【正文】 的心電數(shù)據(jù)，由定時器 2 的中斷子程序調(diào)用 AD 轉(zhuǎn)換模塊， 通過對定時器分頻寄存器 及 初始值的設(shè)置 ， 保證定時器中斷的觸發(fā)頻率為 200Hz， 從而保證了心電釆樣頻率為 200Hz。對硬件電路做了全面測試，總結(jié)了測試過程中出現(xiàn)的問題，給出了解決方法。 首先需測試的是電源模塊 ，如電源不能正常工作，后續(xù)的測 試工作無法正常進行。圖38 為 電路連接圖。HC06 采用藍(lán)牙 帶 EDR 的通信協(xié)議，完全對用戶透明，內(nèi)部采用 GFSK 調(diào)制方式使信號具有很好的相位特性和功率譜特性。 (3)STM32L151 最高時鐘頻率可達(dá) 24MHz，包含有一個可編程的內(nèi)部振蕩器和一個外部振蕩驅(qū)動電路，內(nèi)部 振蕩器可以通過寄存器 OSCICN 和 OSCICL 進行使能和校準(zhǔn)操作，系統(tǒng)時鐘可以取自內(nèi)部振蕩器，也可以取自外部振蕩電路。 圖 34 濾波和二級放大電路 從圖 34 中可以看出，由 INA333 輸出的心電信號首先通過由 OPA23 RC6 所形成的積分反饋電路所構(gòu)成的高通濾波電路。 圖 32 INA333 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 INA333 是低功率、高精度精密儀表放大器，內(nèi)部采用通用的三運放設(shè)計，小尺寸及低功耗使之有著廣泛的用途。 前置放大模塊 前置放大電路將采集到的人體心電信號直接進行差分放大，該部分電路在整個采集電路中至關(guān)重要，因為信號的后續(xù)處理都是以此為基礎(chǔ)，所以一定要選用生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Ｓ玫牡木軆x表放大器。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計原則與總體框圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計原則 嵌入式系統(tǒng)表述為：“以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、 功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)”，由嵌入式硬件和嵌入式軟件兩部分有機的結(jié)合在一起。肌電 干擾的頻率范圍很廣，一般在 5Hz~2KHz 之間 ， 頻譜特性接近白噪聲。 (2)低頻特性：人體心電信號頻率比較低，有價值的頻率范圍一般為~100Hz，能量大部分集中在 ~40Hz。信號強度微弱，幅值一般為 10μV~4mV，典型值是 1mV。 與其他無線傳輸方式相比，藍(lán)牙模塊具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、 體積小、功耗低等特點，已成為無線嵌入式醫(yī)療設(shè)備所考慮采用的基本無線通信技術(shù)之一。加之現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變帶來了人們對健康的新要求， 因此， 有必要研制一種結(jié)合常規(guī)心電圖 (ECG)和動態(tài)心電圖 (Holter)兩種系統(tǒng)的新的智能化、便攜式、操作方便、價格低廉的心電監(jiān)護設(shè)備 [4]。實驗結(jié)果表明本文提出的心電信號采集和無線傳輸系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案可行，其在功耗、速度和體積上均有著獨特的優(yōu)勢，具有良好的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞： 心電信號 STM32L151C8 HC06 無線傳輸 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 II Abstract With the development of society, people39。 研究的現(xiàn)狀與前景 英國生理學(xué)家 Einthoven 在 1887年用毛細(xì)管靜電計記錄了心動電流圖。 將其應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中，可以極大增加患者的活動空間，減少電線對病人活動范圍的限制。 圖 21 一個周期的 ECG 波形 心電圖的典型間期和典型段 [12]（其中“間期”指時間間隔，而“段”則指波形本身）論述如下： P 波：反映兩心房去極化過程的電位變化，左右心房除極波，前部代表右心房激動，后部代表左心房激動。同時從功率譜上可以得出，心電信號的能量大部分集中在 QRS 期間，其頻率峰值一般為 10~20Hz， 在信號的中、高頻 率區(qū)。 (4)電極接觸噪聲 電極與皮膚表面一般要涂抹導(dǎo)電膏并進行適當(dāng)?shù)?固定，以防止電極與皮膚表面的接觸發(fā)生松動或脫落，從而防止接觸阻抗的變化。作為一種典型的嵌入式應(yīng)用，本論文設(shè)計的心電傳輸模塊要求具有低功耗、 便攜式特點 ，能夠?qū)π碾娦盘栠M行無線傳輸。該放大器的輸入電路相對于人體來說應(yīng)具有保護機制，以防止電流通過電纜串?dāng)_到人體，對人體造成危害。它在輸入兩通道內(nèi)部集成了射頻濾波電路。由于所選 OPA3 OPA2330系列放大器均采用單電源供電，其參考電壓為 ，接入兩個放大器的正輸入端。 本設(shè)計采用 STM32L151C8 為主控芯片。 HC06 的外圍電路如圖 37 所示。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 17 圖 38 電路連接圖 PCB 設(shè)計 PCB 設(shè)計 一塊優(yōu)秀的 PCB 板，除了電氣連接正確、符合設(shè)計者意圖之外，還要考慮到其信號完整性 (SI)、電磁干擾 (EMI)、模擬信號與數(shù)字信號的隔離和大功率芯片的散熱等問題，同時 PCB 板的美觀性也是一項值得注意的問題，這具體主要表現(xiàn)在 PCB 板的布局布線上 [20]。上電后，用萬用表測試 PCB 板上的電源輸出端口，顯示電壓輸出 ，供電正常。