基于單片機(jī)的心率曲線檢測儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23504基于單片機(jī)的心率曲線檢測儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計案例 1113161.1軟件系統(tǒng)概述 1167191.2主程序流程設(shè)計 25361.3心率曲線采集及數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計 4180831.4心率計算流程設(shè)計 537701.5DS18B20數(shù)據(jù)讀取 7138211.6ADXL345處理流程 7162701.7安卓APP設(shè)計 81.1軟件系統(tǒng)概述系統(tǒng)的硬件電路完成后，如果沒有軟件部分的設(shè)計和測試，就無法實現(xiàn)必要的功能。硬件和軟件是不可分割的，彼此無法分離。只有相互依存才能完整而有效地實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。當(dāng)然，軟件在整體設(shè)計中起著主導(dǎo)作用。好的軟件，在準(zhǔn)確性、可靠性、維修容易，容易理解，具備實時檢測等功能和特點是有必要的，所以整個系統(tǒng)可以節(jié)省更多的內(nèi)存，不僅硬件結(jié)構(gòu)可以比較容易的，但也可以削減成本。使系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定可靠。對于任何一個系統(tǒng)而言，軟硬件都是不可分割的整體，只有確保軟硬件的完整性，系統(tǒng)的各項功能才可以正常發(fā)揮作用。但在整個系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位的是軟件。一款好的軟件不但要具備準(zhǔn)確、可靠及易維修等特點，同時還必須具有實時檢測等多項功能。因此，若能減少系統(tǒng)內(nèi)存，一方面可以簡化硬件結(jié)構(gòu)，同時還能有效降低成本，此外，還能在一定程度上改善系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)要正常工作，首先必須確保軟件程序的準(zhǔn)確性與實用性。因此，在設(shè)計程序的過程中，需要同時考慮系統(tǒng)的應(yīng)用功能與潛在功能，而且必須符合相關(guān)設(shè)計規(guī)則的要求。有些特殊功能只有當(dāng)系統(tǒng)處于運行狀態(tài)時才能實現(xiàn)。就現(xiàn)實情況來看，一方面是市場競爭日益激烈，同時系統(tǒng)也越來越復(fù)雜，受此影響，對于代碼編寫也提出了更高的要求。從共同開發(fā)的角度看，應(yīng)推動代碼編寫向標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化方向發(fā)展。盡管如此，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，芯片在容量與速度方面都有明顯的改善。因此，程序空間的大小程度在開發(fā)過程中并不是一個主要困難。目前，編程重點關(guān)注的是選擇適合的開發(fā)工具以節(jié)省時間與經(jīng)濟(jì)成本。在任何一個項目的開發(fā)中，明確的分工與良好的協(xié)作都是非常重要的，同時還要確保軟件的邏輯結(jié)構(gòu)是合理、清晰的，而C語言就能使軟件編程實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化。此外，由于提供的數(shù)據(jù)類型相對更加復(fù)雜，因此不再需要通過手動方式對SCM資源進(jìn)行分配，這樣一方面可以有效增強(qiáng)程序的處理能力，同時還能使其變得更加靈活。這個版權(quán)軟件是C語言的編程，精通使用，這是非常方便的，效率高，為實現(xiàn)強(qiáng)有力的表現(xiàn)功能，代碼和低水平的高水平的語言，語言的許多優(yōu)勢組合，功能豐富，應(yīng)用廣闊的范圍是非常具有特點。因此，這個系統(tǒng)的軟件選擇了C語言來開發(fā)。1.2主程序流程設(shè)計當(dāng)前進(jìn)行程序設(shè)計有多種環(huán)境可供篩選，比如說ADS、IAR以及KEIL等?，F(xiàn)在，在進(jìn)行ARM系統(tǒng)開發(fā)時使用相對更多的是KEIL軟件。從用戶的角度看，在這種開發(fā)環(huán)境中不但可進(jìn)行編輯與編譯工作，同時還能進(jìn)行調(diào)試、連接等多項其他工作，操作也更為簡單、方便。本文中使用的KEILuVision5軟件進(jìn)行編寫和調(diào)試的。有關(guān)于KEIL軟件的編譯和調(diào)試環(huán)境，如下圖4-1所示。圖4-1KELL軟件界面心率曲線檢測儀程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化：初始化GPIO、I2C通信接口、USART串口初始化、液晶顯示初始化、外部中斷初始化和系統(tǒng)RTC初始化。