【正文】 。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?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]。 （ 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?？傊@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)。 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) 。 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。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。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。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]。 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]。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。 （ 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。 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。 (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。 （ 4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關(guān)信息。 (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)。 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。 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)。 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。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]。 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。電源和地之間加若干去藕電容。 (2) 尺寸。相關(guān)參數(shù)： ? 分辨率： QVGA 240 x 320 ? 尺寸： 英寸 ? 控制器： IL9320 ? 觸摸屏： 4 線電阻式 ? 接腳： 30PIN 間距 ? 背光： 4 LED 并聯(lián) 具體接口電路設(shè)計如圖 4 所示 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 14 圖 4 LCD顯示界面借口 按鍵設(shè)計 對于實現(xiàn)人機(jī)交互的場合，按鍵是比較常用的，通過按鍵來選 擇系統(tǒng)的功能，完成對系統(tǒng)的訪問控制。可以設(shè)計高通、低通濾波器來壓縮頻帶，濾除該頻帶以外的干擾信號。另外，溫漂會引入直流電壓增益從而給心電信號帶來干擾。 圖 7 右腿驅(qū)動電路 濾波電路以及陷波電路的設(shè)計 為濾除干擾需要設(shè)計帶通濾波器，使頻率為 ～ l00Hz 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 17 的心電信號通過，該范圍以外的信號將大幅度衰減掉。常用的方法是巴特沃斯（ Butterworth）逼近和切比雪夫（ Chebysher） [13]逼近。因此電源管理越發(fā)顯得重要。本章主要討論系統(tǒng)軟件在 STM32 上的編程與實現(xiàn)。 ? 內(nèi)存窗口：顯示指定地址內(nèi)村里的內(nèi)容。 5. 聯(lián)機(jī)調(diào)試。 (2) 上位機(jī)管理軟件。但是這種開發(fā)方式隨著系統(tǒng)的復(fù)雜度的增高也變的愈加吃力了，因為對開發(fā)人員要熟悉芯片的內(nèi)部資源，能夠進(jìn)行寄存器配置，這樣就對工程師的要求比較高。 實際應(yīng)用開發(fā)時，我們用外設(shè)的時候一般有三個步驟，這里以 ADC1 外設(shè)為例簡單介紹一下開發(fā)流程： 打開配置文件 ，打開 ADC1 的宏開關(guān) define _ADC define _ADC1 //這里選擇了打開 define _ADC1 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 23 加載 文件 是 ADC 對應(yīng)的庫文件，對 ADC 的一系列操作都在封裝好了放在這類文件里。//右對齊格式 = 1。STM32 的片內(nèi) ADC 是 12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在 16 路模擬輸入中任選一路進(jìn)行采樣，其最高采樣率為 1MHz，心電信號的頻率較低，片內(nèi) ADC 足以滿 足系統(tǒng)采樣定理的要求，這樣可以提高采樣的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)成本。軟件流程如圖 15 所示 。