【正文】 。衷心地祝愿各位老師全家幸福，工作順利。謹向尊敬的 ***和 **老師 致以 最 誠摯的謝意。此次畢業(yè)設計的完 成，自始至終都得到了 ***的悉心指導，沒有 ***從總體上的把握， 和徐源老師的耐心指導，畢業(yè) 設計工作 也不可能順利完成。我們相信，在未來幾年里，家庭化、便攜式的醫(yī)療監(jiān)護設備必將越來越普及。 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。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踐在本領(lǐng)域還是有很多難度，目前就有很多的專家學者在研究此 類問題。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，而本設計的前端電路丟失了一些細節(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。在熟悉了軟硬件開發(fā)環(huán)境后，采用模塊化設計，把整個系統(tǒng)化分為多個小模塊并逐步去實現(xiàn)。 圖 18 整體測試波形 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 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 應用到該系統(tǒng)中，研 究了他們整體的設計方法，查閱了心電圖儀器的相關(guān)電路設計，初步設計出本系統(tǒng)的方案，并探討其實現(xiàn)的可行性。但 波形也顯而易見的與標準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。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。 符合心電儀器設計標準。輸入 輸出，所以，共模增益為： 。差模增益為 ，與理論計算相一致。 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。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計 21 后通過程序的調(diào)試功能來進行程序的調(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。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，這樣就需要把當前點的上一個點的坐標記住，用兩個變量保存設為 prxzb、 pryzb。針對第一個問 題，實際上就是把電壓值轉(zhuǎn)換成點的坐標， 本設計中用液晶 X 軸中間的部分來顯示波形， X 軸坐標值范圍為 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 60~180 的范圍內(nèi)。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。并且 STM32 自帶 FSMC 方式控制 TFTLCD 的實例，只需做一些相應的修改就可應用到本系統(tǒng) 中 。 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?shù)耐獠吭O備協(xié)議 ? 滿足訪問外部設備的時序要求 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 20 通過這樣的方法 就可以把液晶當作外部存儲設備來使用， 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。 圖 15 濾波流程圖 液晶 程序設計 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。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 19 濾波算法實際上就是用 C 語言來實現(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)鍵是實現(xiàn)差分方程 (1)，有式 (2)和 (3)看出，當前輸出與以前數(shù)據(jù)狀態(tài)有關(guān)，因此需要開辟緩沖區(qū)來存放以前的數(shù)據(jù)，這里開辟三個緩沖區(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 設計 數(shù)字濾波算法的實現(xiàn)是軟件部分關(guān)鍵的問題，它的運算時間和精度直接決定了系統(tǒng)的實時性和數(shù)據(jù)的準確性。程序流程框圖如 14 所示 。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 18 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 信號采集程序設計 心電信號的 精確采集對于后面的進一步處理至關(guān)重要。 軟件總體 流程圖 軟件設計流程分為兩個大的方面，分別對應兩個個界面： 第一個界面心電圖顯示界面，按鍵有上、下、左、右、中五個按鍵，按鍵功能分配如下：上、下按鍵控制波形縱向移動和幅值的變化，左右鍵是調(diào)節(jié)波形在時間上的周期變化，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。 ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_14,1,ADC_SampleTime_13Cycles5)。 ADC_Init(ADC1, amp。 = ADC_DataAlign_Right。 = DISABLE。一個簡單的實例如下： /* ADC1 configuration */ = ADC_Mode_Independent。 參數(shù)設置。這是 STM32 軟件開發(fā)十分顯著的優(yōu)點。還包括設備驅(qū)動的描述以及各個外圍模塊的實例，該固件庫 可以 使得用戶在沒有深入學習外圍模塊規(guī)格手冊的情況下，也能夠使用任何在用戶應用中涉及到的設備。其次， STM32 方便的庫文件開發(fā)方式本身就屏蔽了硬件的細節(jié)，處于以上考慮在本次開發(fā)中沒用移植操作系統(tǒng)，而采用庫文件的方式來開發(fā)設計。但是這些問題可以通過移植操作系統(tǒng)來解決，操作系統(tǒng)的優(yōu)勢就是屏蔽了具體的硬件細節(jié)，可以讓開發(fā)人員把更多的精力放在應用程序上。隨著科學的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的復雜度的提高和 EDA 技術(shù)的發(fā)展，各種高級的 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)，同時也為用 C 語言這種高級語言來編寫程序提供了有利的條件。 STM32 軟件系統(tǒng)設計流程 軟件搭載在硬件上運行的，硬件的資源多少在一定程度上決定了軟 件的設計方法和復雜程度。顯示功能完成數(shù)據(jù)到波形的轉(zhuǎn)換，能夠動態(tài)顯示出心電波形。上位機是運用 LabVIEW 編寫的，其功能是完成數(shù)據(jù)的接收和處理，其中主要包括對數(shù)據(jù)的接收、顯示和存儲。該 部分總體開發(fā)思路是，首先完成 STM32 片上資源的初始化，其次是完成各個子程序的編寫，最后主程序通過調(diào)用主程序完成所要實現(xiàn)的功能。利用模塊化編程思想分別來實現(xiàn)各個模塊的功能，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)軟件分為兩個大的部分： (1) 下位機軟件即 STM32 應用程序。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 16 軟件系統(tǒng)整體設計 采用模塊化的編程思想，把整個軟件系統(tǒng)化為為多個功能模塊，主程序通過調(diào)用各個子程序來完成復雜功能的實現(xiàn)。 4. 修改源程序中 的錯誤。 2. 編寫 C 或者匯編源文件。 ? 外設對話框：檢查微控制的片上外設的狀態(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)實當前 函數(shù)調(diào)用 。 ? 輸出窗 口 ： 顯示編譯結(jié)果，以便快速查找錯誤的地方，同時還是調(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 語言編譯器，宏編譯，鏈接 /定位，以及 HEX 文件產(chǎn)生器。 uVision 當前最高版本是 uVision3,它的界面和常用 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 15 的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。 軟件開發(fā)平臺 Keil 是德國 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，是目前 ARM 內(nèi)核單片機開發(fā)的主流工具。 在完成硬件電路設計和電路 制作后，再進行整體 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 ， 本設計 用 電池供電， 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 14 中正負 5V電壓可以采用 7805 和 7905 來產(chǎn)生，它 通過外圍的電感電容的組合提供升 滿足運放使用的 正電壓和負電壓， 圖 10 是其典型應用。 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，雖然設計了右腿驅(qū)動電路，但是仍然有 50Hz 干擾進入電路， 所以本設計增加了 50Hz 陷波電路 ， 如圖 9 所示通過該 方法來濾除工頻干擾，實驗結(jié)果表明，通過高低通濾波后 再加上陷波電路 的信號波形 清晰、特征明顯。 帶通濾波器用高低通濾波器來構(gòu)成，如圖 8 所示。保證信號的原形，采用較平坦的巴特沃斯有源濾波。只能用實際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的特性。 由 RC 元件與運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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 13 率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。其帶負載后，通帶放大倍數(shù)的數(shù)值減小，通帶截止頻率升高，這個缺點不符合信號處理的要求 [12]。濾波器有無源濾波器和有源濾波器兩種。但由于右腿驅(qū)動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 電阻結(jié)點檢出共模電壓，它經(jīng)過輔助的反相放大器放大后通過電阻反饋到右腿。 圖 6 前置信號采集電路 由于人類受到大量的外部干擾， 心電電極和電力線之問由于存在電容耦合會產(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)動法，圖 7為右腿驅(qū)動的具體連接電路。因此，選