基于STM32的心率计(2):R波识别算法设计

前言

上一篇文章：基于uFUN开发板的心率计（一）DMA方式获取传感器数据，介绍了如何获取PulseSensor心率传感器的电压值，并对硬件电路进行了计算分析。心率计，重要的是要获取到心率值，本篇文章将介绍一种采样数据处理算法——动态阈值算法，来获取心率值，这种算法来自于一位网友：玩的就是心跳 —— 使用 PulseSensor 脉搏传感器测量心率(http://www.shaoguoji.cn/2017/06/29/use-pulsesensor-with-stm32/)，本文部分内容摘自这篇文章。

IBI和BPM

心率，指的是一分钟内的心跳次数，得到心率最笨的方法就是计时一分钟后数有多少次脉搏。但这样的话每次测心率都要等上个一分钟才有一次结果，效率极低。另外一种方法是，测量相邻两次脉搏的时间间隔，再用一分钟除以这个间隔得出心率。这样的好处是可以实时计算脉搏，效率高。 IBI： 相邻两次脉搏的时间间隔，单位：s。 BPM：心率，一分钟内的心跳次数。即 BPM=6000/IBI

例如，在这张心率传感器输出信号的波形图中，可以计算出，两次波峰之间的时间为：0.685s，心率值为：60/0.685 = 87。

从网上找来的 arduino 开源算法复杂的一匹，看了一遍感觉一头雾水（反正我暂时没看懂）。由上面的分析可以得出，我们的最终目的就是要求出 IBI 的值，并通过 IBI 计算出实时心率。既然知道原理了那就自己来把算法实现吧。 有兴趣研究官方算法的朋友，可以下载：PulseSensor资料.rar。

核心操作 —— 识别一个脉搏信号

无论是采用计数法还是计时法，只有能识别出一个脉搏，才能数出一分钟内脉搏数或者计算两个相邻脉搏之间的时间间隔。那怎么从采集的电压波形数据判断是不是一个有效的脉搏呢？

显然，可以通过检测波峰来识别脉搏。最简单粗暴的方法是设定一个阈值，当读取到的信号值大于此阈值时便认为检测一个脉搏。似乎用一个 if 语句就轻轻松松解决。但，事情真的有那么简单么？

其实这里存在两个问题。

问题一：阈值的选取

作为判断的参考标尺，阈值该选多大？10？100？还是1000？我们不得而知，因为波形的电压范围是不确定的，振幅有大有小并且会改变，根本不能用一个写死的值去判断。就像下面这张图一样：

可以看出，两个形状相同波形的检测结果截然不同 —— 同样是波峰，在不同振幅的波形中与阈值比较的结果存在差异。实际情况正是如此：传感器输出波形的振幅是在不断随机变化的，想用一个固定的值去判定波峰是不现实的。

既然固定阈值的方法不可取，那自然想到改变阈值 —— 根据信号振幅调整阈值，以适应不同信号的波峰检测。通过对一个周期内的信号多次采样，得出信号的最高与最低电压值，由此算出阈值，再用这个阈值对采集的电压值进行判定，考虑是否为波峰。也就是说电压信号的处理分两步，首先动态计算出参考阈值，然后用用阈值对信号判定、识别一个波峰。

问题二：特征点识别

上面得出的是一段有效波形，而计算 IBI 只需要一个点。需要从一段有效信号上选取一个点，这里暂且把它称为特征点，这个特征点代表了一个有效脉搏，只要能识别到这个特征点，就能在一个脉搏到来时触发任何动作。

通过记录相邻两个特征点的时间并求差值，计算 IBI 便水到渠成。那这个特征点应该取在哪个位置呢，从官网算法说明可以看出，官方开源 arduino 代码的 v1.1 版本是选取信号上升到振幅的一半作为特征点，我们可以捕获这个特征点作为一个有效脉搏的标志，然后计算 IBI。

算法整体框架与代码实现

分析得出算法的整体框架如下：

• 缓存一个波形周期内的多次采样值，求出最大最小值，计算出振幅中间值作为信号判定阈值
• 通过把当前采样值和上一采样值与阈值作比较，寻找到「信号上升到振幅中间位置」的特征点，记录当前时间
• 寻找下一个特征点并记录时间，算出两个点的时间差值，即相邻两次脉搏的时间间隔 IBI
• 由 IBI 计算心率值 BPM