相比較而言顯然第二種方法比較好，因為整個區(qū)域刷新是很費(fèi)時間的問題，有可能影響畫圖的速度，而第二種方法就有效的克服了這個問題，另外從實際效果來看，視覺 效果也比較好。串口調(diào)試 工具是通過串行通信 接口 與主控芯片的進(jìn)行信息 交互，其輸出波特率與數(shù)據(jù)幀的格式都可以進(jìn)行設(shè)置 ， 具 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 28 有使用靈活、操作簡便的特點(diǎn)。差模增益為 ，與理論計算相一致。調(diào)節(jié)波形如圖 16 所示。在熟悉了軟硬件開發(fā)環(huán)境后，采用模塊化設(shè)計，把整個系統(tǒng)化分為多個小模塊并逐步去實現(xiàn)。二是利用 計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等處理方法，這樣系統(tǒng)就有了自主診 斷功能。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 33 總之，隨著科技的日新月異，人們生活水平的不斷提高，人們物質(zhì)生活的層次逐步提高，對待健康與保健的重視程度越來越強(qiáng)，這就為醫(yī)療器械的發(fā)展帶來了極大的機(jī)遇，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。易攜帶的特性存儲數(shù)據(jù)，能夠完成長時間的心電 監(jiān)測 ，并選用 TFTLCD 彩色液晶進(jìn)行實時心電波形顯示，通過按鍵使該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面。雖然 R波明顯出來但是很顯然干擾比較大，經(jīng) STM32 處理器經(jīng)行數(shù)據(jù)濾波后產(chǎn)生波形如圖 17(b)所示，該波形明顯優(yōu)越于未經(jīng)處理的波形，由此可見數(shù)字濾波有效 [16]。輸入 輸出 ，所以，共模增益為： 。 在每一部分程序 調(diào)試 通過后 ， 對所有子程序進(jìn)行整合編 寫出完的主程序 。 本設(shè)計中用液晶 X 軸中間的部分來顯示波形， X 軸坐標(biāo)值范圍為 60~180，而心電信號的電壓值范圍為 0~2V，則第一個問題轉(zhuǎn)化為把電壓范圍 0~2 映射 到坐標(biāo) 60~180 的范圍內(nèi)。液晶控制的關(guān)鍵 在于編寫底層驅(qū) 動程序，底層驅(qū)動寫好以后再封裝不同功能的函數(shù)，以后調(diào)用就很方便了 。 圖 14 數(shù)據(jù)采集流程圖 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 25 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在 ADC_RegularConvertedValue 變量里，轉(zhuǎn)換狀態(tài)用全局變量 dmaflag 來標(biāo)記， dmaflag＝ 0 代表轉(zhuǎn)換未結(jié)束， dmaflag＝ 1 代表轉(zhuǎn)換結(jié)束。ADC_InitStructure)。包括配置采用周期、觸發(fā)方式、工作模式、數(shù)據(jù)存儲格式等，開發(fā)人員只需根據(jù)所需要求在對應(yīng)的參數(shù)位置設(shè)置即可。 本系統(tǒng)設(shè)計時考慮移 植操作系統(tǒng)，但是對于具體的應(yīng)用存在一些不足之處：首先，操作系統(tǒng)在對數(shù)據(jù)區(qū)的開銷以及一些變量的存儲方面浪費(fèi)了很多的 RAM 資源，有限的 RAM 資源就無法有效的分配。處理是指利用 PC 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能對上傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析的結(jié)果。下面具體介紹各個模塊的實現(xiàn) 。 ? 代碼窗口：用于查看和編輯源文件。 Keil提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些功能組合在一起。電源電路設(shè)計主要考慮用哪種類型的電源器件，輸入輸出電壓，輸出電流以及控制狀態(tài) [15]。高通濾波器的設(shè)計與低通濾波器相似，這里不再敘述。無源低通 濾波器是由無源器件（電阻，電容，電感）組成。綜上所述該方案選用具有上述 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 16 優(yōu)點(diǎn)的 AD620， 具體 設(shè)計電路圖如圖 6 所示 。 (3) 共模抑制比 電極不對稱、電氣設(shè)備運(yùn)行時的干擾都易產(chǎn)生極化電壓，然后通過放大電路其值極有可能遠(yuǎn)比心電信號大得多，從而將微弱的信號淹沒。具體電路實現(xiàn)如圖 5 所示。 (3) 功耗。 顯示界面設(shè)計 首先，針對要完成一款便攜式心電儀的設(shè)計，那么在 LCD的選擇上，就要符合實際的需要，必須要考慮功耗和成本。 圖 3 最小核心系統(tǒng)設(shè)計圖 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 12 由圖 3 中可以看出，在設(shè)計 STM32 最小系統(tǒng)時要注意一下幾個部分： (1) 復(fù)位電路：利用 RC 電路的延時特性，設(shè)計了簡單的復(fù)位