李昊霖 徐凌樺

0 概述

科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平日新月異，醫(yī)療水平逐漸提高，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自己和家人的健康狀況。在眾多生理信號(hào)中，心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)一直都是各國(guó)研究者們深入研究和學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，由于傳統(tǒng)的ECG 儀器相對(duì)較大并且依賴(lài)于PC 和顯示器顯示器，而從國(guó)內(nèi)外心電圖儀的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，新型心電監(jiān)測(cè)設(shè)備越來(lái)越便攜化，智能化，遠(yuǎn)程化。因此，便攜性和易操作是目前家用心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)備亟待解決的問(wèn)題[1]。在這樣的背景下，本文設(shè)計(jì)了一款使用STM32F103ZET6 作為主控芯片，AD8232 芯片作為前端采樣，ADC 配合DMA快速采集傳輸心電信號(hào)，再對(duì)所采集心電信號(hào)進(jìn)行處理，最后根據(jù)使用者需求選擇顯示方式，從而實(shí)現(xiàn)一款輕便小巧、操作簡(jiǎn)單、低成本的心電監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)、AD8232 模擬前端、OLED顯示模塊、HC-05 藍(lán)牙模塊組成，醫(yī)用AgCl 采樣電極通過(guò)單導(dǎo)聯(lián)的方式將感知的心電信號(hào)傳輸?shù)紸D8232 模塊，進(jìn)行初步信號(hào)調(diào)理及放大后，由STM32 單片機(jī)的ADC 采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將采集的心電信息通過(guò)OLED 模塊或者上位機(jī)顯示出來(lái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

選用STM32F03ZET6 芯片作為主控單元，該芯片采用的CPU 是 ARM 的 32 位 Cortex-M3，擁有片上 128K 的閃存，還有20K 的RAM，同時(shí)內(nèi)置了3 個(gè)12 位精度的片上AD/DA 轉(zhuǎn)換器以及串行端口外設(shè)。并支持各種外設(shè)，如定時(shí)器，ADC，SPI，USB，IIC 和UART。使得它在簡(jiǎn)單的電路上就能執(zhí)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)濾波。

2.2 AD8232 模塊

綜合考慮性能和成本性能方面，選擇AD8232 作為本次設(shè)計(jì)的模擬前端。AD8232 采用雙極點(diǎn)高通濾波器來(lái)消除運(yùn)動(dòng)偽像和電極半電池電位[2]。AD8232 模塊的默認(rèn)的外圍電路連接配置為0.5Hz 的雙極點(diǎn)高通濾波器，以及雙極性40Hz 低通濾波器。同時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)第三電極來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳共模抑制。除了40Hz 濾波功能外，運(yùn)算放大器的增益也配置為11，因此系統(tǒng)總增益為1 100[3]。選擇AD8232 的原因是因?yàn)閱涡酒M信號(hào)鏈前端芯片大大方便了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.3 OLED 模塊

顯示屏的選擇方面主要考慮價(jià)格，因?yàn)楦鞣N屏幕都能實(shí)現(xiàn)功能，所以根據(jù)經(jīng)費(fèi)情況，選擇性?xún)r(jià)比最高的0.96 的128*64 OLED 顯示屏模塊作為心電監(jiān)測(cè)的屏幕。

2.4 HC-05 藍(lán)牙模塊

在與主機(jī)的數(shù)據(jù)通信中，選擇最經(jīng)典的HC-05 藍(lán)牙模塊，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)街鳈C(jī)。在本設(shè)計(jì)中，它可以通過(guò)TX 和RX接口連接到STM32F103ZET6。該模塊非常靈活，使用方便。

2.5 按鍵及LED 電路

為了實(shí)現(xiàn)更好的人機(jī)交互，本設(shè)計(jì)通過(guò)三個(gè)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件側(cè)的模式選擇和相關(guān)的功能切換。物理按鈕可用于使操作方便可靠，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單地顯示和指導(dǎo)了解如何操作硬件。按鍵1 選擇本地模式，按鈕2 選擇上位機(jī)模式。在本地模式中，按鈕3 用于在本地模式下顯示心電圖之后顯示心率。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)為上電后，需要通過(guò)按鈕選擇系統(tǒng)的工作模式，有上位機(jī)模式和本地模式兩種工作模式，本地模式下又可選擇顯示心電圖或者顯示心率。選擇本地模式后，系統(tǒng)可以與上位機(jī)分開(kāi)工作，實(shí)現(xiàn)心率波形的測(cè)量顯示和心率計(jì)算。在本地模式下，測(cè)量的開(kāi)始和結(jié)束以及測(cè)量后的顯示數(shù)據(jù)可以分別由兩個(gè)按鈕控制;當(dāng)選擇上位機(jī)模式時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙將所有采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧恐鳈C(jī)，上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。

3.2 ADC 及 DMA 算法配置

本次設(shè)計(jì)應(yīng)用ADC 的定時(shí)器觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換功能，再通過(guò)DMA 傳輸數(shù)據(jù)。通過(guò)設(shè)置好的時(shí)間間隔觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換，就能夠做到ADC 的定時(shí)采樣轉(zhuǎn)換的功能，之后可以在程序的死循環(huán)中不斷檢測(cè)DMA 的轉(zhuǎn)換完成狀態(tài)標(biāo)志位，轉(zhuǎn)換完成之后的數(shù)據(jù)才可被讀取。DMA 配置為雙緩沖機(jī)制，類(lèi)似于乒乓操作模式，建立2 個(gè)緩沖區(qū)緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)1 存滿(mǎn)時(shí)，接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送到緩沖區(qū)2，并對(duì)緩沖區(qū)1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，因此交替采樣濾波可以大大提高系統(tǒng)的工作速度，同時(shí)也保證數(shù)據(jù)接收不受暫停影響，非常高效實(shí)用。

3.3 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的工頻陷波和高通濾波均采用IIR 濾波器來(lái)設(shè)計(jì)。IIR 濾波器的設(shè)計(jì)借助MATLAB 的FDATOOL 工具包可以直接生成相關(guān)參數(shù)。再通過(guò)工具箱提供的將其參數(shù)翻譯成C 語(yǔ)言形式的功能，復(fù)制到STM32 的程序中可直接應(yīng)用該濾波器。

4 結(jié)果測(cè)試與改進(jìn)

在分別完成心電采集系統(tǒng)的硬件及軟件部分后，得到了下圖1 的顯示效果，存在較大誤差，在綜合分析了多種可能情況后出的結(jié)論為：（1）測(cè)試電路搭建太簡(jiǎn)陋使用了較多杜邦線(xiàn)（2）AD8232 模塊與導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)接觸不良。在檢查了原因后我對(duì)測(cè)試電路做出了改進(jìn)。在通過(guò)硬件改進(jìn)以及數(shù)字濾波器的使用后，得到下圖2 心電信號(hào)顯示效果，可以看到顯示效果有了明顯的改善。

圖1 改進(jìn)前

圖2 改進(jìn)后

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32 單片機(jī)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)，以及通過(guò)本地OLED 屏幕顯示或者將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)來(lái)顯示心電圖及心率。顯示效果良好，可以很好地完成心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)心電監(jiān)測(cè)設(shè)備的小型化、便攜化、遠(yuǎn)程化。