【正文】 ............................................................................. 22 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) III 整體測(cè)試和結(jié)果分析 ............................................................................................ 22 結(jié)束語(yǔ) ..................................................................................................................................... 24 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 25 附錄 ......................................................................................................................................... 26 致謝 ......................................................................................................................................... 27 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 1 1 引言 隨著社會(huì)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的逐步提高，我國(guó)人口老齡化程度越來(lái)越嚴(yán)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(guó)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(guó)因心腦血管疾病每年耗費(fèi)達(dá) 3000 億元，由于受測(cè)試手段的局限，預(yù)防率、治療率及控制率依然很低。 心電圖儀在醫(yī)學(xué) 領(lǐng)域中的應(yīng)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(guò)受限于身體各部分組織不同、距心臟的距離不同，會(huì) 造成體表 的不同部位的電位有所不同。這是我們對(duì) 心臟基本功能及 其病理研究 ，具有重要的參考價(jià)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(jìn)行心電圖信號(hào)的測(cè)量，并根據(jù)進(jìn)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(jī)構(gòu)做進(jìn)一步的 詳盡的 診斷。 為了能夠在更多場(chǎng)合更方便的診斷， 各種各樣的便攜式心電圖設(shè)備 應(yīng)運(yùn)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(dòng)，歷時(shí)時(shí)間短， 獲取 的 信息量很少 ，所以在 有限時(shí)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(shí)間，還 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 2 可以 得到實(shí)時(shí)的監(jiān)護(hù)，所以研發(fā)便攜式心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品具有重要意義。 便攜式心電圖儀 的發(fā)展?fàn)顩r 1887 年英國(guó)生理學(xué) Einthoven 通過(guò)對(duì) 毛細(xì)管 的 靜電計(jì)記錄了心動(dòng) 的 電 流圖 [4]。 1903 年 他成功的 設(shè)計(jì)了弦線式電流計(jì)，通過(guò)反射鏡記錄心動(dòng)電流，解決了以前測(cè)量設(shè)備的惰性大，記錄誤差大以及需要繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算等缺點(diǎn)。這種方法簡(jiǎn)單直觀，并采用 P、 Q、 R、 S、 T 等字母標(biāo)出心電圖上 的各波，這種標(biāo)記方法一致沿用至今。 1924 年 Einthoven 教授獲得了諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) [5]。心電圖 從此開始 逐步走進(jìn) 協(xié)助診斷 疾病，并通過(guò)發(fā)展被 廣泛應(yīng)用于臨床。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)、微電子、機(jī)械電子在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了心電設(shè)備的發(fā)展。 綜觀當(dāng)前心電檢測(cè)儀器發(fā)展趨勢(shì)，主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展： （ 1）系統(tǒng)化 隨著醫(yī)院計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)化、信息存儲(chǔ)介質(zhì) 和 IC 卡等的應(yīng)用及 Inter 的全球化而產(chǎn)生的。 而實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)將在該系統(tǒng)中有著重要的作用 。 （ 3） 無(wú)線化 無(wú)線傳感技術(shù)的發(fā)展能夠促使心電檢測(cè)無(wú)線化，從而擺脫傳統(tǒng)心臟檢測(cè)的繁瑣程序。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 3 （ 4） 自動(dòng)化 自動(dòng)測(cè)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(shè)計(jì)的目標(biāo)之一。如目前出現(xiàn)的 基于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就是這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)的體現(xiàn)。同時(shí)對(duì)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(shè)計(jì) 由于心電信號(hào)的微弱性，我們對(duì)心電信號(hào)的 提取具有一定難度。因此在設(shè)計(jì)前端硬件電路時(shí)，要根據(jù)信號(hào)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(duì)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(guò)先進(jìn)微處理器的應(yīng)用研究的主要內(nèi)容是通過(guò)將嵌入式技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和信號(hào)采集技術(shù)的結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠完成信號(hào)提取和分析功能的嵌入式心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 (2) 心電圖儀的軟件設(shè)計(jì)： ?STM32 芯片各模塊初始化程序； ?數(shù)字濾波處理程序； 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 4 ?人機(jī) 交互界面的程序設(shè) 計(jì)； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)，在電路中還引入了右腿驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿蟛糠郑盒碾姴杉娐?，主要完成心電信?hào)的提??； 帶通濾波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號(hào)，使之符合處理要求； STM32 處理電路，完成心電信號(hào)的顯示和 分析功能。 （ 2）處理電路：主要完成對(duì)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(shí)時(shí)顯示 出心電波形和心電相關(guān)信息。 （ 6）電源電路：設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的電源電路，為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。本心電圖儀集信號(hào)的采集、處理、傳輸三大功能于一體。因此，在開發(fā)過(guò)程中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針 對(duì)性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計(jì)。 (2) 選擇典型電路，按照模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)擴(kuò)展與 I/O 的配置充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)冗余，以便進(jìn)行二次開發(fā)。 (4) 必須考慮芯片的驅(qū)動(dòng)能力，有必要的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)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(qiáng)的可移動(dòng)性，便于使用者攜帶，同時(shí)也要求功能完善，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)于這些功能，即需要相對(duì)獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，又需要良好的協(xié)調(diào)。 處理器 的選擇 處理器相當(dāng)于人體的大腦機(jī)制，整個(gè)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(wù)，所以一款合適的處理器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。 (2) 處理器在完成任務(wù)的復(fù)雜程度：在本設(shè)計(jì)中，處理器要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、信號(hào)的濾波處理、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及通信。因此在選擇 MCU 的時(shí)候，希望 MCU 內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)的可靠 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 6 性及穩(wěn)定性。 (5) 盡可能底的功耗：便攜式設(shè)備對(duì)低 功耗的要求都較高，必須最低限度的減少功耗，手持式設(shè)備的續(xù)航能力也是眾多參數(shù)比較受關(guān)注的一點(diǎn)，如何能有長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力也是我們需要注意的一點(diǎn)。 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) STM32F103x 增強(qiáng)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(dá) 72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 (高達(dá) 128K 字節(jié)的 FLASH 和 20K 字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng) I/O 端口和連接到兩條 APB 總線的外設(shè)。工作電壓為 。 STM32 微控制器有如下優(yōu)點(diǎn)： (1) STM32 內(nèi)部有高達(dá) 128K 字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲(chǔ)器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。這樣在我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中就去掉了以往很多嵌入式項(xiàng)目設(shè) 計(jì)中所需要的用于外部程序存儲(chǔ)器的 Flash 芯片和用于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xiàng)目的開發(fā)工作帶來(lái)了很大的便利，因?yàn)樵谝郧暗墓ぷ髦性?jīng)使用過(guò)其他ARM 核心的微控制器，所積累的經(jīng)驗(yàn)在本項(xiàng)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(yuǎn)程設(shè)置或修改配置參數(shù)。 (4) STM32 有優(yōu)秀的功耗控制。 STM32 經(jīng)過(guò)特殊處理， 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 7 針對(duì)應(yīng)用中三種主要的功耗需求進(jìn)行優(yōu)化，這三種能耗需求分別是運(yùn)行模式下的高效率的動(dòng)態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時(shí)極低的電能消耗和電池供電時(shí)的 低電壓工作能力 [11]。它采取與以往不同設(shè)計(jì)方法，通過(guò)把各個(gè)外設(shè)封裝成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù) 的方式，屏蔽了底層硬件細(xì)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(shí)間。 STM32 固件庫(kù)提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問(wèn) STM32 的 各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。在更廣的應(yīng)用領(lǐng)域中， USB 功能的實(shí)現(xiàn)將變得越來(lái)越方便，因 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 8 為 USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的固件包，使得用戶可以順利地開發(fā)各個(gè)類的 USB 固件。 總之， STM32 芯片在項(xiàng)目中的使用，使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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。 圖 3 最小核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 由圖 3 中可以看出，在設(shè)計(jì) STM32 最小系統(tǒng)時(shí)要注意一 下幾個(gè)部分： (1) 復(fù)位電路：利用 RC 電路的延時(shí)特性，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，有此可簡(jiǎn)單計(jì)算出延時(shí)時(shí)間，這里用一個(gè) 10 k 電阻和 181。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 9 (2) 晶振電路：這里選用兩個(gè)晶振，首先 8M 無(wú)源晶振，晶振兩端分別通過(guò) 22pF的電容接地，另一個(gè) 的晶振使用的 15pF 的電容接地電路簡(jiǎn)單，并能很容易的就能使晶振起振。 表 1 啟動(dòng)模式說(shuō)明 (4) 模塊有 4 個(gè)數(shù)字電源供電引腳， 1 個(gè)模擬電源供電引腳以及相應(yīng)的接地引腳。電源和地之間加若干去藕電容。 顯示界面設(shè)計(jì) 首先，針對(duì)要完成一款便攜式心電儀的設(shè)計(jì)，那么在 LCD 的選擇上，就要符合實(shí)際的需 要，必須要考慮功耗和成本。主要從以下幾個(gè)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。 (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(jià)比高是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)，因此要可能 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 10 的用符合設(shè)計(jì)要求價(jià)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(shè)計(jì)如圖 4 所示 圖 4 LCD顯示界面借口 按鍵設(shè)計(jì) 對(duì)于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的場(chǎng)合，按鍵是比較常用的，通過(guò)按鍵來(lái)選擇系統(tǒng)的功能，完成對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)控制。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖 5 所示。因此要選擇一款合適的差分運(yùn)放芯片。一般為了抑制零點(diǎn)漂移，提高共模抑 制比，應(yīng)該分多級(jí)實(shí)現(xiàn)放大?？梢栽O(shè)計(jì)高通、低通濾波器來(lái)壓縮頻帶，濾除該頻帶以外的干擾信號(hào)。 (3) 共模抑制比 電極不對(duì)稱、電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的干擾都易產(chǎn)生極化電壓，然后通過(guò)放大電路其值極有可能遠(yuǎn)比心電信號(hào)大得多，從而將微弱的信號(hào)淹沒(méi)。 一般要求要達(dá)到 80db 以上。 (5) 低噪聲、低漂移 在心電放大器中，還有兩個(gè)較重要的參數(shù)即噪聲和漂移。另外，溫漂會(huì)引入直流電壓增益從而給心電信號(hào)帶來(lái)干擾。 綜上所述該方案選用具有上述優(yōu)點(diǎn)的 AD620， 具體 設(shè)計(jì)電路圖如圖 6 所示 。右腿不直接接地而是接到輔助運(yùn)算放大器的輸出。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號(hào)的頻率成分為代價(jià)。 圖 7 右腿驅(qū)動(dòng)電路 濾 波電路以及陷波電路的設(shè)計(jì) 為濾除干擾需要設(shè)計(jì)帶通濾波器，使頻率為 ～ l0