【導(dǎo)讀】本系統(tǒng)屬于典型的生物醫(yī)學(xué)信號采集處理系統(tǒng)，處理的對象是強噪聲背景下的微。弱心電信號，噪聲和干擾的存在對前端采集電路提出了更高的要求。點，選用精密儀表放大器為主要元件設(shè)計了前置放大電路。為更好的降低干擾的影響，設(shè)計了右腿驅(qū)動電路、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 點的數(shù)據(jù) yBP(n)都為 0,假設(shè)采集到第 20 點時，此時 n=20，把該點賦值給變量 [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 個點的數(shù)據(jù)，那 么 該 點 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，這樣就完成了一個點的濾波。軟件流程如圖 15 所示 。 圖 15 濾波流程圖 液晶 程序設(shè)計 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 。 STM32的 FSMC模塊是能夠與同步或異步的存儲器和 16位的 PC存儲器卡的接口，它的主要作用是： ? 將 AHB 傳輸信號轉(zhuǎn)換到適當(dāng)?shù)耐獠吭O(shè)備協(xié)議 ? 滿足訪問外部設(shè)備的時序要求 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 20 通過這樣的方法 就可以把液晶當(dāng)作外部存儲設(shè)備來使用， 通過配置 讀寫及控制信號的時序，用 指定指 針就可以實現(xiàn)對液晶的讀寫訪問。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 心電波形有兩個基本要求：一是波形清晰，無斷點，二是波形無明顯失真。在顯示波形時需要解決三個問題：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整個波形區(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，因為整個區(qū)域刷新是很費時間的問題，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。針對第一個問 題，實際上就是把電壓值轉(zhuǎn)換成點的坐標(biāo)， 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)。為了提高精度可以把電壓范圍在程序內(nèi)部處理時擴大 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。對于第二個問題解決的辦法是在兩點 之間用直線連接起來，這樣就需要把當(dāng)前點的上一個點的坐標(biāo)記住，用兩個變量保存設(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)試和分析才能進一步的完善該系統(tǒng) 調(diào)試手段 為檢驗各模塊是否按要求進行正常工作，借助萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器以及示波器來進行檢測， 通過測試結(jié)果完成對各個模塊完成功能的評估，對整體練調(diào)是一種很好的促進手段。 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 行信息 交互，其輸出波特率與數(shù)據(jù)幀的格式都可以進行設(shè)置 ， 具有使用靈活、操作簡便的特點。 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 ， 對所有子程序進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 21 后通過程序的調(diào)試功能來進行程序的調(diào)試。使用 JLink 工具的優(yōu)點是：入門簡單、可以全面的觀察程序中的參數(shù)和微處理器中各個寄存器的值和狀態(tài)，特別適合軟硬件聯(lián)調(diào)階段 。 測量調(diào)試以及分析 調(diào)試過程中需要對該電路的每一模塊逐步進行 調(diào)試，使其完成各自的目標(biāo)指數(shù)后方可整體聯(lián)立進行綜合調(diào)試 采集電路的測試 采集電路主要是完成對心電信號的正確提取，主要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。 (1)AD620 的性能測試 ? 差模增益 測量方法：差動輸入端，正端接信號源信號，負端接地，輸入信號為 150mV，測量 AD620A 的輸出端對地的電壓，其值為 1020mV。差模增益為 ，與理論計算相一致。 ? 共模抑制比 測量方法：兩輸入端輸入 50Hz 共模信號，測量輸出端對地電壓。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)計標(biāo)準(zhǔn)。 (2)帶通濾波 電路 測試 測量方法：實際測量中，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。測得，信號 65Hz 時開始有幅度衰減， 100Hz 時減為原幅度的 1/3， 信號低頻在 1Hz 的時候開始衰減， 的時候衰減為原幅度 1/3。 (3)陷波電路測試 測量方法：實際測量中，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 22 圖 16 陷波電路實際效果 濾波 算法測試 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，用示波器觀察出來的波形如圖 17(a)所示。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]。 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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 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)計有關(guān)，也與數(shù)字濾波器的算法有一定的關(guān)系，還需進一步加以改善。從整體測試結(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并加以處理與 顯示。 圖 18 整體測試波形 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 24 結(jié)束語 本 系統(tǒng) 實現(xiàn)的是便攜式的小型化的心電監(jiān)護系統(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)計方法，查閱了心電圖儀器的相關(guān)電路設(shè)計，初步設(shè)計出本系統(tǒng)的方案，并探討其實現(xiàn)的可行性。其次是對于芯片的選擇也是非常重要的，本文選用了性價比高的基于 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，把整個系統(tǒng)化分為多個小模塊并逐步去實現(xiàn)。 針對目前市場上的便攜式心電圖儀器價格昂貴、功能復(fù)雜，攜帶不方便 的局限性，本文設(shè)計了一種基于 STM32 芯片能夠?qū)崟r監(jiān)控并且價格低廉的便攜式心電信號采集儀。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)具有良好的人機交互界面。 由于時間和精力等方面的限制， 本系統(tǒng)還有需要 進一步完善： (1) 提高前端采集電路的精度。要想對心電信號做更進一步的分析，必須把更多的心電信 息采集出來，而本設(shè)計的前端電路丟失了一些細節(jié)信息。 (2) 對于信號的濾波和檢測，本系統(tǒng)功能還不夠強大，還不能很精確的識別出信號的多種 特征?？梢钥紤]采用小波變換來處理，而關(guān)于波形檢測的理論和實踐在本領(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 計算機強大的數(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。目前這個領(lǐng)域非常活躍，也是個充滿挑戰(zhàn)的課題，有待進一步深入研究。 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，對待健康與保健的重視程度越來越強，這就為醫(yī)療器械的發(fā)展帶來了極大的機遇，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會。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需求與理念。我們相信，在未來幾年里，家庭化、便攜式的醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備必將越來越普及。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 25 參考文獻 [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．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 ]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)文獻出版社， 1998： 4650． [7] 余學(xué)飛．醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計 [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)計制板與仿真 PROTEL DXP[M]．鄭州 ： 鄭州大學(xué)出版社 ， 2020： 43189. 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