系統(tǒng)初始化完成后，對閾值進(jìn)行一定的設(shè)定。設(shè)定好后，系統(tǒng)開始更新顯示標(biāo)志并進(jìn)行顯示器的初始化，在軟件程序中，經(jīng)過按鍵掃描后對TFT液晶顯示屏繪制了一個簡單的二維坐標(biāo)(x，y)，從而來劃分要顯示文字和圖像的區(qū)域。漢字是由計算ASCII碼來進(jìn)行掃描打點讀取的，通過EXTIx_Init(PA0，EXTI_Trigger_Rising，2)采集心率脈沖量后，初始化Flash中的數(shù)據(jù)，完成上電初始化后顯示內(nèi)容。讀取AD轉(zhuǎn)換值，傳感器讀取的信號在一定硬件處理下擴(kuò)大十倍電壓值，使得顯示屏能夠顯示當(dāng)前值點，通過LCD_DrawLine(disx，(100-readAdChVal)+50，remXplace，remYplace)函數(shù)把當(dāng)前點和上一個采樣點連接起來，完成心率曲線顯示的實現(xiàn)。同時對溫度和狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測后，進(jìn)行與設(shè)定閾值進(jìn)行對比，超出閾值范圍將會啟動報警系統(tǒng)，蜂鳴器會發(fā)出報警聲；不超出閾值的情況下報警系統(tǒng)不會報警。各系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)完成后，液晶顯示屏?xí)缕滹@示數(shù)據(jù)和波形圖，并把所獲取到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)APP端。待藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，此階段的數(shù)據(jù)測量完成，并返回開始新的測試，從而達(dá)到實時的測量目的，具體流程圖如圖4-2所示。圖4-2主程序流程圖1.3心率曲線采集及數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計STM32中的AD轉(zhuǎn)換其實就是一種數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它同時使用的通道最多可達(dá)到18個，測量內(nèi)外的信號的分別有2和16個。對于ADC的結(jié)果，可以將其設(shè)置為向左或向右對齊，而且會將它的對齊方式存入數(shù)據(jù)寄存器（通常為16位）之中。心率曲線采集及數(shù)據(jù)處理的核心算法在STM32內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換，定義Adc_Init()后，設(shè)置ADC分頻因子6，即初始化ADC_CLKConfig()，將PA1作為其模擬輸入引腳，配置好其工作模式為轉(zhuǎn)換1和轉(zhuǎn)換2為獨立模式，并把模數(shù)轉(zhuǎn)換工作在單通道模式和單次轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換由軟件觸發(fā)而不是外部觸發(fā)。圖4-3子程序流程圖使能指定轉(zhuǎn)換1和復(fù)位校準(zhǔn)后，等待校準(zhǔn)完成，再使能指定的轉(zhuǎn)換1的軟件轉(zhuǎn)換啟動后，獲得AD轉(zhuǎn)換值。設(shè)置指定AD轉(zhuǎn)換的規(guī)則組通道、序列、采樣時間和周期后，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，返回最近一次轉(zhuǎn)換1規(guī)則組的轉(zhuǎn)換結(jié)果。讀取AD轉(zhuǎn)換值adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_1，1)，進(jìn)行五次求平均后，通過LCD_DrawLine(disx，(100-readAdChVal)+50，remXplace，remYplace)函數(shù)把當(dāng)前點和上一個采樣點連接起來，再通過remXplace=disx++remYplace=(100-readAdChVal)+50函數(shù)記錄該次顯示的點坐標(biāo)，作為上次坐標(biāo)，由此完成波形顯示的實現(xiàn)。具體流程圖如圖4-3所示。1.4心率計算流程設(shè)計由上文得知心率是一種隨心臟脈搏周期變化的信號，但由于從傳感器中傳輸?shù)拿}沖并非方波，但在硬件中添加了硬件使得在此得到的波形恰好是方波，由此對于軟件部分的工作難度大大降低了。對于所捕獲的各個方波，都要檢測其高電平與低電平的持續(xù)時長，并對其獲得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部計算，從而得到此刻的心率值。心率檢測原理圖如圖4-4所示。