【正文】 設(shè)計 便攜式心電圖儀要求具有可移動性和再開發(fā)性，不僅便于攜帶、功能盡可能的完善能夠?qū)崟r對心電信號進(jìn)行處理，而且要求隨著發(fā)展可以進(jìn)一步升級滿足人們更多 的需求。 （ 3）按鍵電路：完成良好的人機(jī)交互。系統(tǒng)控制芯片采用 STM32， TFTLCD 的觸摸功能加上少量按鍵可以建立良好的人機(jī)交互環(huán)境 ，可以通過 LCD 實時顯示和回放，數(shù)據(jù)通過USB 可靠地傳輸?shù)?PC 機(jī)，以便對心電數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。主要研究工作如下： (1) 心電圖儀的硬件設(shè)計： ? 采集電路：準(zhǔn)確提取生理信號，把信號處理為可供采集分析的有 效信號； ? 處理電路：完成信號的采集、濾波、顯示、分析和傳輸?shù)取Ｍ瑫r便攜式設(shè)備必須是低功耗設(shè)備這限制了多數(shù)的微處理器，鋰電池供電對信號僅僅用硬件濾波還不能達(dá)到分析信號的要求，硬件濾波的一個缺點(diǎn)是，要想獲得更好的濾波效果， 必須設(shè)計更高的階數(shù)，而這無疑會增加系統(tǒng)的體積。 設(shè)計符合市場需求的產(chǎn)品是企業(yè)生存的根本，利用 高科技帶來的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械更是一個巨大的市場機(jī)會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護(hù)設(shè)備必將越來越普及 [6]。 （ 5）遠(yuǎn)程化 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 4 計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為遠(yuǎn)程醫(yī)療的實現(xiàn)提供了可能，將心電數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸，在遠(yuǎn)端對心電數(shù)據(jù)加以分析處理并提出診斷結(jié)果，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。 （ 2）數(shù)字化 隨著計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械電子的迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械的數(shù)字化程度越來越高，比如數(shù)字濾波器的使用，極大的降低了心電干擾，提高了心電判斷的準(zhǔn)確率。目前各大醫(yī)療器械廠商都投入巨資開發(fā)性能更強(qiáng)、功能更加完善的心電設(shè)備，比如歐姆龍、北京超思、亞新、均在該領(lǐng)域的研究與生產(chǎn)上有所突破。總之這位 被尊稱為“心電圖之父”的生理學(xué)家對心電圖的創(chuàng)立及發(fā)展有著巨大的 貢獻(xiàn)。同時，他又制定心電圖的影線在縱坐標(biāo)上波動 1cm，代表 1mV 的電位差，在 橫坐標(biāo)上移動 1cm 為 秒的標(biāo)準(zhǔn)。 本文主要研究的 便攜式心電圖儀，即將普 通心電圖設(shè)備小型化、家庭化，具有低價位、體積小、便于攜帶和使用方便等特點(diǎn) 。 這樣也可 以避免那些行動不便的病人， 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳送的方式，提 交到專業(yè)機(jī)構(gòu)或指定的醫(yī)院驚醒專業(yè)診斷和分析 。 心電圖能夠 在一定程度上 反映心律的運(yùn)行狀況， 人的 心肌受損的程度、發(fā) 展過程以及心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況 都能通過它表現(xiàn)出來。在心臟肌肉每次收縮之前，都會產(chǎn)生一股微小的生物電流，加上人體的體液能夠?qū)щ?，這些微小電流可以通過體液的傳遞就會反映到人體的表面皮膚上。每年約有 16萬名患者接受支架植入手術(shù)，手術(shù)施行每年的增長率超過了五分之一。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 目 錄 1 引言 ???????????????????? ? 1 心電圖儀在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 ????????? ? 1 便攜式心 電圖儀的發(fā)展?fàn)顩r ????? ????? ? 2 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 ???????????????? ? 4 主要功能 ?????????????????? ? 4 系統(tǒng)設(shè)計方案 ???????????????? ? 5 3 便攜式心電圖儀的硬件設(shè)計 ??????????? 6 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計 ?????????????? 7 處理器的選擇 ???????????????? 7 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計 ??????????? 8 人機(jī)交互界面的設(shè)計 ????????? ????? 12 顯示界面設(shè)計 ???????????????? 12 按鍵設(shè)計 ?????????????????? 14 前置放大電路以及右腿驅(qū)動電路 ????????? 15 濾波電路以及陷波電路的設(shè)計 ?????????? 16 電源電路的設(shè)計 ???????????????? 18 4 便攜式心電圖儀的軟件設(shè)計 ??????????? 19 軟件開發(fā)平臺 ????????????????? 19 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計 ??????????????? 21 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 軟件總體分析 ??????????????? 21 STM32 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程 ?????????? 21 軟件總體流程圖 ?????????????? 23 信號采集程序設(shè)計 ?????????????? 23 數(shù)字濾波程序設(shè)計 ?????????????? 25 液晶程序設(shè)計 ???????????????? 26 5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及誤差分析 ??????????? 27 調(diào)試手段 ?????????????????? 27 測量調(diào)試以及分析 ???????? ?????? 