【正文】 /* Private function prototypes */ void ADC_Config(void)。 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure。 課題研究期間，我還得到了同實驗室 的很多老師的悉心指導(dǎo)和幫助，他們是寧春玉老師、嵇曉強(qiáng)老師、金麗紅老師、趙春華老師、龐春穎老師、曹秒老師、浙大葉樹明老師等，在此對他們表示衷心的感謝。實驗結(jié)果表明，采集到的心電信號波形完整，干擾較小，信號傳輸穩(wěn)定，可以提供必要的心電監(jiān)護(hù)信息，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計要求。 圖 44 JLink SWD 接口設(shè)置 JLink 成功連接好后，通過程序編譯下載、運行，在電腦串口調(diào)試助手中接收顯示傳輸?shù)男碾姅?shù)據(jù)，如圖 45 所示： 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 25 圖 45 串口調(diào)試助手接收顯示的心電數(shù)據(jù) 用 MATLAB 工具對接收到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，心電波形復(fù)現(xiàn)如圖 46所示： 圖 46 心電波形復(fù)現(xiàn)圖 本章小結(jié) 本章主要對系統(tǒng)軟件的開發(fā)設(shè)計做了全面的闡述，給出了程序流程圖及芯片配置。 (5)讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果 。 根據(jù)本系統(tǒng)的性能要求，選擇 200 Hz 采樣率。 其編輯界面如圖 41 所示： 圖 41 Keil μVision4 編輯界面 傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計 在本系統(tǒng)中采用 STM32L151C8 進(jìn)行心電信號采集與轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 22 境使用的是 Keil 公司的 Keil MDKARM，采用 C 語言進(jìn)行編寫，系統(tǒng)軟件流程圖如圖 42 所示。但是采集到的心電信號中沒有 U 波成分，且放大倍數(shù)不是很理想， 這與采集電路中電阻電容參數(shù)有關(guān)，需根據(jù)實際情形做進(jìn)一步調(diào)整。由于沒有隔離電路，使得 8 管腳間輸入增益調(diào)節(jié)電阻產(chǎn)生變化， 導(dǎo)致前置放大的放大倍數(shù)失真，應(yīng)在反相放大之前接入 (例如：阻值為 20KΩ ）電阻。 a)正面 b）反面 圖 310 電裝好的 PCB 板 系統(tǒng)硬件調(diào)試是個復(fù)雜的過程，要能理論聯(lián)系實際，對問題做細(xì)致的分析，長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 19 以找出解決問題的辦法。雙面布線時，兩面相鄰走線要避免平行產(chǎn)生干擾，盡量采用交叉走線方式。 本設(shè)計所選用的器件均采用單電源供電，供電電壓為 ，系統(tǒng)總體的電流消耗為 100mA 左右。 PC 端接收數(shù)據(jù)則是一個相反的過程 。該芯片工作于數(shù)字 ISM頻段，屬于 Class 2 功率類型，最大發(fā)射功率僅為 ，有效通信距離可達(dá) 10m，通訊速率最大為 2Mbps，傳輸速度快。 圖 35 STM32L151 基本外圍電路 從圖 35 中可以看出，在設(shè)計 STM32L151 時要注意以下幾個部分： (1) 晶振電路：這里選用 8M 無源晶振，晶振兩端分別通過 22pF 的電容接地電路簡單并能很容易的就能使晶振起振。 (2)擁有內(nèi)置的 ARM 核心，與其他的 ARM 工具和軟件兼容，便于開發(fā)。 式 (36)所示為心電信號經(jīng)過濾波放大后所得到的總傳遞函 數(shù)： ccV21RSCRR R1SCR SCRGVV 4141 166 66id2O U T ?????? ）（）（ (36) 至此，心電信號經(jīng)過了濾波及兩級放大，已將心電信號放大到以 為基準(zhǔn)電壓的伏級水平。長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 圖 33 前置放大、右腿驅(qū)動連接圖 由于本文設(shè)計中選用兩級放大，第一級放大 10 倍，所以由 INA333 的增益公式 VO=G(VIN+VIN)及 G=1+100kΩ/RG(RG=)得到式 (31)： idCCidCCO U T V10V21GVV21V ???? (31) 濾波及二級放大模塊 從前置 儀表放大器輸出的心電信號，可能會混有極化電壓等產(chǎn)生的低頻干擾和高頻噪聲，且心電信號的頻率范圍在 之間，所以必須設(shè)計帶通濾波器，將帶外噪聲去除，同時還需對信號進(jìn)行二級放大。 )的電源供電下運行，其靜態(tài)電流僅為 50μA，非常適合電池供電的系統(tǒng)。 本設(shè)計采用 TI公司的精密儀表放大器 INA333。 (3)頻率響應(yīng)：臨床上標(biāo)準(zhǔn) ECG 信號的有效頻帶一般為 之間，系統(tǒng)要求在此頻帶內(nèi)電路不失真的放大心電信號。 