基于STM32的心率計(jì)（二）動(dòng)態(tài)閾值算法獲取心率值

時(shí)間：2021-10-08 16:51:18

關(guān)鍵字：心率計(jì) 動(dòng)態(tài)閾值

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[導(dǎo)讀]前言上一篇文章：基于uFUN開發(fā)板的心率計(jì)（一）DMA方式獲取傳感器數(shù)據(jù)，介紹了如何獲取PulseSensor心率傳感器的電壓值，并對(duì)硬件電路進(jìn)行了計(jì)算分析。心率計(jì)，重要的是要獲取到心率值，本篇文章將介紹一種采樣數(shù)據(jù)處理算法——?jiǎng)討B(tài)閾值算法，來獲取心率值，這種算法來自于一位網(wǎng)友：...

前言

上一篇文章：基于uFUN開發(fā)板的心率計(jì)（一）DMA方式獲取傳感器數(shù)據(jù)，介紹了如何獲取PulseSensor心率傳感器的電壓值，并對(duì)硬件電路進(jìn)行了計(jì)算分析。心率計(jì)，重要的是要獲取到心率值，本篇文章將介紹一種采樣數(shù)據(jù)處理算法——動(dòng)態(tài)閾值算法，來獲取心率值，這種算法來自于一位網(wǎng)友：玩的就是心跳 —— 使用 PulseSensor 脈搏傳感器測(cè)量心率(http://www.shaoguoji.cn/2017/06/29/use-pulsesensor-with-stm32/)，本文部分內(nèi)容摘自這篇文章。

IBI和BPM

心率，指的是一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)，得到心率最笨的方法就是計(jì)時(shí)一分鐘后數(shù)有多少次脈搏。但這樣的話每次測(cè)心率都要等上個(gè)一分鐘才有一次結(jié)果，效率極低。另外一種方法是，測(cè)量相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔，再用一分鐘除以這個(gè)間隔得出心率。這樣的好處是可以實(shí)時(shí)計(jì)算脈搏，效率高。
IBI：相鄰兩次脈搏的時(shí)間間隔，單位：s。
BPM：心率，一分鐘內(nèi)的心跳次數(shù)。即 BPM=6000/IBI

例如，在這張心率傳感器輸出信號(hào)的波形圖中，可以計(jì)算出，兩次波峰之間的時(shí)間為：0.685s，心率值為：60/0.685 = 87。

從網(wǎng)上找來的 arduino 開源算法復(fù)雜的一匹，看了一遍感覺一頭霧水（反正我暫時(shí)沒看懂）。由上面的分析可以得出，我們的最終目的就是要求出 IBI 的值，并通過 IBI 計(jì)算出實(shí)時(shí)心率。既然知道原理了那就自己來把算法實(shí)現(xiàn)吧。有興趣研究官方算法的朋友，可以下載：PulseSensor資料.rar。

核心操作 —— 識(shí)別一個(gè)脈搏信號(hào)

無論是采用計(jì)數(shù)法還是計(jì)時(shí)法，只有能識(shí)別出一個(gè)脈搏，才能數(shù)出一分鐘內(nèi)脈搏數(shù)或者計(jì)算兩個(gè)相鄰脈搏之間的時(shí)間間隔。那怎么從采集的電壓波形數(shù)據(jù)判斷是不是一個(gè)有效的脈搏呢？

顯然，可以通過檢測(cè)波峰來識(shí)別脈搏。最簡(jiǎn)單粗暴的方法是設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)讀取到的信號(hào)值大于此閾值時(shí)便認(rèn)為檢測(cè)一個(gè)脈搏。似乎用一個(gè) if 語句就輕輕松松解決。但，事情真的有那么簡(jiǎn)單么？

其實(shí)這里存在兩個(gè)問題。

問題一：閾值的選取

作為判斷的參考標(biāo)尺，閾值該選多大？10？100？還是1000？我們不得而知，因?yàn)椴ㄐ蔚碾妷悍秶遣淮_定的，振幅有大有小并且會(huì)改變，根本不能用一個(gè)寫死的值去判斷。就像下面這張圖一樣：

可以看出，兩個(gè)形狀相同波形的檢測(cè)結(jié)果截然不同 —— 同樣是波峰，在不同振幅的波形中與閾值比較的結(jié)果存在差異。實(shí)際情況正是如此：傳感器輸出波形的振幅是在不斷隨機(jī)變化的，想用一個(gè)固定的值去判定波峰是不現(xiàn)實(shí)的。

既然固定閾值的方法不可取，那自然想到改變閾值 —— 根據(jù)信號(hào)振幅調(diào)整閾值，以適應(yīng)不同信號(hào)的波峰檢測(cè)。通過對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)多次采樣，得出信號(hào)的最高與最低電壓值，由此算出閾值，再用這個(gè)閾值對(duì)采集的電壓值進(jìn)行判定，考慮是否為波峰。也就是說電壓信號(hào)的處理分兩步，首先動(dòng)態(tài)計(jì)算出參考閾值，然后用用閾值對(duì)信號(hào)判定、識(shí)別一個(gè)波峰。

問題二：特征點(diǎn)識(shí)別

上面得出的是一段有效波形，而計(jì)算 IBI 只需要一個(gè)點(diǎn)。需要從一段有效信號(hào)上選取一個(gè)點(diǎn)，這里暫且把它稱為特征點(diǎn)，這個(gè)特征點(diǎn)代表了一個(gè)有效脈搏，只要能識(shí)別到這個(gè)特征點(diǎn)，就能在一個(gè)脈搏到來時(shí)觸發(fā)任何動(dòng)作。

通過記錄相鄰兩個(gè)特征點(diǎn)的時(shí)間并求差值，計(jì)算 IBI 便水到渠成。那這個(gè)特征點(diǎn)應(yīng)該取在哪個(gè)位置呢，從官網(wǎng)算法說明可以看出，官方開源 arduino 代碼的 v1.1 版本是選取信號(hào)上升到振幅的一半作為特征點(diǎn)，我們可以捕獲這個(gè)特征點(diǎn)作為一個(gè)有效脈搏的標(biāo)志，然后計(jì)算 IBI。