圖4-4心率檢測原理圖其程序流程為：配置初始化GPIO，將其輸入捕獲設(shè)置成為上升沿捕獲，所以如果想要第一次捕獲上升沿，就必須進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)功能。中斷服務(wù)函數(shù)是由上升沿與下降沿兩種函數(shù)組成的。如果檢測到首個上升沿且已進(jìn)入上升沿函數(shù)，這時因首個上升沿具有一定特殊性，因此需要指定一個相應(yīng)的標(biāo)志，并根據(jù)它來判斷有沒有檢測到首個上升沿。當(dāng)首次使用定時器時，計數(shù)要以0為起點，同時要為單片機(jī)設(shè)置相應(yīng)的捕獲下降沿，這樣當(dāng)再次進(jìn)入中斷功能時，就能自動捕獲其下降沿。當(dāng)下落邊被捕捉到時，則進(jìn)入到下降沿函數(shù)，此時立刻終止計數(shù)，同時要將這一時刻計時器上的數(shù)據(jù)儲存起來；然后再將單片機(jī)設(shè)置成捕獲上升沿，并重新啟動計時器，以便于進(jìn)入接下來的中斷函數(shù)。當(dāng)開啟下一次中斷時，必須捕獲上升沿。此時進(jìn)入上升沿，即可種植計數(shù)，存儲當(dāng)前數(shù)據(jù)且開始得到低電平的持續(xù)時長。然后，設(shè)定其捕捉下降沿，開始重啟定時器。在這個迭代中，每個心跳的方波的高電平和低電平持續(xù)時間被獲得，為進(jìn)一步的計算做準(zhǔn)備。高低電平的持續(xù)時間是通過控制定時器獲取的，其時間的總和為一次脈搏時間。將計數(shù)的頻率設(shè)定為1Mhz，意味著每一微妙計一次數(shù)，則檢測心率的計算公式為：H=其中，H為心率值、單位為每分鐘多少次、x為高電平時間、y為低電平時間，單位為微秒，分子為1×106us，用一秒除以檢測高低電平的總時長得到心跳周期，再乘以60，此值即心率值。心率檢測流程圖如圖4-5所示。圖4-5心率檢測流程圖上述獲取的數(shù)據(jù)都屬于瞬時值，出于提高準(zhǔn)確率的考慮，還應(yīng)對其進(jìn)行濾波的計算。首先需要濾波處理下捕獲到的兩種電平，如果上升沿或下降沿被捕獲到，要在很短時間內(nèi)連續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行多次檢測，以確定它長時間保持的電平狀態(tài)。若既不屬于低電平也不屬于高電平，表明捕獲失敗，還需要重新進(jìn)行捕獲，這樣就能降低捕獲到錯誤數(shù)據(jù)的概率。就對數(shù)據(jù)的處理而言，通常會實用限幅與算數(shù)平均兩種算法進(jìn)行濾波，要不間斷地采集四次數(shù)據(jù)，同時還要對峰值與谷值進(jìn)行設(shè)定?；蚴窃?秒內(nèi)不間斷地采集數(shù)據(jù)，一方面要設(shè)定上限與下限，同時還要考慮可能出現(xiàn)的各種突發(fā)情況，接下來要計算數(shù)據(jù)的平均值。1.5DS18B20數(shù)據(jù)讀取在溫度模塊的程序設(shè)定中，首先定義My_DS18B20的初始化，配置好其GPIO且模式設(shè)定為推挽式輸出后，等待其回應(yīng)，返回0與返回1的區(qū)別在于是否檢測到其存在，前者表示其檢測成功，后者正好相反。DS18B20處理函數(shù)較為重要的包括：DS18B20_Rst(MyPinDefpin)復(fù)位DS18B20；DS18B20_Check(MyPinDefpin)檢測DS18B20；DS18B20_Init(MyPinDefpin)初始化函數(shù)；DS18B20_Read_Bit(MyPinDefpin)讀取位；DS18B20_Read_Byte(MyPinDefpin)讀取字節(jié)；DS18B20_Write_Byte(MyPinDefpin,u8dat)寫入；DS18B20_Start(MyPinDefpin)開始轉(zhuǎn)換溫度；DS18B20_GetTemp(MyPinDefpin)獲取溫度值。1.6ADXL345處理流程再ADXL345的程序設(shè)定中，首先進(jìn)行函數(shù)的初始化，再對其三個軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析和計算后，得到其檢測狀態(tài)。另在自動校準(zhǔn)過程后，對重力加速度的三個分量角度進(jìn)行計算分析，檢測其步數(shù)并進(jìn)行累計。ADXL345處理函數(shù)流程如下：ADXL345_Init(void)初始化函數(shù)；ADXL345_ReadXYZ(int16*x,int16*y,int16*z)讀取X,Y,Z三個軸的數(shù)據(jù)；ADXL345_ReadAverage(u8times)讀取數(shù)據(jù)次數(shù)，再取平均；ADXL345_AutoAdjust(void)自動校準(zhǔn)；ADXL345_GetAngle(Dir_ADXL345dir)獲得重力加速度分量的角度；ADXL345_CheckStep(void)檢測步數(shù)；ADXL345_ClearStep(void)清空步數(shù)。1.7安卓APP設(shè)計安卓APP