶客观检测方法已成为安全
应用领域的研究重点，目前研究比较多的基于人体生理参数的检测方法有以下几
种。
1. 脑电图（EEG）信号检测。由于不同睡眠阶段脑电信号特征变化明显，许
多研究希望发现EEG与疲劳之间的联系。澳大利亚悉尼大学健康研究中心利用人
工神经网络对采集到的不同驾驶员的EEG信号进行处理，提取不同波段不同EEG
的典型特征并进行分类，以此来识别驾驶员的疲劳状况[5]。尽管EEG与驾驶疲劳之
间的关系研究很多，但结果却多种多样，在许多问题上并没有形成共识。而且，
脑电信号采集系统费用昂贵，检测过程繁琐耗时，同时长时间佩戴电极也容易造
成被测者的不适。这些都阻碍了脑电信号在疲劳检测中的应用。
2. 心电图（ECG）信号检测。心电信号的分析手段包括心率分析、心率变异
性分析等。另外，Calcagnini等人发现ECG信号的几个典型特征，如低频能量LF
（lowfrequency）、超低频能量VFH（very low frequency）、高频能量HF（high
frequency）及LF/HF的比率在驾驶员清醒和疲劳时有明显不同，利用ECG可判断驾
驶员是否疲劳或打瞌睡[6]。韩国研究者通过采集驾驶员的ECG信号，并对其心率变
化情况进行分析任务、情绪等多种因素对作业者的综合影响来确定驾驶员是否发
摘要：

I摘要疲劳是由于人们长时间工作而导致工作能力暂时下降的规律性生理现象,基于各种人体生理信号的疲劳检测方法日益成为安全应用领域的研究重点，脉搏检测作为一种可靠性较高、简单易行、操作方便、能较准确地反映人体疲劳状态的客观检测方法，在未来疲劳检测方法中具有非常重要的推广和应用价值。本文主要进行基于MSP430的脉搏信号同步采集分析系统的设计与研究。根据人体脉搏波信号的特征，设计性能优良的脉搏波信号采集系统，选用超低功耗16位单片机MSP430F449对采集的脉搏波信号进行记录、处理、传输。硬件部分为满足脉搏信号的采集要求，着重讨论了模拟放大电路的组成结构、工作原理、分析方法以及性能参数的计算。软件部...

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