基于J2ME的脈搏波測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.2 主控電路和藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

主控芯片采用PDIP-20封裝的C8051F330單片機(jī)，易于焊接，其使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器內(nèi)核。CIP-51與MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)部件，包括4個16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、一個具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART、一個增強(qiáng)型SPI端口、768字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器（SFR）地址空間，僅使用簡單的外部電路便可以搭建系統(tǒng)。

HC-05模塊采用的是CSR BC417143B藍(lán)牙芯片，同時(shí)內(nèi)置8 M Flash.具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（MASTER）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）3種工作角色。當(dāng)模塊處于自動連接工作模式時(shí)，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)能執(zhí)行AT命令。通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實(shí)現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換。

這里使用其P0.4與P0.5口作為UART傳輸口，與藍(lán)牙模塊的UART口通信。

Sout為經(jīng)過采集和放大電路輸出的脈搏信號，輸入到C8051F330的P1.7進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，C8051F330與HC05的UART口對接，將采樣和濾波以后的信號傳輸給藍(lán)牙模塊。開關(guān)S1用于藍(lán)牙模塊復(fù)位，二極管D2用于顯示藍(lán)牙模塊狀態(tài)。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)D2熄滅，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)D2閃爍。電路如圖3所示。



圖3 控制與通信電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)端的輸入信號采樣濾波和藍(lán)牙程序、手機(jī)端的J2ME藍(lán)牙客戶端程序設(shè)計(jì)兩大部分。

3.1 單片機(jī)端濾波設(shè)計(jì)

由于人體呼吸、電極移動會產(chǎn)生脈搏信號中的基線漂移干擾，頻率較低，一般在0.7 Hz以下，屬于低頻干擾，為了獲取較好的效果必須盡量消除其影響。人體脈搏波信號為準(zhǔn)周期的時(shí)間序列，在不同周期的同一相位，其脈搏波的幅值近似不變。如果局部脈搏波在某一時(shí)刻發(fā)生突變，則這一時(shí)刻其幅度必不等于其臨近脈搏波同一相位幅度，根據(jù)這一思路，中值濾波的方法處理效果比較好。中值濾波法能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果，因此首先采用中值濾波法盡量消除突發(fā)擾動。其基本方法是連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列然后取中間值為本次有效值。

移動平均濾波對快速周期性運(yùn)動干擾有較強(qiáng)的抵御能力，是對模擬濾波補(bǔ)充的低通濾波器，用于實(shí)時(shí)檢測，只要采樣率足夠高，就能得翻較為理想的測量結(jié)果。因此系統(tǒng)在中值濾波后再加一級移動平均濾波對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次濾波。

具體算法是：

y（i）=c1y（k）+c2y（k-1）+…+ciy（k-m+1） （1）

式中，y（k）表示第k次采樣時(shí)刻的濾波輸出，各y（i）表示第i次采樣時(shí)刻的信號輸入，括號中的數(shù)字i代表第i次采樣時(shí)刻，c1、c2、…、cm是加權(quán)系數(shù)。

上式意義是將本次輸入數(shù)據(jù)連同以前共m次的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均。如果各ci值相同且等于1/m時(shí)，就成為m項(xiàng)算術(shù)平均運(yùn)算。

3.2 藍(lán)牙設(shè)計(jì)

藍(lán)牙協(xié)議棧提供了一組高層協(xié)議和API以完成發(fā)現(xiàn)服務(wù)和模擬串行I/O,還有一個關(guān)于包分割和重組的低層協(xié)議以及多路技術(shù)協(xié)議和質(zhì)量服務(wù)。藍(lán)牙協(xié)議棧如圖4所示。



圖4 藍(lán)牙協(xié)議棧

應(yīng)用層（Application）：這一層運(yùn)行的是藍(lán)牙通信的J2ME通信程序，通過調(diào)用藍(lán)牙無線層的API,就可以直接書寫相應(yīng)的通信功能的程序。

藍(lán)牙無線層（JSR-082）：所有開發(fā)的API均在該層調(diào)用，與下層交互。

服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議層（SDP）：用于在遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備上尋找服務(wù)。服務(wù)器維護(hù)一張服務(wù)記錄列表，每個服務(wù)記錄都包含服務(wù)器上一個服務(wù)的信息，每個服務(wù)對應(yīng)一個服務(wù)記錄。客戶端訪問服務(wù)器時(shí)，首先要獲得服務(wù)器的訪問記錄，然后通過服務(wù)記錄建立連接。

邏輯鏈接控制器適配層協(xié)議（1.2CAP）：為上層協(xié)議提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務(wù)，并提供多協(xié)議功能和分割重組操作，可傳輸和接收最大長度64 KB的L2CAP數(shù)據(jù)包。

虛擬串口協(xié)議（RFCOMM）：基于L2CAP協(xié)議的虛擬串口協(xié)議，因?yàn)樗试S藍(lán)牙設(shè)備模擬串口的功能，所以采用它進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

對象交換（OBEX）：可以用來傳輸文件或者交換對象數(shù)據(jù)，OBEX協(xié)議是基于RFCOMM實(shí)現(xiàn)的。

主機(jī)控制器接口（HCI）層：這一層是主機(jī)和控制器之間的接口，其他所有的層都要經(jīng)過HCI。

3.2.1 單片機(jī)藍(lán)牙設(shè)計(jì)

單片機(jī)使用UART接口和藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信。HC-05為藍(lán)牙透明傳輸模塊，專為具有異步串口的用戶提供快捷藍(lán)牙點(diǎn)對點(diǎn)通訊。用戶不需任何協(xié)議，就像有線電纜連接一樣，只需對串口寫入數(shù)據(jù)，就可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端用戶設(shè)備。上電后藍(lán)牙主機(jī)模塊復(fù)位、讀藍(lán)牙模塊地址、設(shè)置狀態(tài)參數(shù)和初始化模塊，與遠(yuǎn)端的手機(jī)連接成功后，可以通過UART異步串口與從機(jī)通信。這里將HC-05設(shè)置為主機(jī)模式，經(jīng)過初始化后提供藍(lán)牙服務(wù)，等待手機(jī)端藍(lán)牙客戶端連接。

3. 2.2 手機(jī)端J2ME設(shè)計(jì)

J2ME（Java2 Platform,Micro Edition）是Sun專門為小型的資源受限的消費(fèi)性電子設(shè)備的應(yīng)用程序開發(fā)所提供新的Java版本，它廣泛的使用于移動電話、PDA（個人數(shù)字助理以及電視機(jī)頂盒等眾多小型資源受限設(shè)備中。對于J2ME來說，由于其得天獨(dú)厚的跨平臺性與良好的可移植性，使得其在設(shè)備繁多、平臺異常混亂的手機(jī)與PDA市場更顯得如魚得水。

J2ME平臺是由配置（Configurations）和簡表（Profile）構(gòu)成的。配置是提供給量大范圍設(shè)備使用的最小類庫集合，在配置中同時(shí)包含Java虛擬機(jī)（JVM）。簡表是針對一系列設(shè)備提供的開發(fā)包集合。在J2ME中還有一個重要的概念：可選包（Optioual Package），它是針對特定設(shè)備提供的類庫，比如某些設(shè)備是支持藍(lán)牙的，針對此功能，J2ME中制定了JSR82（Bluetooth API）提供了對藍(lán)牙的支持。程序流程圖如圖5所示。