經(jīng)測試，本文所設(shè)計的硬件系統(tǒng)基本符合設(shè)計要求。 其 ADC 軟件設(shè)置步驟如下 ： (1)引腳配置。目前為止，心臟類疾病仍是威脅人類健康的首要疾病。 深深感謝含辛茹苦養(yǎng)育我的父母，他們的含辛茹苦、無私關(guān)愛與默默支持是 我學(xué)業(yè)生涯背后溫暖的港灣，千言萬語道不盡他們給我的最偉大的愛。 void TIM2IRQHandler(void)。感謝審閱本論 文的所有老師，感謝他們在審閱過程中所付出的辛勤勞動。 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。 (2)使能 ADC 時鐘 ，利用高速內(nèi)部時鐘 HSI 進行預(yù)分頻，得到 ADCCLK，提供給 ADC 進行采樣時間選擇。 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。 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。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。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)。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。 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。 INA333 具有非常低的偏移電壓 (25181。一般要求 CMRR80dB。 (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。 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。 (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。它代表從心房激動開始到心室開始激動的時間，正常為 ~。 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，采集模塊具備低功耗、便攜式特點。 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。 STM32L151C8。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)。 現(xiàn)有家用心電監(jiān)護 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)護儀器要求患者將紀(jì)錄的數(shù)據(jù)周期地送往診所進行會診，實時性 較差 。 隨著心電監(jiān)護和家庭健康技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)護儀有向小型化、便攜化、家庭化發(fā)展的趨勢 。 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。 心電信號是一個近似周期信號，它的特點是突變性很強，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]。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。 本章小結(jié) 本章主要介紹了心電信號的產(chǎn)生機理及特征，并對目前主流的藍(lán)牙短距離無線通信技術(shù)做了分析。 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。 本設(shè)計采用 TI公司的精密儀表放大器 INA333。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，同時還需對信號進行二級放大。 (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)。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。 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。 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。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)實際情形做進一步調(diào)整。 根據(jù)本系統(tǒng)的性能要求，選擇 200 Hz 采樣率。 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。 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。 /* Private function prototypes */ void ADC_Config(void)。 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure。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)護信息，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計要求。 (5)讀取 ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果 。 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 語言進行編寫，系統(tǒng)軟件流程圖如圖 42 所示。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。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。 PC 端接收數(shù)據(jù)則是一個相反的過程 。 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。 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)：