【正文】 于右腿驅(qū)動(dòng)存在交流干擾電壓的反饋電路，而交流電流經(jīng)人體，成為不安全因素，限流電阻通常在 1MΩ以上。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。 ? 輸出窗口 ： 顯示編譯結(jié)果，以便快速查找錯(cuò)誤的地方，同時(shí)還是調(diào)試命令輸入輸出窗口，也可以用于顯示查找結(jié)果。該部分總體開發(fā)思路是，首先完成 STM32 片上資源的初始化，其次是完成各個(gè)子程序的編寫，最后主程序通過調(diào)用主程序完成所要實(shí)現(xiàn)的功能。這是 STM32 軟件開發(fā)十分顯著的優(yōu)點(diǎn)。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化A / D 數(shù) 據(jù) 采 集L C D 顯 示是 否 有 按 鍵 按 下按 鍵 功 能程 序NYU S A R T 發(fā) 送 圖 13 系統(tǒng)總體流程圖 信號(hào)采集程序設(shè)計(jì) 心電信號(hào)的精確采集對于后面的進(jìn)一步處理至關(guān)重要。在顯示波形時(shí)需要解決三個(gè)問題：一是把采集到的電壓值轉(zhuǎn)換成液晶上的高度；二是兩點(diǎn)之間要連續(xù)；三是刷新方式，刷新的一種方 法是在波形顯示到屏幕的最右邊時(shí)整個(gè)波形區(qū)域刷新為空，然后重新從最左邊顯示，另一種方法是邊顯示邊刷新，即在顯示的后邊的一小塊區(qū)域刷新為空，也就是邊顯示邊刪除。 (1)AD620 的性能測試 ? 差模增益 測量方法：差動(dòng)輸入端，正端接信號(hào)源信號(hào)，負(fù)端接地，輸入信號(hào)為 150mV，測量 AD620A 的輸出端對地的電壓，其值為1020mV。其次是對于芯片的選擇也是非常重要的，本文選用了性價(jià)比高的基于 CortexM3 的 STM32 芯片作為微處理器，該 MCU 能夠很好的完成系統(tǒng)所需的功能。目前各大醫(yī)療器械廠商不斷推出新式的醫(yī)療設(shè)備，而便攜式、家庭化的無疑更具有競爭力，也符合人們目前的消費(fèi)需求與理念。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 30 圖 17(a) 未經(jīng)濾波的波形 圖 17(b) 經(jīng)濾波后的波形 整體測試 和 結(jié)果分析 從效果可以看出心電波形顯示正常 ，波形穩(wěn)定，基本沒有工頻干擾，說明硬件與軟件濾波起到了作用。在開發(fā)環(huán)境中完成程序編譯之后，通過JLink 工具把程序代碼下載到 STM32 處理器中，然后通過程序的調(diào)試功能來進(jìn)行程序的調(diào)試。 STM32 的 FSMC 模塊是能夠與同步或異步的存儲(chǔ)器和 16 位的 PC 存儲(chǔ)器卡的接口，它的主要作用是： ? 將 AHB 傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議 ? 滿足訪問外部設(shè)備的時(shí)序要求 通過這樣的方法 就可以把液 晶當(dāng)作外部存儲(chǔ)設(shè)備來使用， 通過配置 讀寫及控制信號(hào) 的時(shí)序，用 指定指 針就可以實(shí)現(xiàn)對液晶的讀寫訪問。 ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_14,1,ADC_SampleTime_13Cycles5)。其次， STM32 方便的庫文件開發(fā)方式本身就屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，處于以上考慮在本次開發(fā)中沒用移植操作系統(tǒng)，而采用庫文件的方式來開發(fā)設(shè)計(jì)。 軟件總體分析 從整體上看，該系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)大的部分： (1) 下位機(jī)軟件即 STM32 應(yīng)用程序。 uVision 當(dāng)前最高版本是uVision3,它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。 帶通濾波器用高低通濾波器來構(gòu)成，如圖 8 所示。 圖 6 前置信號(hào)采集電路 由于人類受到大量的外部干擾， 心電電極和電力線之問由于存在電容耦合會(huì)產(chǎn)生位移電流 Id， 降低位移電流干擾的一種有效辦法是采用右腿驅(qū)動(dòng)法，圖 7為右腿驅(qū)動(dòng)的具體連接電路。 圖 5 按鍵接口電路 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 15 前置放大電路以及右腿驅(qū)動(dòng)電路 前置放大電路要完成的功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的差分放大，該部分電路在整個(gè)采集電路中至關(guān)重要，因?yàn)楹罄m(xù)信號(hào)的處理都是以此為基礎(chǔ)的。對于人機(jī)交互部分，顯然采用單色液晶顯然已經(jīng)不能滿足的需要，因 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 13 此把 LCD 的選擇定位在了彩色液晶上。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 10 圖 2 STM32F103x 的模塊框圖 STM32 固件庫。圖 2 是 STM32F103x 的模塊框圖 [9]。 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 以應(yīng)用為中心、軟件硬件可裁剪的、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格 綜合性要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分有機(jī)的結(jié)合在一起，作為一種典型的嵌入式應(yīng)用 [9]。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(shí)時(shí)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。 （ 5）遠(yuǎn)程化 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 4 計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。同時(shí)，他又制定心電圖的影線在縱坐標(biāo)上波動(dòng) 1cm，代表 1mV 的電位差，在 橫坐標(biāo)上移動(dòng) 1cm 為 秒的標(biāo)準(zhǔn)。