代码如下，程序中使用一个 50 长度的数组进行采样数据缓存，在主函数 while (1) 中以 20ms 的周期不断执行采样、数据处理，其中的条件语句 if (PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE) 就表示找到了特征点、识别出一次有效脉搏，串口输出心率计算结果。

1. int main(void)
2. {
3. int i;
4. LED_Init();
5. delay_init(); //延时函数初始化
6. UART1_Config(115200); //串口初始化为9600
7. ADC1_Init();
8. while(1)
9. {
10. preReadData = readData; // 保存前一次值
11. // readData = GetPulseSensorValue(); // 读取AD转换值
12. readData = 4095 - ADC_ConvertedValue; // 读取AD转换值
13. if((readData - preReadData) < filter) // 滤除突变噪声信号干扰
14. data[idx++] = readData; // 填充缓存数组
15. if(idx >= DATA_SIZE)
16. {
17. idx = 0; // 数组填满，从头再填
18. // 通过缓存数组获取脉冲信号的波峰、波谷值，并计算中间值作为判定参考阈值
19. max = Get_Array_Max(data, DATA_SIZE);
20. min = Get_Array_Min(data, DATA_SIZE);
21. mid = (max + min) / 2;
22. filter = (max - min) / 2;
23. }
24. PRE_PULSE = PULSE; // 保存当前脉冲状态
25. PULSE = (readData > mid) ? TRUE : FALSE; // 采样值大于中间值为有效脉冲
27. if(PRE_PULSE == FALSE && PULSE == TRUE) // 寻找到“信号上升到振幅中间位置”的特征点，检测到一次有效脉搏
28. {
29. pulseCount++;
30. pulseCount %= 2;
31. if(pulseCount == 1) // 两次脉搏的第一次
32. {
33. firstTimeCount = timeCount; // 记录第一次脉搏时间
34. }
35. if(pulseCount == 0) // 两次脉搏的第二次
36. {
37. secondTimeCount = timeCount; // 记录第二次脉搏时间
38. timeCount = 0;
39. if((secondTimeCount > firstTimeCount))
40. {
41. IBI = (secondTimeCount - firstTimeCount) * SAMPLE_PERIOD; // 计算相邻两次脉搏的时间，得到 IBI
42. BPM = 60000 / IBI; // 通过 IBI 得到心率值 BPM
43. if(BPM > 200) //限制BPM最高显示值
44. BPM = 200;
45. if(BPM < 30) //限制BPM最低显示值
46. BPM = 30;
47. }
48. }
49. // printf("B%d\r\n", BPM);
50. printf("SIG = %d IBI = %d, BMP = %d\r\n\r\n", readData, IBI, BPM);
51. }
52. SIG = readData;
53. // printf("S%d\r\n", SIG); // 上位机S数据发送
54. timeCount++; // 时间计数累加
55. delay_ms(SAMPLE_PERIOD); // 延时再进行下一周期采样
56. if(i++ >= 50)
57. {
58. LED = !LED;
59. i = 0;
60. }
61. }
62. }

将传感器正面轻按在食指上，单片机在每检测到一个脉搏时打印心率值 BPM 和相邻两次脉搏的时间间隔 IBI，实测结果还算稳定。

注意事项：

• 避免手指触碰传感器背面
• 传感器与手指之间不要施加过大压力，否则会阻碍血液流动而读不到脉搏信号
• 传感器与手指之间的接触要保持稳定，按压力度的轻微变化都会影响电压值

要获取到稳定的数据，可以胶布缠一下：

另外这种传感器还可以夹在耳垂下面：

总结

与许多可穿戴设备的心率传感器相比， PulseSensor 还存在很大差距，而自己写程序也仅仅是达到「勉强可用」的程度，输出数据偶尔还是会有大波动。代码也还有许多可改进的地方（比如将 20ms 的数据采样处理用定时器中断实现）。传感器采集到数据只是前提，对数据的处理才是一切应用的核心，不断地调整参数、改良算法也是整个过程中最有趣的部分。