在系統(tǒng)供電方面，擬采用普通的 2 節(jié) 5 號電池供 給電源模塊 ，所以在硬件電路設(shè)計時應(yīng)盡可能選用低功耗、適合于電池供電的器件并充分考慮各種節(jié)電方法。系統(tǒng)應(yīng)能夠保證長時間穩(wěn)定可靠工作。 本章小結(jié) 本章主要介紹了心電信號的產(chǎn)生機(jī)理及特征，并對目前主流的藍(lán)牙短距離無線通信技術(shù)做了分析。 藍(lán)牙工作 于 國際通用 ISM(industry scientific and medical)頻段，為了避免 與 其他無線通信系統(tǒng)的相互干擾 ， 采用了跳頻 技術(shù) (frequency hopping)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果不采取一定的去噪手段，可以從心電信號的頻譜中發(fā)現(xiàn) 50Hz 的幅度極高，基本把心電信號淹沒掉，這是由于人體的天線效應(yīng)造成的。 心電信號的獲取 為了統(tǒng)一和便于比較所獲得的 ECG 波形，臨床上對測定 ECG 的電極位置和導(dǎo)聯(lián)線與放大器的連接方式有嚴(yán)格的統(tǒng)一規(guī)定，稱之為心電圖的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)。 心電信號是一個近似周期信號，它的特點是突變性很強(qiáng)，屬于一種非常典型的具有明顯時頻特性與時間 尺度特性的生物醫(yī)學(xué)信號 [13]。 QRS 間期：從 Q 波開始至 S 波終了的時間間隔。 心電信號的組成及特征 正常情況下，心電圖上的每個心動周期中出現(xiàn)的波形曲線的改變是有規(guī)律的。 (3)詳細(xì)闡述了系統(tǒng)軟件的設(shè)計過程，給出了系統(tǒng)軟件流程圖，對系統(tǒng)初始化、 MCU 模數(shù)轉(zhuǎn)換及 UART 數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行了 C 程序編寫，并對系統(tǒng)軟硬件做了聯(lián)合測試。 隨著心電監(jiān)護(hù)和家庭健康技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)儀有向小型化、便攜化、家庭化發(fā)展的趨勢 。 美國科學(xué)家 Holter 于 1949年首 創(chuàng) 動態(tài)心電圖 (Dynamic Electrocardiography DCG)，又稱 Holter 心電圖。 現(xiàn)有家用心電監(jiān)護(hù) 儀器 ， 雖然其 功能大致 可以 滿足患者使用的需要，但仍然存在許多問題，如 某些 監(jiān)護(hù)儀器要求患者將紀(jì)錄的數(shù)據(jù)周期地送往診所進(jìn)行會診，實時性 較差 。由于心臟 病具有病情隱蔽 、 發(fā)展緩慢、發(fā)病危險性高的特點，它對心臟病患者、特別是中老年患者的危害性極大，是威脅人類生命安全的 “ 第一殺手 ” [1]。本文以嵌入式微控制器 STM32L151C8 和低功率藍(lán)牙芯片 HC06為基礎(chǔ)，設(shè)計了一便攜式心電信號采集和無線傳輸系統(tǒng)。 3．在畢業(yè)設(shè)計（論文）中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。 STM32L151C8。 由于心臟類疾病具有長期性和突發(fā)性，要及時、準(zhǔn)確掌握患者的第一手資料僅靠患者到醫(yī)院做一次或幾次心電圖是不夠的。 該弦線式電流計采用了新的設(shè)計方法，利用極細(xì)的鍍銀石英絲代替動圈，并通過反射鏡記錄長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 2 心動電流，解決了以前測量設(shè)備的惰性大、記錄誤差大以及需要繁瑣的數(shù)學(xué)計算等缺點。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前國內(nèi)外各大醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)商都投入巨資開發(fā)功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)的心電設(shè)備。 主要研究工作及內(nèi)容 本文以 超低功耗微控制器 STM32L151C8和藍(lán)牙芯片 HC06為基礎(chǔ)， 結(jié)合目長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 3 前國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，研究 設(shè)計 了 單導(dǎo)聯(lián)心電采集模塊，并通過藍(lán)牙無線透傳將原始數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，采集模塊具備低功耗、便攜式特點。從而造成體表不同點之間的電位差不同，通過采集這些電位差就可以繪制出心電圖來。它代表從心房激動開始到心室開始激動的時間，正常為 ~。偏高或降低超出上述范圍，便屬異常心電圖。 (3)高阻抗：人體源阻抗一般可達(dá)幾 KΩ 至幾十 KΩ，呈高阻抗性，其作為心電信號的信號源，給心電信號的檢測帶來了不利，容易造成心電信號的誤差和失真。