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基于stm32的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)(參考版)

2024-08-30 15:11本頁面
  

【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)療器械更是一個巨大的市場機(jī)會。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??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(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。要想對心電信號做更進(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(jìn)行實(shí)時心電波形顯示,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),把整個系統(tǒng)化分為多個小模塊并逐步去實(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。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。 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。 采集電路的測試 采集電路主要是完成對心電信號的正確提取,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。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)信號發(fā)生器以及示波器來進(jìn)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(jìn)手段。對于第二個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)的上一個點(diǎn)的坐標(biāo)記住,用兩個變量保存設(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)。相比較而言顯然第二種方法比較好,因?yàn)檎麄€區(qū)域刷新是很費(fèi)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(shí)際效果來看,視覺 效果也比較好。 顯示的心電波形有兩個基本要求: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。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 。軟件流程如圖 15 所示 。對于式 (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,此時 n=20,把該點(diǎn)賦值給變量 [14]。本系統(tǒng)用 C 語言編寫了相對應(yīng)的濾波 算法程序來實(shí)現(xiàn)對所采集的心電信號進(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。 另一個界面是幫助界面,具體介紹各個按鍵的作用,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)存儲格式等,開發(fā)人員只需根據(jù)所需要求在對應(yīng)的參數(shù)位置設(shè)置即可。 實(shí)際應(yīng)用開發(fā)時,我們用外設(shè)的時候一般有三個步驟,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 對應(yīng)的庫文件,對 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)時考慮移 植操作系統(tǒng),但是對于具體的應(yīng)用存在一些不足之處:首先,操作系統(tǒng)在對數(shù)據(jù)區(qū)的開銷以及一些變量的存儲方面浪費(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﹂_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。主程序是個無限循環(huán),通過調(diào)用各個子程序來完成系統(tǒng)的功能。主要完成心電信號的采集、信號濾波、 RTC 模塊、液晶顯示和串口通信等。下面具體介紹各個模塊的實(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)周期和其他的平臺軟件開發(fā)周期是差不多的,大致有以下幾個步驟: 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 21 1. 創(chuàng)建一個工程,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 一個典型的調(diào)試 窗口 , 它主要包括 以下幾個窗口: 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
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