【正文】 ..21 濾波算法測試.........................................................................................................22基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計III 整體測試和結(jié)果分析.............................................................................................22結(jié)束語......................................................................................................................................24參考文獻..................................................................................................................................25附錄..........................................................................................................................................26致謝..........................................................................................................................................28基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計11 引言隨著社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，我國人口老齡化程度越來越嚴重，與此伴隨的心臟病一類的疾病的發(fā)病率也不斷攀升，人們的身體健康產(chǎn)生了巨大的威脅。根據(jù)相關(guān)部門的調(diào)查顯示，我國每年大約有近一半的死亡病例為冠心病，而且死亡率還在逐年遞增。在我國因心腦血管疾病每年耗費達 3000 億元，由于受測試手段的局限，預防率、治療率及控制率依然很低。 心電圖儀在醫(yī)學領(lǐng)域中的應用人類的心臟有規(guī)律性的膨脹和收縮，從而使血液的循環(huán)。不過受限于身體各部分組織不同、距心臟的距離不同，會造成體表的不同部位的電位有所不同。這是我們對心臟基本功能及其病理研究，具有重要的參考價值 [2]。這些都可以在心臟手術(shù)和藥物的使用上提供重要的參考 [3]。我們可以用它在家庭或則其他地方很方便的進行心電圖信號的測量，并根據(jù)進一步的處理，做基本的診斷，也可以把這些數(shù)據(jù)提交到專業(yè)機構(gòu)做進一步的詳盡的診斷。為了能夠在更多場合更方便的診斷，各種各樣的便攜式心電圖設備應運而生，常規(guī)心電圖儀由于笨重只能在病人靜臥的情況下記錄的心電活動，歷時時間短，獲取的信息量很少，所以在有限時間內(nèi)有些非正常的情況被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。這樣不僅可以節(jié)省時間，還可以得到實時的監(jiān)護，所以研發(fā)便攜式心電監(jiān)護產(chǎn)品具有重要意義。 便攜式心電圖儀的發(fā)展狀況1887 年英國生理學 Einthoven 通過對毛細管的靜電計記錄了心動的電流圖 [4]。1903 年他成功的設計了弦線式電流計，通過反射鏡記錄心動電流，解決了以前測量設備的惰性大，記錄誤差大以及需要繁瑣的數(shù)學計算等缺點。這種方法簡單直觀，并采用 P、Q、R、S、T 等字母標出心電圖上的各波，這種標記方法一致沿用至今。1924 年 Einthoven 教授獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎 [5]。心電圖從此開始逐步走進協(xié)助診斷疾病，并通過發(fā)展被廣泛應用于臨床。 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機、微電子、機械電子在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應用，極大的促進了心電設備的發(fā)展。綜觀當前心電檢測儀器發(fā)展趨勢，主要向以下幾個方向發(fā)展： （1）系統(tǒng)化隨著醫(yī)院計算機管理網(wǎng)絡化、信息存儲介質(zhì)和 IC 卡等的應用及 Inter 的全球化而產(chǎn)生的。而實時心電數(shù)據(jù)將在該系統(tǒng)中有著重要的作用。 （3）無線化 無線傳感技術(shù)的發(fā)展能夠促使心電檢測無線化，從而擺脫傳統(tǒng)心臟檢測的繁瑣程基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計3序。 （4）自動化 自動測量和分析是醫(yī)療儀器的發(fā)展方向，使醫(yī)療器械智能化是目前醫(yī)療器械設計的目標之一。如目前出現(xiàn)的基于 GPRS 網(wǎng)絡的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。同時對心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù)。2 系統(tǒng)總體設計由于心電信號的微弱性，我們對心電信號的提取具有一定難度。因此在設計前端硬件電路時，要根據(jù)信號的特征，選擇最佳的器件。因此還有必要采用軟件濾波的方法，這就對處理器的速度和軟件的優(yōu)化提出了更高的要求 [7]。 主要功能本文的目的是通過先進微處理器的應用研究的主要內(nèi)容是通過將嵌入式技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和信號采集技術(shù)的結(jié)合，設計一個能夠完成信號提取和分析功能的嵌入式心電圖監(jiān)測系統(tǒng)。 (2) 心電圖儀的軟件設計： 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計4?STM32 芯片各模塊初始化程序； ?數(shù)字濾波處理程序； ?人機交互界面的程序設計； 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。為了更好地抑制干擾信號，在電路中還引入了右腿驅(qū)動電路。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)主要劃分為三大部分：心電采集電路，主要完成心電信號的提?。粠V波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號，使之符合處理要求；STM32 處理電路，完成心電信號的顯示和分析功能。 （2）處理電路：主要完成對心電數(shù)據(jù)的濾波、陷波、放大、分析、顯示和傳輸控制。 （4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關(guān)信息。 （6）電源電路：設計穩(wěn)定可靠的電源電路，為整個系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。本心電圖儀集信號的采集、處理、傳輸三大功能于一體。因此，在開發(fā)過程中，硬件設備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對性的進行器件的選擇和設計。 (2) 選擇典型電路，按照模塊化設計，系統(tǒng)擴展與 I/O 的配置充分滿足應用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當冗余，以便進行二次開發(fā)。 (4) 必須考慮芯片的驅(qū)動能力，有必要的可靠性及抗干擾設計它包括去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等 [8]。由于便攜式心電圖儀有很強的可移動性，便于使用者攜帶，同時也要求功能完善，能夠?qū)崟r對心電信號進行處理。對于這些功能，即需要相對獨立的模塊化設計，又需要良好的協(xié)調(diào)。 處理器的選擇處理器相當于人體的大腦機制，整個系統(tǒng)在處理器合理指揮調(diào)度下才能完成我們賦予他們的任務，所以一款合適的處理器對于整個系統(tǒng)來說是非常重要的。(2) 處理器在完成任務的復雜程度：在本設計中，處理器要負責信號的采集、信號的濾波處理、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)存儲以及通信。因此在選擇 MCU 的時候，希望 MCU 內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡化系統(tǒng)設計，增加系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。 (5) 盡可能底的功耗：便攜式設備對低功耗的要求都較高，必須最低限度的減少功耗，手持式設備的續(xù)航能力也是眾多參數(shù)比較受關(guān)注的一點，如何能有長時間的續(xù)航能力也是我們需要注意的一點。 最小核心系統(tǒng)電路的設計STM32F103x 增強型系列芯片使用高性能的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為最高可達 72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達 128K 字節(jié)的 FLASH 和 20K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強 I/O 端口和連接到兩條 APB 總線的外設。工作電壓為 。 