李紅利，劉培軍，陳國崴，張榮華，李月軍

（1.天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，天津 300387；2.杭申集團有限公司，杭州 311234）

在科學研究和醫(yī)療診斷等領域，人體的心電（ECG）信號具有非常重要的意義，其中包含了大量的生理和病理信息[1].傳統(tǒng)心電信號采集裝置的核心部分是心電信號放大器和模數(shù)轉換器件，因其內部模塊組成較為復雜，整個儀器體積往往比較龐大，對使用環(huán)境要求較高[2].另外，傳統(tǒng)的模數(shù)轉換芯片精度較低、性能較差、功耗較高，從而導致ECG信號測量精度低[3].為克服以上缺點，本文基于STM32芯片，采用ADS1298前端采集芯片和LabVIEW上位機顯示平臺，設計了一套便攜式、高精度、小型化的實時心電信號采集顯示系統(tǒng)，并進行實驗，結果表明該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)人體ECG信號的高精度（μV/bit）采集，并能實時動態(tài)顯示波形.

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架

選用TI公司的24位高精度、低能耗的ADS1298前端采集轉換芯片，它是一款SOC芯片，在內部可調增益設為最小值1時，可識別0.286 μV的電壓變化，芯片內部通過軟件編程調節(jié)增益，可精確識別ECG信號的微小變化.選擇性能優(yōu)越的STM32系列單片機作為控制器.ADS1298通過SPI傳輸方式將轉換后的數(shù)字信號傳送到STM32F103RCT6控制器，數(shù)據(jù)暫儲存在控制器；然后通過配置藍牙模塊與上位機部分的參數(shù)，數(shù)據(jù)將從控制器無線透傳到LabVIEW上位機，實現(xiàn)實時在線傳輸；最后，在LabVIEW上位機進行巴特沃斯濾波，包括高低通濾波、帶通濾波和工頻陷波處理等，進而實時動態(tài)顯示心電波形.系統(tǒng)框架見圖1.

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

1.2 預處理電路和主體硬件電路

預處理電路，即前置濾波電路，如圖2所示.該部分由二階無源低通濾波電路和3 V的限壓電路組成，可消除高頻干擾和對A/D芯片進行過壓保護.低通截止頻率為122.7 Hz，A/D采集芯片的供電電壓為3 V，滿足心電頻率及輸入端電壓通過的要求.

根據(jù)ADS1298芯片手冊，配置其外圍電路，如圖3所示.

圖2 前置濾波電路Fig.2 Prefilter circuit

圖3 A/D芯片外圍電路Fig.3 A/D peripheral circuit

1.3 藍牙模塊

系統(tǒng)采用德飛萊藍牙串口v2.0版模塊[4]，它具有高速通信和低功耗的優(yōu)點，并且具備向下兼容的特點.藍牙模塊輸入電壓為3.3~6 V，傳輸距離為15 m，具有防反接和狀態(tài)指示燈功能，可以通過AT命令切換主機和從機模式、設置通訊比特率等.

1.4 LabVIEW上位機

LabVIEW上位機部分主要包括外置的顯示面板和內部的軟件程序.軟件部分采用基于圖形的編程方式（G語言），G語言編程可縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)難度[5-8].使用J-link下載器將編寫的程序加載到控制器內，進行數(shù)據(jù)采集，A/D采集轉換后的數(shù)據(jù)通過藍牙串口發(fā)送到LabVIEW上位機，然后對數(shù)據(jù)進行濾波處理，這里采用6階巴特沃斯濾波，先分3次進行干擾濾除，再進行適當?shù)牡屯?、帶阻、帶通濾波，最終得到心電波形圖.

LabVIEW軟件程序的主要部分為一個while循環(huán)，進行連續(xù)的數(shù)據(jù)讀取和處理，循環(huán)內部設置一個停止按鈕和一個條件結構.停止按鈕用于停止數(shù)據(jù)傳輸.條件結構內部設置VISA Config和VISA讀取函數(shù)2個模塊.VISA Config確定數(shù)據(jù)來自哪個串口.VISA讀取函數(shù)用于讀取藍牙串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過設置一個屬性節(jié)點，以保證每次都能將串口中的數(shù)據(jù)讀完，然后利用一個條件結構對得到的字符串進行處理，進行3次巴特沃斯濾波.具體的程序流程如圖4所示.

圖4 LabVIEW軟件程序Fig.4 Program of LabVIEW

2 實驗

2.1 測試對象基本信息

實驗采集并處理4名受試者的ECG信號，4名受試者的基本信息見表1.

表1 受試者基本信息Tab.1 Basic information of the subjects

2.2 實驗結果

為驗證所設計的LabVIEW上位機程序的有效性，使用模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生原始信號，見圖5（a），經(jīng)LabVIEW上位機程序濾波后得到的模擬ECG波形見圖5（b）.

圖5 軟件濾除工頻干擾Fig.5 Software filter frequency interference

由圖5可見，原始信號中的工頻干擾基本濾除，說明本文設計的濾波程序是有效的.

4名受試者的ECG波形圖見圖6.比較4名受試者的ECG波形圖，可以明顯看出4人的心率及心電特征波略有差異，波形均呈周期性變化，P波、QRS波、T波和ST段等特征均比較明顯，可用于心率失常、心肌梗塞等病理分析，實驗結果說明本文設計的系統(tǒng)是有效可行的.

經(jīng)驗模態(tài)分解（EMD）算法適用于非線性非平穩(wěn)信號處理，是一種性能非常優(yōu)越的濾波算法，常用于人體生理信號檢測分析[9-12].本文利用LabVIEW上位機存儲的原始信號數(shù)據(jù)，使用Matlab對EMD算法進行了實現(xiàn).以1號受試者為例，經(jīng)A/D轉換后的原始信號見圖7.圖7的數(shù)據(jù)信號經(jīng)分解得到的8個IMF，去掉高頻部分后，經(jīng)重構得到圖8所示的波形圖，圖8與圖6（a）的ECG波形基本一致，這進一步說明本文設計的心電信號采集系統(tǒng)是切實可行的.

圖6 4名受試者的ECG波形圖Fig.6 ECG waveform s of four subjects

圖7 1號受試者的原始ECG信號Fig.7 Original ECG signal of No.1 subject

圖8 經(jīng)EMD重構的信號波形Fig.8 Reconstructed signal waveform by EMD

3 結論

采用TI公司的24位高精度ADS1298芯片、G語言編寫的LabVIEW上位機以及性能穩(wěn)定良好的STM32作為核心控制器，設計了一套心電信號實時采集顯示系統(tǒng)，實驗結果表明該系統(tǒng)能夠滿足設計要求，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)程序設計比較簡單，實現(xiàn)了信號無線傳輸和波形圖實時顯示，為醫(yī)療診斷、病理檢測提供了可靠的實驗基礎.