【導(dǎo)讀】本系統(tǒng)屬于典型的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，處理的對(duì)象是強(qiáng)噪聲背景下的微。弱心電信號(hào)，噪聲和干擾的存在對(duì)前端采集電路提出了更高的要求。點(diǎn)，選用精密儀表放大器為主要元件設(shè)計(jì)了前置放大電路。為更好的降低干擾的影響，設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路、高通、低通濾波電路以及陷波電路，成功提取了心電信息。Cortex-M3核處理器STM32F103ZE作為控制核心。

　　

【正文】 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(shí)，此時(shí) n=20，把該點(diǎn)賦值給變量 [14]。 Cur_val，數(shù)組 Buff_bp[4]全為 0，數(shù)組 Buff_x[20]里面存放了前 20 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，那 么 該 點(diǎn) 濾 波 后 的 數(shù) 值 這 里 讓 濾 波 后 的 數(shù) 值 存 放 到 變 量 Fil_val ，則Fil_val=Buff_bp[0]+Cur_val－ Buff_x[0]；然后讓數(shù)組 Buff_bp[4]右移，把數(shù)據(jù) Buff_bp[0]移除，把 Fil_val 的值存入到數(shù)據(jù) Buff_bp[4]中，同理讓數(shù)組 Buff_x[20]右移，移除數(shù)據(jù)Buff_x[0]，在把 Cur_val 存入到 Buff_bp[20]中，這樣就完成了一個(gè)點(diǎn)的濾波。軟件流程如圖 15 所示 。 圖 15 濾波流程圖 液晶 程序設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中 采用彩色 TFT 液晶，波形顯示清晰，界面良 好。液晶控制的關(guān)鍵 在于編寫底層驅(qū) 動(dòng)程序，底層驅(qū)動(dòng)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 。 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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 20 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(lái)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(duì)液晶的讀寫訪問。這樣處理不但 簡(jiǎn)化了對(duì)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。并且 STM32 自帶 FSMC 方式控制 TFTLCD 的實(shí)例，只需做一些相應(yīng)的修改就可應(yīng)用到本系統(tǒng) 中 。 顯示的 心電波形有兩個(gè)基本要求：一是波形清晰，無(wú)斷點(diǎn)，二是波形無(wú)明顯失真。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。相比較而言顯然第二種方法比較好，因?yàn)檎麄€(gè)區(qū)域刷新是很費(fèi)時(shí)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(gè)問題，另外從實(shí)際效果來(lái)看，視覺效果也比較好。針對(duì)第一個(gè)問 題，實(shí)際上就是把電壓值轉(zhuǎn)換成點(diǎn)的坐標(biāo)， 本設(shè)計(jì)中用液晶 X 軸中間的部分來(lái)顯示波形， X 軸坐標(biāo)值范圍為 60~180，而心電信號(hào)的電壓值范圍為 0~2V，則第一個(gè)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)。為了提高精度可以把電壓范圍在程序內(nèi)部處理時(shí)擴(kuò)大 100 倍，則轉(zhuǎn)換精度為P=200/120=5/3，設(shè)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)為 xzb，另外液晶的坐標(biāo)原點(diǎn)在右上角，則把電壓 Cur_val的范圍 0~200 轉(zhuǎn)換到坐標(biāo) 60~180 之間可以用以下公式： xzb=180－ Cur_val*3/5。對(duì)于第二個(gè)問題解決的辦法是在兩點(diǎn) 之間用直線連接起來(lái)，這樣就需要把當(dāng)前點(diǎn)的上一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)記住，用兩個(gè)變量保存設(shè)為 prxzb、 pryzb。 5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及誤差分析 經(jīng)過軟硬件的設(shè)計(jì)和制作，完成了基本的構(gòu)架，但是還需經(jīng)一部的調(diào)試和分析才能進(jìn)一步的完善該系統(tǒng) 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(wàn)用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器以及示波器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)， 通過測(cè)試結(jié)果完成對(duì)各個(gè)模塊完成功能的評(píng)估，對(duì)整體練調(diào)是一種很好的促進(jìn)手段。 當(dāng)硬件電路正常工作后，我們使用串口調(diào)試助手、 JLink 進(jìn)行在線調(diào)試。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 ， 具有使用靈活、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。 JLink 是 調(diào)試 ARM 嵌入式系統(tǒng)的常用工具。 在每一部分程序 調(diào)試 通過后 ， 對(duì)所有子程序進(jìn)行整合編寫出完的主程序 。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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 21 后通過程序的調(diào)試功能來(lái)進(jìn)行程序的調(diào)試。使用 JLink 工具的優(yōu)點(diǎn)是：入門簡(jiǎn)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 。 測(cè)量調(diào)試以及分析 調(diào)試過程中需要對(duì)該電路的每一模塊逐步進(jìn)行 調(diào)試，使其完成各自的目標(biāo)指數(shù)后方可整體聯(lián)立進(jìn)行綜合調(diào)試 采集電路的測(cè)試 采集電路主要是完成對(duì)心電信號(hào)的正確提取，主要要測(cè)試前置放大電路即 AD627的性能測(cè)試，帶通濾波電路測(cè)試 及 陷波電路 測(cè)試等。 (1)AD620 的性能測(cè)試 ? 差模增益 測(cè)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(cè)量 AD620A 的輸出端對(duì)地的電壓，其值為 1020mV。差模增益為 ，與理論計(jì)算相一致。 ? 共模抑制比 測(cè)量方法：兩輸入端輸入 50Hz 共模信號(hào)，測(cè)量輸出端對(duì)地電壓。輸入 輸出，所以，共模增益為： 。 共模抑制比為： CMRR=10/=104dB。 