STM32 微控制器有如下優(yōu)點： (1) STM32 內(nèi)部有高達 128K 字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。這樣在我們所設計的系統(tǒng)中就去掉了以往很多嵌入式項目設計中所需要的用于外部程序存儲器的 Flash 芯片和用于外部數(shù)據(jù)存儲器的 SRAM 芯片，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性 [10]。 這給項目的開發(fā)工作帶來了很大的便利，因為在以前的工作中曾經(jīng)使用過其他 ARM 核心的微控制器，所積累的經(jīng)驗在本項目的開發(fā)中得到了充分發(fā)揮。 (3) STM32 的內(nèi)部 FLASH 是在線可編程的。但在某些情況下，需要遠程設置或修改配置參數(shù)。(4) STM32 有優(yōu)秀的功耗控制。STM32 經(jīng)過特殊處理，針對應用中三種主要的功耗需求進行優(yōu)化，這三種能耗需求分別是運行模式下的高效率的動態(tài)耗電機制、待機狀態(tài)時極低的電能消耗和電池供電時的低電壓工作能力[11]。它采取與以往不同設計方法，通過把各個外設封裝成標準庫函數(shù) 的方式，屏蔽了底層硬件細節(jié)，能夠使開發(fā)人員很輕松地完成產(chǎn)品的開發(fā)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。 STM32 固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問 STM32 的 各個標準外設，并使用它們的所有特性。在更廣的應用領(lǐng)域中，USB 功能的實現(xiàn)將變得越來越方便，因為 USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過驗證的固件包，使得用戶可以順利地開發(fā)各個類的 USB 固件。 總之，STM32 芯片在項目中的使用，使得整個系統(tǒng)的運行效率、穩(wěn)定性、功耗、生產(chǎn)成本等都比同類系統(tǒng)有了較大的提升?；?STM32 的便攜式心電圖儀設計9圖 3 最小核心系統(tǒng)設計圖由圖 3 中可以看出，在設計 STM32 最小系統(tǒng)時要注意一下幾個部分： (1) 復位電路：利用 RC 電路的延時特性，設計了簡單的復位電路，有此可簡單計算出延時時間，這里用一個 10 k 電阻和 181。 (2) 晶振電路：這里選用兩個晶振，首先 8M 無源晶振，晶振兩端分別通過 22pF的電容接地，另一個 的晶振使用的 15pF 的電容接地電路簡單，并能很容易的就能使晶振起振。表1 啟動模式說明 (4) 模塊有 4 個數(shù)字電源供電引腳，1 個模擬電源供電引腳以及相應的接地引腳。電源和地之間加若干去藕電容。 顯示界面設計首先，針對要完成一款便攜式心電儀的設計，那么在 LCD 的選擇上，就要符合實際的需要，必須要考慮功耗和成本。主要從以下幾個參數(shù)做出選擇： (1) 顏色要豐富。比如波形、漢字、數(shù)字最好顏色不同。 (2) 尺寸。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計10(3) 功耗。液晶主要有兩類：STN 型和 TFT 型，后者較之前者顯示效果更佳，但耗電能方面也高于前者。正如上面所提到的，性價比高是本系統(tǒng)設計的一個目標，因此要可能的用符合設計要求價格低廉的產(chǎn)品。相關(guān)參數(shù)： ? 分辨率：QVGA 240 x 320 ? 尺寸： 英寸? 控制器：IL9320 ? 觸摸屏：4 線電阻式 ? 接腳：30PIN 間距 ? 背光：4 LED 并聯(lián)具體接口電路設計如圖 4 所示圖4 LCD顯示界面借口 按鍵設計對于實現(xiàn)人機交互的場合，按鍵是比較常用的，通過按鍵來選擇系統(tǒng)的功能，完成對系統(tǒng)的訪問控制。具體電路實現(xiàn)如圖 5 所示。因此要選擇一款合適的差分運放芯片。一般為了抑制零點漂移，提高共模抑制比，應該分多級實現(xiàn)放大。可以設計高通、低通濾波器來壓縮頻帶，濾除該頻帶以外的干擾信號。 (3) 共模抑制比 電極不對稱、電氣設備運行時的干擾都易產(chǎn)生極化電壓，然后通過放大電路其值極有可能遠比心電信號大得多，從而將微弱的信號淹沒。一般要求要達到 80db 以上。 (5) 低噪聲、低漂移 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計12在心電放大器中，還有兩個較重要的參數(shù)即噪聲和漂移。另外，溫漂會引入直流電壓增益從而給心電信號帶來干擾。綜上所述該方案選用具有上述優(yōu)點的 AD620，具體設計電路圖如圖 6 所示。右腿不直接接地而是接到輔助運算放大器的輸出。采用右腿驅(qū)動電路，對50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號的頻率成分為代價。圖7 右腿驅(qū)動電路 濾波電路以及陷波電路的設計為濾除干擾需要設計帶通濾波器，使頻率為 ～l00Hz 的心電信號通過，該