在心臟肌肉每次收縮之前，都會(huì)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(huì)反映到人體的表面皮膚上。不過受限于身體各部分組織不同、距心臟的距離不同，會(huì)造成體表的不同部位的電位有所不同。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。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(gè)發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿蟛糠郑盒碾姴杉娐罚饕瓿尚碾娦盘?hào)的提??；帶通濾波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號(hào)，使之符合處理要求； STM32 處理電路，完成心電信號(hào)的顯示和 分析功能。 由于便攜式心電圖儀有很強(qiáng)的可移動(dòng)性，便于使用者攜帶，同時(shí)也要求功能完善，能夠?qū)崟r(shí)對心電信號(hào)進(jìn)行處理。 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(jì) 9 (1) STM32 內(nèi)部有高達(dá) 128K 字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲(chǔ)器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。 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(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。主要從以下幾個(gè)參數(shù)做出選擇： (1) 顏色要豐富。因此要選擇一款合適的差分運(yùn)放芯片。 右腿不直接接地而是接到輔助運(yùn)算放大器的輸出。高通濾波器由 U C Rdip11 組成，其截至頻率為 f=，低通濾波器由 U Cdip Rsop4 組成，截至頻率為 f=110Hz。 uVision3 IDE 是一款集編輯，編譯和項(xiàng)目管理于一身的基于 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 20 窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。主要完成心電信號(hào)的采集、信號(hào)濾波、 RTC 模塊、液晶顯示和串口通信等。 STM32 固件庫是一個(gè)固件包，它不僅包括了程序、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和覆蓋所有外設(shè)特性的宏單元。 其他模塊的應(yīng)用也類似于此，這樣就屏蔽了寄存器配置細(xì)節(jié)，加快了開發(fā)速度。這樣處理不但 簡化了對液晶的操作，只需指定讀寫數(shù)據(jù)的 指針就可完成操作，而且提高了訪問速度，避免了用端口模擬時(shí)序訪問液晶產(chǎn)生的滯后現(xiàn)象。使用 JLink 工具的優(yōu)點(diǎn)是：入門簡單、可以全面的觀察程序中的參數(shù)和微處理器中各個(gè)寄存器的值和狀態(tài)，特別適合軟硬件聯(lián)調(diào)階段。但 波形也顯而易見的與標(biāo)準(zhǔn)的心電圖有一些差距， 這與傳感器的精度、位置及硬件電路的設(shè)計(jì)有關(guān)，也與數(shù)字濾波器的算 法有一定的關(guān)系，還需進(jìn)一步加以改善。我們相信，在未來幾年里，家庭化、便攜式的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備必將越來越普及。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 31 圖 18 整體測試波形 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 32 結(jié)束語 本 系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)的是便攜式的小型化的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，首先 調(diào)查了市場上的心電圖儀產(chǎn)品，并分析了 它們存在的優(yōu)點(diǎn)與不足，并借鑒了它們的優(yōu)勢 部分 應(yīng)用到該系統(tǒng)中，研究 了他們整體的設(shè)計(jì)方法，查閱了心電圖儀器的相關(guān)電路設(shè)計(jì)，初步設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的方案，并探討其實(shí)現(xiàn)的可行性。 采集電路的測試 采集電路主要是完成對心電信號(hào)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。 顯示的心電波形有兩個(gè)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(jì) 27 二是波形無明顯失真。 另一個(gè)界面是幫助界面，具體介紹各個(gè)按鍵的作用，具體流 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 24 程圖如圖 13 所示 。因此，使用該固件庫可以節(jié)省設(shè)計(jì)者的許多時(shí)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。主程序是個(gè)無限循環(huán)，通過調(diào)用各個(gè)子程序來完成系統(tǒng)的功能。 如圖 12 所示， 是它的 一個(gè)典型的調(diào)試 窗口 ， 它主要包括 以下幾個(gè)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。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 18 圖 9 50Hz 陷波電路 電源電路的設(shè)計(jì) 電源電路是整個(gè)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。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，對 50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號(hào)的頻率成分為代價(jià)。一般為了抑制零點(diǎn)漂移，提高共模抑制比，應(yīng)該分多級(jí)實(shí)現(xiàn)放大。比如波形、