【正文】 。衷心地祝愿各位老師全家幸福，工作順利。謹(jǐn)向尊敬的***和**老師致以最誠(chéng)摯的謝意。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成，自始至終都得到了***的悉心指導(dǎo)，沒有***從總體上的把握，和徐源老師的耐心指導(dǎo)，畢業(yè)設(shè)計(jì)工作也不可能順利完成。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。 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)。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(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(wèn)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(lái)，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(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(guò)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)。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。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(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]。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。 測(cè)量調(diào)試以及分析調(diào)試過(guò)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。在開發(fā)環(huán)境中完成程序編譯之后，通過(guò) JLink 工具把程序代碼下載到 STM32 處理器中，然后通過(guò)程序的調(diào)試功能來(lái)進(jìn)行程序的調(diào)試。JLink 是調(diào)試 ARM 嵌入式系統(tǒng)的常用工具。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。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)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 。針對(duì)第一個(gè)問(wèn)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(wèn)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)。在顯示波形時(shí)需要解決三個(gè)問(wèn)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。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。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)器卡的接基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)20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(wèn)外部設(shè)備的時(shí)序要求通過(guò)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(guò)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(wèn)。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。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。 濾波算法實(shí)際上就是用 C 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)差分方程，為敘述方面，把方程列出如下： yBP(n)= yBP(n4)+ x(n) x(n20) (1) yAP(n)= x (n98) (2)yBS(n)= yAP(n)yBP(n) (3)可見關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)差分方程(1)，有式(2) 和(3)看出，當(dāng)前輸出與以前數(shù)據(jù)狀態(tài)有關(guān)，因此需要開辟緩沖區(qū)來(lái)存放以前的數(shù)據(jù)，這里開辟三個(gè)緩沖區(qū) Buff_bp[4]、Buff_ap[98]和 Buff_x[20]分別存放 yBP(n4)、yAP(n98) 、x(n20)的數(shù)據(jù)。 數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì)數(shù)字濾波算法的實(shí)現(xiàn)是軟件部分關(guān)鍵的問(wèn)題，它的運(yùn)算時(shí)間和精度直接決定了系基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)19統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。程序流程框圖如 14 所示。開始系統(tǒng)初始化A / D 數(shù)據(jù)采集L C D 顯示是否有按鍵按下按鍵功能程序NYU S A R T 發(fā)送圖13 系統(tǒng)總體流程圖 信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)心電信號(hào)的精確采集對(duì)于后面的進(jìn)一步處理至關(guān)重要。 軟件總體流程圖軟件設(shè)計(jì)流程分為兩個(gè)大的方面，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)個(gè)界面： 第一個(gè)界面心電圖顯示界面，按鍵有上、下、左、右、中五個(gè)按鍵，按鍵功能分配如下：上、下按鍵控制波形縱向移動(dòng)和幅值的變化，左右鍵是調(diào)節(jié)波形在時(shí)間上的基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)18周期變化，中間按鍵是切換鍵，切換上下鍵控制幅值變化還是縱向移動(dòng)。 ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_14,1,ADC_SampleTime_13Cycles5)。 ADC_Init(ADC1, amp。 = ADC_DataAlign_Right。 = DISABLE。一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例如下： /* ADC1 configuration */ = ADC_Mode_Independent。 參數(shù)設(shè)置。這是 STM32 軟件開發(fā)十分顯著的優(yōu)點(diǎn)。