嵌入式系统综合实践

嵌入式系统综合实践课程设计(论文)脉搏波心率测量算法设计院（系）名称电子与信息工程学院专业班级计算机666学号1104010xx学生姓名XX指导教师李晗讲师起止时间：2014.12.29—2015.01.09课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院教研室：计算机科学与技术学号1104010学生姓名专业班级计算机666课程设计（论文）题目脉搏波心率测量算法设计课程设计（论文）任务任务要求：采集得到了脉搏波数字形式的数据，单片机通过这些数据计算心跳次数。要求用Matlab设计心率计算方法，使其计算给定脉搏波数据（1组）反应的心率次数。技术要求：1、要求输入函数test(x)，屏幕上出现脉搏波的心跳个数。2、在屏幕上画出计算心率各个过程原始数据的变化情况。3、分析把数据变化成什么样的形式才能用程序计算心率。指导教师评语及成绩平时成绩：答辩成绩：论文成绩：总成绩：指导教师签字：年月日注：平时成绩占20%，答辩成绩占40%，论文成绩占40%。本科生课程设计（论文）I目录第1章绪论..............................................................................................................11.1算法研究的背景...........................................................................................11.2算法研究的意义...........................................................................................11.3开发工具.......................................................................................................1第2章需求分析......................................................................................................32.1主要研究内容...............................................................................................32.2算法性能需求..............................................................................................3第3章算法的选择与比较......................................................................................43.1心电基线漂移去除方法的比较研究...........................................................43.1.1形态滤波.............................................................................................43.1.2FIR滤波..............................................................................................43.1.3小波变换.............................................................................................53.1.4中值滤波-小波变换........................................................................53.1.5拟合基线法原理.................................................................................53.2快速中值滤波的应用..................................................................................6第4章算法设计与编码..........................................................................................84.1算法设计.......................................................................................................84.2编码设计与分析...........................................................................................8第5章设计结果与分析........................................................................................115.1脉搏波心率测量算法设计目的.................................................................115.2脉搏波心率测量算法设计结果.................................