通過電極檢 測到的 ECG信號中含有幾種不同類型的干擾，主要為工頻干擾、基線漂移、電極接觸噪聲、肌電干擾等，其中 50Hz 及其倍頻附近的工頻干擾和 以下的極化電壓干擾是最重要的兩個干擾源。 多參數(shù)病人模擬器 本系統(tǒng)選擇實驗室的多參數(shù)病人模擬器作為心電信號源，其輸出信號穩(wěn)定，波形準(zhǔn)確，給系統(tǒng)測試帶來方便。 除藍(lán)牙技術(shù)外，其他較為 成熟 的短距離無線通信技術(shù)還有紅外、 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 無線局域網(wǎng)技術(shù)和 Home RF 家用無線局域網(wǎng)技術(shù)。 (2)安全性原則：系統(tǒng)要符合便攜式設(shè)備的安全規(guī)定，保證電氣性能安全。將此路微弱的差分信號送 到 高共模抑制比 (CMRR)、 高阻抗 的 精密 儀表放大器 中 進(jìn)行 一級 放大 ； 系統(tǒng)中設(shè)計了右腿驅(qū)動電路，該電路采用以人體為相加點的共模電壓負(fù)反饋的方法將反饋的共模信長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 號接到人休的右腿 (RL)上，目的 是 克服 50Hz 的工頻干擾 ，以 進(jìn)一步提高共模抑制比。一般要求 CMRR80dB。本文設(shè)計中選用兩級放大，第一級放大 10 倍，第二級放大 33 倍。 INA333 具有非常低的偏移電壓 (25181。 通常，周圍環(huán)境所產(chǎn)生的工頻干擾等在人體上形成的共模電壓對病人的心電信號的干擾是非常嚴(yán)重的，為此在電路中設(shè)計了右腿驅(qū)動電路，它可以很好的抑制共模。 1f HF ??? ? (34) 電阻 R R4，電容 C1 及集成運放 OPA330 構(gòu)成低通濾波及二級放大電路。此外還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口 ：多達(dá) 2 個 I2C 和 SPI、 2 個 USART、 1 個 USB。因此本系統(tǒng) MCU電路實際上就是基于 STM32151LC8芯片的基本外圍電路。 SWD 接口能方便的在線調(diào)試程序，給調(diào)試工作帶來了極大的便利。由于采用了內(nèi)嵌藍(lán)牙協(xié)議棧的藍(lán)牙模塊，使用起來相當(dāng)一個普通的串行器件，所以只要編制 UART 傳輸控制程序即可完成任務(wù)。它只需要三個小的外圍器件。因為電路中采用藍(lán)牙 RF 芯片 HC06，所以在布局時除了需注意應(yīng)將藍(lán)牙芯片盡量遠(yuǎn)離電源模塊以避免電源對其的串?dāng)_，還要給藍(lán)牙天線留有足夠的空間。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 18 圖 39 PCB 板圖 PCB 板調(diào)試 在系統(tǒng)的硬件設(shè)計完成之后，電裝和調(diào)試就成為系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容，調(diào)試成功的硬件系統(tǒng)是軟件功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。 用示波器測試放大器的 5 腳和 6 腳輸出，顯示輸出電壓均在 ，且輸出穩(wěn)定。調(diào)試過后的電源模塊和信號調(diào)理模塊工作正常，在此基礎(chǔ)上利用病人模擬器，對其發(fā)出的心電模擬信號進(jìn)行采集與調(diào)試，以驗證電路對心電信號的響應(yīng)。 Keil 公司是一家專門從事微控制器軟件開發(fā)工具研發(fā)的軟件供應(yīng)商。 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 首先 需要 解決 以下兩個問題 ： (1)采樣率 ： 美國心臟學(xué)會推薦的采樣率為 500 Hz，實際中不同應(yīng)用 使用 不同的采樣率 ， 監(jiān)護(hù)時多采用 200 Hz 或 250 Hz， 輔助分析時多用 400 ~500 Hz，而 動態(tài) HOLTER 一般取 125~200 Hz[21]。 (2)使能 ADC 時鐘 ，利用高速內(nèi)部時鐘 HSI 進(jìn)行預(yù)分頻，得到 ADCCLK，提供給 ADC 進(jìn)行采樣時間選擇。 系統(tǒng)軟件調(diào)試 在系統(tǒng)軟件調(diào)試的過程中 ， 由于版權(quán)問題的限制 ，網(wǎng)上下載的 Keil 開發(fā)環(huán)境中所使用的編譯和鏈接文件是 Keil 公司提供的評估版 ， 當(dāng)代碼大于 32Kbytes時就會無法編譯 。 通過對系統(tǒng)全面的調(diào)試和驗證，可以在示波器中看到濾波放大后由 P 波、QRS 波及 T 波組成的心電信號。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 27 參考文獻(xiàn) [1] 趙龍鳳，陳賢祥，任仁，夏善紅 .基于藍(lán)牙的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計 [J].科學(xué)技術(shù)與工程， 2020， 11(17)： . 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