還包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)的描述以及各個(gè)外圍模塊的實(shí)例，該固件庫(kù)可以使得用戶在沒有深入學(xué)習(xí)外圍模塊規(guī)格手冊(cè)的情況下，也能夠使用任何在用戶應(yīng)用中涉及到的設(shè)備。其次，STM32 方便的庫(kù)文件開發(fā)方式本身就屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，處于以上考慮在本次開發(fā)中沒用移植操作系統(tǒng)，而采用庫(kù)文件的方式來(lái)開發(fā)設(shè)計(jì)。但是這些問(wèn)題可以通過(guò)移植操作系統(tǒng)來(lái)解決，操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)就是屏蔽了具體的硬件細(xì)節(jié)，可以讓開發(fā)人員把更多的精力放在應(yīng)用程序上。隨著科學(xué)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度的提高和 EDA 技術(shù)的發(fā)展，各種高級(jí)的 EDA 工具不斷推出，比如 Keil、IAR 、ADS 等工具，這些工具不僅極大的方便了工程師的開發(fā)，同時(shí)也為用 C 語(yǔ)言這種高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫程序提供了有利的條件。 STM32 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程軟件搭載在硬件上運(yùn)行的，硬件的資源多少在一定程度上決定了軟件的設(shè)計(jì)方法和復(fù)雜程度。顯示功能完成數(shù)據(jù)到波形的轉(zhuǎn)換，能夠動(dòng)態(tài)顯示出心電波形。上位機(jī)是運(yùn)用 LabVIEW 編寫的，其功能是完成數(shù)據(jù)的接收和處理，其中主要包括對(duì)數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲(chǔ)。該部分總體開發(fā)思路是，首先完成 STM32 片上資源的初始化，其次是完成各個(gè)子程序的編寫，最后主程序通過(guò)調(diào)用主程序完成所要實(shí)現(xiàn)的功能。利用模塊化編程思想分別來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，盡量減少程序之間的耦合性，提高程序之間的內(nèi)聚性。 軟件總體分析從整體上看，該系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)大的部分： (1) 下位機(jī)軟件即 STM32 應(yīng)用程序。 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想，把整個(gè)軟件系統(tǒng)化為為多個(gè)功能模塊，主程序通過(guò)調(diào)用各個(gè)子程序來(lái)完成復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)。4. 修改源程序中的錯(cuò)誤。2. 編寫 C 或者匯編源文件。? 外設(shè)對(duì)話框：檢查微控制的片上外設(shè)的狀態(tài)。查看和調(diào)用? 堆棧窗口：用于查看和修改變量的值，并且現(xiàn)實(shí)當(dāng)前函數(shù)調(diào)用。? 輸出窗口：顯示編譯結(jié)果，以便快速查找錯(cuò)誤的地方，同時(shí)還是調(diào)試命令輸入輸出窗口，也可以用于顯示查找結(jié)果。uVision3 集成了 C 語(yǔ)言編譯器，宏編譯，鏈接/定位，以及 HEX 文件產(chǎn)生器。uVision 當(dāng)前最高版本是 uVision3,它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。 軟件開發(fā)平臺(tái)Keil 是德國(guó) Keil 公司（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺(tái)，是基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)15目前 ARM 內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。在完成硬件電路設(shè)計(jì)和電路制作后，再進(jìn)行整體的統(tǒng)一調(diào)試。電路如圖 11 所示。 心電采集電路需要土 5V 電源，STM32 工作電壓為 ，本設(shè)計(jì)用 電池供電，中正負(fù) 5V 電壓可以采用 7805 和 7905 來(lái)產(chǎn)生，它通過(guò)外圍的電感電容的組合提供升滿足運(yùn)放使用的正電壓和負(fù)電壓，圖 10 是其典型應(yīng)用。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)14電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。 圖 8 帶通濾波電路基于小型化和成本考慮，硬件濾波只用一階高通濾波器和一階低通濾波器，雖然設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路，但是仍然有 50Hz 干擾進(jìn)入電路，所以本設(shè)計(jì)增加了 50Hz 陷波電路，如圖 9 所示通過(guò)該方法來(lái)濾除工頻干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)高低通濾波后再加上陷波電路的信號(hào)波形清晰、特征明顯。 帶通濾波器用高低通濾波器來(lái)構(gòu)成，如圖 8 所示。保證信號(hào)的原形，采用較平坦的巴特沃斯有源濾波。只能用實(shí)際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的特性。 由 RC 元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器，其功能是讓一定的頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號(hào)。其帶負(fù)載后，通帶放大倍數(shù)的數(shù)值基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)13減小，通帶截止頻率升高，這個(gè)缺點(diǎn)不符合信號(hào)處理的要求 [12]。濾波器有無(wú)源濾波器和有源濾波器兩種。但由于右腿驅(qū)動(dòng)存在交流干擾電壓的反饋電路，而交流電流經(jīng)人體，成為不安全因素，限流電阻通常在1MΩ以上。從兩個(gè)電阻結(jié)點(diǎn)檢出共模電壓，它經(jīng)過(guò)輔助的反相放大器放大后通過(guò)電阻反饋到右腿。圖 6 前置信號(hào)采集電路由于人類受到大量的外部干擾，心電電極和電力線之問(wèn)由于存在電容耦合會(huì)產(chǎn)生位移電流Id，降低位移電流干擾的一種有效辦法是采用右腿驅(qū)動(dòng)法，圖7為右腿驅(qū)動(dòng)的具體連接電路。因此，選用的放大器要特別注意這兩個(gè)參數(shù)。在設(shè)計(jì)心電放大器時(shí)應(yīng)盡量選用低噪聲元件，提高輸入阻抗。 (4) 輸入阻抗 心電信號(hào)是微弱的，且具有高阻抗的特性，只有高輸入