符合心電儀器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 (2)帶通濾波 電路 測(cè)試 測(cè)量方法：實(shí)際測(cè)量中，輸入一定電壓幅度的正弦波，調(diào)節(jié)其頻率，觀察輸出電壓幅度的變化。測(cè)得，信號(hào) 65Hz 時(shí)開始有幅度衰減， 100Hz 時(shí)減為原幅度的 1/3， 信號(hào)低頻在 1Hz 的時(shí)候開始衰減， 的時(shí)候衰減為原幅度 1/3。 (3)陷波電路測(cè)試 測(cè)量方法：實(shí)際測(cè)量中，輸入一定電壓幅度的正弦波，調(diào)節(jié)其頻率 使輸出頻率為50Hz， 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，觀察輸出電壓幅度的變化， 當(dāng)輸出波形幅值最小最佳。調(diào)節(jié)波形如圖 16 所示 。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 22 圖 16 陷波電路實(shí)際效果 濾波 算法測(cè)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(lái)的波形如圖 17(a)所示。雖然 R 波明顯出來(lái)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]。 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(cè)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(shuō)明硬件與軟 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 23 件濾波起到了作用。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。從整體測(cè)試結(jié)果看，該系統(tǒng)較好的完成了預(yù)期的設(shè)想，能夠較正確的從人體上采集信號(hào)并加以處理與 顯示。 圖 18 整體測(cè)試波形 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 24 結(jié)束語(yǔ) 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(chǎng)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(shì) 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。其次是對(duì)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。在熟悉了軟硬件開發(fā)環(huán)境后，采用模塊化設(shè)計(jì)，把整個(gè)系統(tǒng)化分為多個(gè)小模塊并逐步去實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)目前市場(chǎng)上的便攜式心電圖儀器價(jià)格昂貴、功能復(fù)雜，攜帶不方便 的局限性，本文設(shè)計(jì)了一種基于 STM32 芯片能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控并且價(jià)格低廉的便攜式心電信號(hào)采集儀。易攜帶的特性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠 完成長(zhǎng)時(shí)間的心電 監(jiān)測(cè) ，并選用 TFTLCD 彩色液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)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。 由于時(shí)間和精力等方面的限制， 本系統(tǒng)還有需要 進(jìn)一步完善： (1) 提高前端采集電路的精度。要想對(duì)心電信號(hào)做更進(jìn)一步的分析，必須把更多的心電信 息采集出來(lái)，而本設(shè)計(jì)的前端電路丟失了一些細(xì)節(jié)信息。 (2) 對(duì)于信號(hào)的濾波和檢測(cè)，本系統(tǒng)功能還不夠強(qiáng)大，還不能很精確的識(shí)別出信號(hào)的多種 特征?？梢钥紤]采用小波變換來(lái)處理，而關(guān)于波形檢測(cè)的理論和實(shí)踐在本領(lǐng)域還是有很多難度，目前就有很多的專家學(xué)者在研究此 類問題。 (3) 對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸和處理，一是可以考慮用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，這樣更加方便快捷。二是利用 計(jì)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。目前這個(gè)領(lǐng)域非?；钴S，也是個(gè)充滿挑戰(zhàn)的課題，有待進(jìn)一步深入研究。 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(duì)待健康與保健的重視程度越來(lái)越強(qiáng)，這就為醫(yī)療器械的發(fā)展帶來(lái)了極大的機(jī)遇，利用高科技帶來(lái)的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械更是一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。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(wú)疑更具有競(jìng)爭(zhēng)力，也符合人們目前的消費(fèi)需求與理念。我們相信，在未來(lái)幾年里，家庭化、便攜式的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備必將越來(lái)越普及。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 25 參考文獻(xiàn) [1] 劉澤霖．血栓性疾病的診斷與治療 [M]．人民衛(wèi)生出版社， 2020： 45． [2] 金偉著．金氏脈學(xué) [M]．山東科學(xué)技術(shù)出版社， 2020： 2525． [3] 陳國(guó)偉，伍貴富． 21 世紀(jì)心血管疾病研究展望 [J]．新醫(yī)學(xué)， 2020： 32(8)： 455473． [4] 許克誠(chéng)．臨床心電圖學(xué)教程 [M]．北京 :人民衛(wèi)生出版社， 1999： 139149． [5] 巴德年主編，楊子彬 [冊(cè) ]主編．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué) [M]．黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社， 2020： 8081． [6] 張開滋，劉海樣，吳杰心電信息學(xué) [J]．北京 :科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社， 1998： 4650． [7] 余學(xué)飛．醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì) [M]．廣州 :華南理工大學(xué)出版社， 2020． [8] 周立功． ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程 [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2020： 3071． [9] 高有堂 . 電子電路設(shè)計(jì)制板與仿真 PROTEL DXP[M]．鄭州 ： 鄭州大學(xué)出版社 ， 2020： 43189. 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