28 采集電路的測試 ?????????????? 28 濾波算法測試 ??????????????? 29 整體測試和結(jié)果分析 ???????????? 30 結(jié)束語 ???????????????????? ? 32 參考文獻(xiàn) ???????????????????? 34 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 1 1 引言 隨著社會的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，我國人口老齡化程度越來越嚴(yán)重，與此伴隨的心臟病一類的疾病的 發(fā)病率也不斷攀升，人們的身體健康產(chǎn)生了巨大的威脅。在我國因心腦血管疾病每年耗費(fèi)達(dá) 3000 億元，由于受測試手段的局限，預(yù)防率、治療率及控制率依然很低。不過受限于身體各部分組織不同、距心臟的距離不同，會造成體表的不同部位的電位有所不同。這些都可以在心臟手術(shù)和藥物的使用上提供重要的參考 [3]。 為了能夠在更多場合更方便的診斷， 各種各樣的便攜式心電圖設(shè)備 應(yīng)運(yùn)而生 ，常規(guī)心電圖 儀由于笨重只能在病人 靜臥 的情況下記錄的心電活動，歷時時間短， 獲取 的 信息 量很少 ，所以在 有限時間內(nèi)有些非正常的情況被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。 便攜式心電圖儀 的發(fā)展?fàn)顩r 1887 年英國生理學(xué) Einthoven通過對毛細(xì)管的靜電計記錄了心動的電流圖 [4]。這種方法簡單直觀，并采用 P、 Q、 R、 S、 T 等字母標(biāo)出心電圖上的各波，這種標(biāo)記方法一致沿用至今。心電圖從此開始逐步走進(jìn)協(xié)助診斷疾病，并通過發(fā)展被廣泛應(yīng)用于臨床。 綜觀當(dāng)前心電檢測儀器發(fā)展趨勢，主要向以下幾個方向發(fā)展： （ 1）系統(tǒng)化 隨著醫(yī)院計算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)化、信息存儲介質(zhì) 和 IC 卡等的應(yīng)用及 Inter 的全球化而產(chǎn)生的。 （ 3）無線化 無線傳感技術(shù)的發(fā)展能夠促使心電檢測無線化，從而擺脫傳統(tǒng)心臟檢測的繁瑣程序。如目前出現(xiàn)的基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。 2 系統(tǒng)總體設(shè)計 由于心電信號的微弱性，我們對心電信號的提取具有一定難度。因此還有必要采用軟件濾波的方法，這就對處理器的速度和軟件的優(yōu)化提出了更高的要求 [7]。 (2) 心電圖儀的軟件設(shè)計： ? STM32 芯片各模塊初始化程序； ? 數(shù)字濾波處理程序； ? 人機(jī)交互界面的程序設(shè)計； 系統(tǒng)設(shè)計方案 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如 圖 1 所 示。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)主要劃分為三大部分：心電采集電路，主要完成心電信號的提?。粠V波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號，使之符合處理要求； STM32 處理電路，完成心電信號的顯示和 分析功能。 （ 4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關(guān)信息。本心電圖儀集信號的采集、處理、傳輸三大功能于一體。 (2) 選擇典型電路，按照模塊化設(shè)計，系統(tǒng)擴(kuò)展與 I/O 的配置充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)冗余，以便進(jìn)行二次開發(fā)。 由于便攜式心電圖儀有很強(qiáng)的可移動性，便于使用者攜帶，同時也要求功能完善，能夠?qū)崟r對心電信號進(jìn)行處理。 處理器的選擇 處理器相當(dāng)于人體的大腦機(jī)制，整個系統(tǒng)在處理器合理指揮調(diào)度下才能完成我們賦予他們的任務(wù)，所以一款合適的處理器對于整個系統(tǒng)來說是非常重要的。因此在選擇 MCU 的時候，希望 MCU 內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡化系統(tǒng)設(shè)計，增加系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計 STM32F103x 增 強(qiáng) 型 系 列 芯 片 使 用 高 性 能 的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為最高可達(dá) 72MHz，內(nèi)置高速存儲器 (高達(dá) 128K 字節(jié)的 FLASH 和 20K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強(qiáng) I/O 端口和連接到兩條 APB 總線的外設(shè)。 STM32 微控制器有如下優(yōu)點(diǎn)： 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 9 (1) STM32 內(nèi)部有高達(dá) 128K 字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。 這給項目的開發(fā)工作帶來了很大的便利，因為在以前的工作中曾經(jīng)使用過其他 ARM 核心的微控制器，所積累的經(jīng)驗 在本項目的開發(fā)中得到了充分發(fā)揮。但在某些情況下，需要遠(yuǎn)程設(shè)置或修改配置參數(shù)。STM32 經(jīng)過特殊處理，針對應(yīng)用中三種主要的功耗需求進(jìn)行優(yōu)化，這三種能耗需求分別是運(yùn)行模式下的高效率的動態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時極低的電能消耗和電池供電時的低電壓工作能力 [11]。 STM32 固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問 STM32 的 各個標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。 總之， STM32 芯片在項目中的使用，使得整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性、功耗、生產(chǎn)成本等都比同類系統(tǒng)有了較大的提升。 (2) 晶振電路：這里選用兩個晶振，首先 8M 無源晶振，晶振兩端分別通過 22pF 的電容接地，另一個 的晶 振使用的 15pF 的電容接地電路簡單，并能很容易的就能使晶振起振。電源和地之間加若干去藕電容。主要從以下幾個參數(shù)