................................115.3脉搏波心率测量算法设计的分析.............................................................14第6章总结............................................................................................................17参考文献..................................................................................................................18本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1算法研究的背景脉搏波信号处理算法的研究对于心血管疾病多参数检测技术的发展具有重大意义。近年来，脉搏波信号的特征提取已经成为人体健康监护领域的研究热点之一。通过脉搏波信号能够检测心血管功能的多项参数，具有无创、快速等特点，是防治心血管疾病的重要手段。目前，脉搏波信号的处理算法研究还小成熟，特别是信号的特征提取，使其在检测设备中的应用发展缓慢，开展该方而的研究具有重要的实际应用价值及社会意义。首先，对脉搏波信号特点及波形特征进行了分析，在此基础上采用了基于数学形态学的脉搏波信号预处理算法，分别设计了加权组介形态滤波器去除脉冲噪声和抑制基线漂移，并进行了仿真研究，该算法能够有效去除噪声而小损伤原信号的特征。其次，针对脉搏波信号与振动系统的联系，建立了基于振动理论的脉搏波信号特征提取数学模型，在此基础上，提出了脉搏波信号特征提取算法，对该算法进行了数学分析，证明其物理可实现性，得到了相关参数的范围。并针对脉搏波信号的周期、波形和血压信号特征，定义了相关的特征提取向量，并给出具体实现过程中的信号运算数学表达式。运算量较小、耗费时间也较短，仿真实验结果表明该方法是有效实用的。最后，脉搏波心率测量算法设计，利用实验系统采集到的脉搏波信号对算法进行验证，基于MATLAB对数据进行处理，得到最优算法。这将对心血管检测、数据分析有很大的帮助。1.2算法研究的意义从人体采集到的脉搏波信号，由于脉搏波信号信噪比比较低，给后续参数的准确测量带来了困难，所以对于噪声干扰的去除是非常重要而必须的。其中脉搏波信号中常见的噪声有工频干扰、基线漂移、肢体抖动、肌肉紧张而引起的干扰等，本文基于基线漂移法结合MATLAB对数据进行了实时的处理。用MATLAB计算了所给脉搏波信号的心跳次数。实现了MATLAB上对脉搏波信号的实时处理。1.3开发工具算法研究环境：1.硬件PC（操作系统：Winxp/Win7）2.软件Matlab本科生课程设计（论文）2MATLAB(MatrixLaboratory，矩阵实验室)是由美国MathWorks公司开发的一种功能强、效率高、简单易学的可视化软件，覆盖面包括控制、通讯、金融、图像处理、建筑、生物学等几乎所有的行业与科学领域。除了经典的一些算法外，MATLAB还提供了丰富的数据分析和处理功能模块,如神经网络、小波分析、信号处理、图像处理、自动控制、模糊控制、系统仿真等，因此MATLAB是一种高效的编程软件。本文介绍利用MATLAB软件作为技术平台，实现对统脉搏波快速、准确实时显示，而且实现方法简单有效，有一定的实用性。本科生课程设计（论文）3第2章需求分析2.1主要研究内容从上面的分析可以看到，尽管脉搏波信号处理领域的研究取得了较大的进展，并且相关处理方法在一定程度上得到了应用，但是，目前的信号处理方法还不够成熟，比如准确性不高，对非线性信号处理效果不理想;数学原理复杂，计算量大，不适合嵌入式应用;实时处理能力差，不利于在实时监护系统中的应用。用Matlab计算所给脉搏波信号的心跳次数主要研究内容有：(1)分析原始脉搏波数据的特点，研究脉搏波数据的预处理方法，寻找一种新的更适于脉搏波信号特点的方法，有效去除高频脉冲噪声和基线漂移，并且不损失原信号的特征，为脉搏波的特征提取奠定基础。(2)研究脉搏波信号的特征提取算法，根据脉搏波信号特征提出一种新的简单易实现、计算量小且具有在线处理功能的特征提取算法，对算法进行数学分析，并设计算法的具体实现过程，给出信号运算的数学表达式，分别实现脉搏波周期特征、波形特征与血压信号特征的提取，解决脉搏波的有效应用中存在的困难。(3)脉搏波信号测量算法设计，要求输入函数test(x),屏幕上出现脉搏波的心跳个数。2.2算法性能需求消除心电信号的基线漂移,是心电信号处理中的一个重要而又困难的问题。因为基线漂移严重时,往往使波形识别和参数测量成为不可能,甚至无法记录。发生基线漂移的原因有电极电阻变化、电极的极化电位变化、心电放大器的直流偏置漂移、人体呼吸或其他肌肉缓慢运动等。基线漂移的频率很低,其范围为0.05Hz至几Hz,其主要分量在0.1Hz左右。而心电信号的ST段频率也很低,其最大值约为0.6～0.7Hz,两者的频谱非常接近,所以如果使用高通滤波的方法消除基线漂移,即使采用线性相位的滤波器,也常常会引起严重失真。对基线漂移纠正方法的研究,在心电信号处理中有着重要意义。本文通过研究快速中值滤波在滤波心电图信号基线漂移中的应用，以及心电基线漂移去除方法的算法比较，得出简单、精确度比较高的算法，进而基于MATLAB求出脉搏波的心跳个数。本科生课程设计（论文）4第3章算法的选择与比较3.1心电基线漂移去除方法的比较研究基线漂移是心电信号幅值测量与形态分析(尤其是ST段)的重要影响因素,抑制基线漂移是正确获心电信息的前提。滤波法和拟合基线法是两类最常用的基漂抑制方法。传统方法如小取心电信息的前提。滤波法和拟合基线法是两类最常用的基漂抑制方法。传统方法如小波分解、形态滤波、FIR滤波、中值滤波、基于全部数据的最小二乘拟合法、基于基线上关键点的函数拟合法等,都在心电基漂