【正文】 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) 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(duì)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(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。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。可以考慮采用小波變換來處理，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。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，而本設(shè)計(jì)的前端電路丟失了一些細(xì)節(jié)信息。易攜帶的特性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠完成長時(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。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)。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 31 圖 18 整體測(cè)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(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。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。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]。調(diào)節(jié)波形如圖 16 所示。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。 符合心電儀器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。輸入 輸出 ，所以，共模增益為： 。差模增益為 ，與理論計(jì)算相一致。 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 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。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。 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 。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(jì) 28 有使用靈活、操作簡便的特點(diǎn)。 調(diào)試手段 為檢驗(yàn)各模塊是否按要求進(jìn)行正常工作，借助萬用表、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器以及示波器來進(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。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，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。 本設(shè)計(jì)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(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)。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)際效果來看，視覺 效果也比較好。 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。這樣處理不但 簡化了對(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。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 。軟件流程如圖 15 所示 。對(duì)于式 (1)， Buff_bp[4]數(shù)組里面存放的是前 4 次 yBP(n)的值， Buff_x[20]存放的是當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的前 20 次的 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]。本系統(tǒng)用 C 語言編寫了相對(duì)應(yīng)的濾波 算法程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)所采集的心電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。 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(jì) 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。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(hào)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。 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 。 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。ADC_InitStructure)。//右對(duì)齊格式 = 1。 =ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1。 //獨(dú)立模式 = DISABLE。包括配置采用周期、觸發(fā)方式、工作模式、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等，開發(fā)人員只需根據(jù)所需要求在對(duì)應(yīng)的參數(shù)位置設(shè)置即可。 實(shí)際應(yīng)用開發(fā)時(shí)，我們用外設(shè)的時(shí)候一般有三個(gè)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(jì) 23 加載 文件 是 ADC 對(duì)應(yīng)的庫文件，對(duì) ADC 的一系列操作都在封裝好了放在這類文件里。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。 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。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮移 植操作系統(tǒng)，但是對(duì)于具體的應(yīng)用存在一些不足之處：首先，操作系統(tǒng)在對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的開銷以及一些變量的存儲(chǔ)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。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?yàn)閷?duì)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(duì)工程師的要求比較高。由于早期的單片機(jī)由于硬件資 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 22 源少， RAM 資源有限，所以工程師在編程的時(shí)候?qū)?RAM 的應(yīng)用要十分小心，因此造成這類的設(shè)計(jì)開發(fā)工程師更加偏向于直接用匯編語言來控制硬件 的工作。存儲(chǔ)功能完成數(shù)據(jù)的保存。處理是指利用 PC 機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)上傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析的結(jié)果。 (2) 上位機(jī)管理軟件。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。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。下面具體介紹各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn) 。 5. 聯(lián)機(jī)調(diào)試。 3. 編譯應(yīng)用程序。 使用 Keil 來開發(fā)嵌入式軟件，開發(fā)周期和其他的平臺(tái)軟件開發(fā)周期是差不多的，大致有以下幾個(gè)步驟： 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 21 1. 創(chuàng)建一個(gè)工程，選擇一塊目標(biāo)芯片，并且做一些必要的工程配置。 ? 代碼窗口：用于查看和編輯源文件。 ? 內(nèi)存窗口：顯示指定地址內(nèi)村里的內(nèi)容。 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。 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。 Keil提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)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(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些功能組合在一起。本章主要討論系統(tǒng)軟件在 STM32 上的編程與實(shí)現(xiàn)。 圖 11 AMS1117穩(wěn)壓電路 4 便攜式心電圖儀 的 軟件 設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)沿用經(jīng)典 的是模塊化的編程思想，首先 根據(jù)要求 設(shè)計(jì)好系統(tǒng) 的總 軟件流程，然后 再 分 別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 各模塊 的功能。 圖 10 正負(fù) 5V 電源電路 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 19 的電壓采用 AMS1117 產(chǎn)生，其最大的特點(diǎn)是簡單易用，而且性價(jià)比高，輸入電壓 5V~12V，直接輸出 。電源電路設(shè)計(jì)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]。因此電源管理越發(fā)顯得重要。 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。高通濾波器由 U C Rdip11 組成，其截至頻率為