【正文】 目前這個領(lǐng)域非常活躍，也是個充滿挑戰(zhàn)的課題，有待進(jìn)一步深入研究。 針對目前市場上的便攜式心電圖儀器價格昂貴、功能復(fù)雜，攜帶不方便 的局限性，本文設(shè)計了一種基于 STM32 芯片能夠?qū)崟r監(jiān)控并且價格低廉的便攜式心電信號采集儀。 圖 16 陷波電路實(shí)際效果 濾波 算法測試 由前述可知，通過前置放大，高通低通濾波以及陷波電路和放大電路后，用示波器觀 察出來的波形如圖 17(a)所示。 ? 共模抑制比 測量方法：兩輸入端輸入 50Hz 共模信號，測量輸出端對地電壓。 JLink 是 調(diào)試 ARM 嵌入式系統(tǒng)的常用工具。針對第一個問題，實(shí)際上就是把電壓值轉(zhuǎn)換成點(diǎn)的坐標(biāo)。 圖 15 濾波流程圖 液晶 程序設(shè)計 在本系統(tǒng)中 采用彩色 TFT 液晶，波形顯示清晰，界面良好。程序流程框圖如 14 所示 。 ADC_Init(ADC1, amp。 參數(shù)設(shè)置。但是這些問題可以通過移植操作系統(tǒng)來解決，操作系統(tǒng)的優(yōu)勢就是屏蔽了具體的硬件細(xì)節(jié)，可以讓開發(fā)人員把更多的精力放在應(yīng)用程序上。上位機(jī)是運(yùn)用 LabVIEW 編寫的，其功能是完成數(shù)據(jù)的接收和處理，其中主要包括對數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲。 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計 采用模塊化的編程思想，把整個軟件系統(tǒng)化為為多個功能模塊，主程序通過調(diào)用各個子程序來完成復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)。查看和調(diào)用 ? 堆 棧窗口：用于查看和修改變量的值， 并且現(xiàn)實(shí)當(dāng)前 函數(shù)調(diào)用 。 軟件開發(fā)平臺 Keil 是德國 Keil 公司（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前 ARM 內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。 電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。保證信號的原形，采用較平坦的巴特沃斯 有源濾波。濾波器有無源濾波器和有源濾波器兩種。因此，選用的放大器要特別注意這兩個參數(shù)。必要時還需要設(shè)計 50Hz 工頻干擾抑制電路，通過這樣處理后，得到的信號才可能有診斷價值。本系統(tǒng)用了 5 個按鍵，分別定義為上、下、 左、右、中鍵，前四個按鍵是對設(shè)置或訪問的液晶顯示對象進(jìn)行選擇，中間 是確定鍵，這樣就實(shí)現(xiàn)了既可以用 按鍵 功能，也可以用按鍵來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的設(shè)置，按鍵電路的實(shí)現(xiàn)比較簡單，這里不再詳述。便 攜式式是本系統(tǒng)設(shè)計時的一個指標(biāo)，因此液晶的尺寸不易過大，但也要便于觀察，選擇時要符合實(shí)際情況，過大則不便于隨身攜帶，過小則可能出現(xiàn)漢字或數(shù)字不便于觀察等問題。 人機(jī)交互界面 的 設(shè)計 人機(jī)交互界面是人與機(jī)器進(jìn)行溝通交流的 設(shè)備，它可以把人的指令傳入給 MCU，也可以讓設(shè)備顯示出我們所想知道的信息。本設(shè)計中最小核心系統(tǒng)設(shè)計圖如圖 3 所示 。 (5) STM32 擁有強(qiáng)大的庫函數(shù)。而且由于可用于 ARM 開發(fā)的工具軟件很多，大大加快了項(xiàng)目開發(fā)的速度和效率。所有型號的器件都包含 2 個 12 位的 ADC、 3 個通用 16 位定時器和一個PWM 定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個 I2C 和SPI、 3 個 USART、一個 USB 和一個 CAN。經(jīng)過綜合考慮本設(shè)計對處理器的選擇主要從以下五個方面來考慮： (1) 處理器的處理速度：在本設(shè)計中，處理器不僅要進(jìn)行濾波處理，同時還要實(shí)時顯示出心電波形，在通信的情況下還要與 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 8 PC 機(jī)進(jìn)行通信，因此，處理器要有較高的處理速度。 (3) 注重軟硬件結(jié)合， 軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低能耗和設(shè)備成本。 （ 5）上位機(jī)設(shè)計：在 PC 機(jī)上處理和顯示心電波形。心電信號由電極獲取，送人心電采集電路，經(jīng)前置放大、主放大、高低通濾波，得到符合要求的心電信號，并送入到 STM32 的 ADC 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。另外受到 50Hz 及其倍頻干擾和極化電壓的影響，對前置放大器和信號濾波電路的設(shè)計提出了更高的要求。同時，能減輕病人的心里緊張程度，實(shí)現(xiàn)心電檢測的方便性。 隨著社會的發(fā)展，心電圖檢測理論越來越成熟與完善，另外機(jī)械、電子、計算機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動 了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強(qiáng)了心電圖機(jī)的功能。 1895 年他開始了對心臟動作電流的進(jìn)一步研究，并通過對德?阿森瓦爾氏的鏡影電流計的設(shè)計改進(jìn)，提高了心電圖的質(zhì)量。 常規(guī)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備體積笨重、價格昂貴和不便于攜帶 ， 但是隨著社會生活水平的提高，醫(yī)療器械 家庭化開始逐漸進(jìn)入我 們的 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 2 日常生活，家庭化的心電圖儀器功能沒有專業(yè)的大型的醫(yī)療設(shè)備齊全 ，但是它具有 體積小、 操作簡單的優(yōu)點(diǎn) ， 同時可以在 一定程度上滿足了人們的基 本應(yīng)用。預(yù)防率是有效防治心腦血管疾病的關(guān)鍵因素，而且有效的方便的心電監(jiān)測儀器是完成這一任務(wù)的有力工具 。根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查顯示，我國每年大約有近一半的死亡病例為冠心病，而且死亡率還在逐年遞增。這是我們對心臟基本功能及其病理研究，具有重要的參考價值 [2]。這樣 不僅可以節(jié)省時間，還可以 得到實(shí)時的監(jiān)護(hù)，所以研發(fā)便攜式心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品具有重要意義。 1924 年 Einthoven 教授獲得了諾貝爾生理學(xué)和醫(yī) 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 3 學(xué)獎 [5]。 而實(shí)時心電數(shù)據(jù)將在該系統(tǒng)中有著重要的作用 。同時對心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù) 。 主要功能 本文的目的是通過先進(jìn)微處理器的應(yīng)用研究的主要內(nèi)容是通過將嵌入式技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和信號采集技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計一個能夠完成信號提取和分析功能的嵌入式心電圖監(jiān)測系 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 5 統(tǒng)。 （ 2）處理電路：主要完成對心電數(shù)據(jù)的 濾波、 陷波、放大、分析、顯示 和傳輸控制。因此，在開發(fā)過程 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 7 中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計。對于這些功能，即需要相對獨(dú)立的模塊化設(shè)計，又需要良好的協(xié)調(diào)。 (5) 盡可能底的功耗：便攜式設(shè)備對低功耗的要求都較高，必須最低限度的減少功耗，手持式設(shè)備的續(xù)航能力也是眾多參數(shù)比較受關(guān)注的一點(diǎn)，如何能有長時間的續(xù)航能力也是我們需要注意的一點(diǎn)。這樣在我們所設(shè)計的系統(tǒng)中就去掉了以往很多嵌入式項(xiàng)目設(shè)計中所需要的用于外部程序存儲器的 Flash 芯片和用于外部數(shù)據(jù)存儲器的 SRAM 芯片，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性 [10]。 (4) STM32 有優(yōu)秀的功耗控制 。在更廣的應(yīng)用領(lǐng)域中， USB 功能的實(shí)現(xiàn)將變得越來越方便，因?yàn)?USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過驗(yàn)證的固件包，使得用戶可以順利地開發(fā)各個類的 USB 固件。 表 1 啟動模式說明 (4) 模塊有 4 個數(shù)字電源供電引腳， 1 個模擬電源供電引腳以及相應(yīng)的接地引腳。比如波形、漢字、數(shù)字最好顏色不同。正如上面所提到的，性價比高是本系統(tǒng)設(shè)計的一個目標(biāo)，因此要可能的用符合設(shè)計要求價格低廉的產(chǎn)品。一般為了抑制零點(diǎn)漂移，提高共模抑制比，應(yīng)該分多級實(shí)現(xiàn)放大。 (5) 低噪聲、低漂移 在心電放大器中，還有兩個較重要的參數(shù)即噪聲和漂移。采用右腿驅(qū)動電路，對 50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號的頻率成分為代價。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 18 圖 9 50Hz 陷波電路 電源電路的設(shè)計 電源電路是整個系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，隨著便攜式產(chǎn)品的普及，如何降低功耗成為工程師面臨的急需解決的問題。 圖 11 AMS1117穩(wěn)壓電路 4 便攜式心電圖儀 的 軟件 設(shè)計 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計沿用經(jīng)典 的是模塊化的編程思想，首先 根據(jù)要求 設(shè)計好系統(tǒng) 的總 軟件流程，然后 再 分 別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 各模塊 的功能。 如圖 12 所示， 是它的 一個典型的調(diào)試 窗口 ， 它主要包括 以下幾個窗口： 圖 12 Keil MDK開發(fā)環(huán)境 ? 工程區(qū)：用于訪問文件組和文件，調(diào)試是可以查看 CPU寄存器。 3. 編譯應(yīng)用程序。主程序是個無限循環(huán)，通過調(diào)用各個子程序來完成系統(tǒng)的功能。由于早期的單片機(jī)由于硬件資 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 22 源少， RAM 資源有限，所以工程師在編程的時候?qū)?RAM 的應(yīng)用要十分小心，因此造成這類的設(shè)計開發(fā)工程師更加偏向于直接用匯編語言來控制硬件 的工作。因此，使用該固件庫可以節(jié)省設(shè)計者的許多時間，可使開發(fā)人員把更多的精力花費(fèi)在編程方面，加快了開發(fā)周期，減少了在應(yīng)用開發(fā)中的綜合開銷。 =ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1。 另一個界面是幫助界面，具體介紹各個按鍵的作用，具體流 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 24 程圖如圖 13 所示 。對于式 (1)， Buff_bp[4]數(shù)組里面存放的是前 4 次 yBP(n)的值， Buff_x[20]存放的是當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的前 20 次的 x(n20)數(shù)據(jù)，前 20 點(diǎn)的數(shù)據(jù) yBP(n)都為0,假設(shè)采集到第 20 點(diǎn)時，此時 n=20，把該點(diǎn)賦值給變量 [14]。 顯示的心電波形有兩個基本要求：一是波形清晰，無斷點(diǎn)， 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 27 二是波形無明顯失真。 調(diào)試手段 為檢驗(yàn)各模塊是否按要求進(jìn)行正常工作，借助萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器以及示波器來進(jìn)行檢測，通過測試結(jié)果完成對各個模塊完成功能的評估，對整體練調(diào)是一種很好的促進(jìn)手段。 采集電路的測試 采集電路主要是完成對心電信號的正確提取，主要 測試前置放大電路即 AD627 的性能測試，帶通濾波電路 測試及陷波電路測試等。測得，信號 65Hz 時開始有幅度衰減， 100Hz 時減為原幅度的 1/3