朱智

摘要： 針對(duì)嵌入式技術(shù)課程中理論抽象和設(shè)備技術(shù)深度不足的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)出單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的案例，致力于提升學(xué)生在嵌入式領(lǐng)域的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。課堂教學(xué)采用案例展示、教師分析、學(xué)生分組設(shè)計(jì)仿真和小組答辯等形式，以提高學(xué)生的參與度。研究結(jié)果表明，以嵌入式技術(shù)在單導(dǎo)聯(lián)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用為背景，能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)系統(tǒng)概念的理解，提高學(xué)生在心電信號(hào)分析設(shè)計(jì)方面的綜合能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)；嵌入式技術(shù)；教學(xué)案例

中圖分類號(hào)：G642? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

“微機(jī)與單片機(jī)嵌入技術(shù)”課程作為電子信息等專業(yè)的必修課，旨在培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)際工程設(shè)計(jì)相結(jié)合的能力［1］。該課程全面涵蓋了系統(tǒng)架構(gòu)、硬件原理與驅(qū)動(dòng)、軟件指令體系和編碼等多個(gè)設(shè)計(jì)方面，與硬件和嵌入式操作系統(tǒng)也密切相關(guān)［2］。然而，教師在授課時(shí)面臨學(xué)生對(duì)抽象概念的難以理解、跨學(xué)科挑戰(zhàn)以及設(shè)備限制和實(shí)驗(yàn)條件不足等問(wèn)題。技術(shù)更新速度快和理論難與實(shí)踐相結(jié)合等問(wèn)題也增加了課程的教學(xué)難度［3］。

為解決這些問(wèn)題，創(chuàng)新性的教學(xué)方法和產(chǎn)業(yè)界的合作顯得尤為重要。采用創(chuàng)新教學(xué)方法，如案例教學(xué)和實(shí)踐項(xiàng)目，提高學(xué)生對(duì)抽象概念的理解和實(shí)際操作能力；加強(qiáng)與產(chǎn)業(yè)界的合作，提供實(shí)踐機(jī)會(huì)和現(xiàn)代化設(shè)備支持，確保學(xué)生緊跟技術(shù)發(fā)展［4］。這些綜合性的舉措幫助課程更貼近實(shí)際應(yīng)用，更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。大部分高校教學(xué)以實(shí)踐創(chuàng)新為主，但在實(shí)際操作過(guò)程中卻面臨著教學(xué)內(nèi)容和案例相對(duì)枯燥，缺乏系統(tǒng)性和實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生難以深刻理解［5］。

“微機(jī)與單片機(jī)嵌入技術(shù)”課程中，為了幫助學(xué)生更深入理解嵌入式概念，課程引入了案例展示、教師分析、學(xué)生分組設(shè)計(jì)仿真和小組答辯等教學(xué)環(huán)節(jié)，提高了學(xué)生的參與度。本文設(shè)計(jì)單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)案例以解決“微機(jī)與單片機(jī)嵌入技術(shù)”理論學(xué)習(xí)內(nèi)容抽象的問(wèn)題。該教學(xué)案例幫助學(xué)生掌握外圍電路設(shè)計(jì)、STM32處理器的性能、結(jié)構(gòu)和編程。通過(guò)案例教學(xué)和上機(jī)訓(xùn)練，學(xué)生將獲得更為豐富的實(shí)際動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)，為今后微控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用打下更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 ECG生理檢測(cè)原理

1.1 ECG信號(hào)產(chǎn)生原理

心電信號(hào)是心臟組織發(fā)生電興奮時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)［6］。如圖1所示，在靜止?fàn)顟B(tài)下，心肌細(xì)胞膜呈極化狀態(tài)，即膜內(nèi)負(fù)電荷、膜外正電荷。受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜通透性改變，導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)外電荷分布發(fā)生變化，形成心臟的去極化，也稱為除極。復(fù)極是電荷恢復(fù)到極化狀態(tài)的過(guò)程。心臟通過(guò)周期性的除極和復(fù)極，在人體表面形成電位差，伴隨著心臟的收縮與舒張［7］。

圖1 心臟傳導(dǎo)

在心臟收縮之前，竇房結(jié)肌細(xì)胞等組織發(fā)生離子流動(dòng)，產(chǎn)生微弱電流。電流按特定順序通過(guò)心臟壁的傳導(dǎo)組織傳導(dǎo)到各部位，觸發(fā)心肌細(xì)胞興奮，導(dǎo)致心臟跳動(dòng)。心臟電興奮引起規(guī)律的電位變化，形成心電信號(hào)［8］。該信號(hào)通過(guò)周圍組織傳導(dǎo)，合成心電圖（Electrocardiogram，ECG）。通過(guò)儀器和電極導(dǎo)聯(lián)，微弱的心電信號(hào)被放大采集，描繪出時(shí)間-電壓曲線圖，即心電圖。

1.2 ECG信號(hào)的時(shí)域波形

心電圖是記錄心臟活動(dòng)的時(shí)域波形圖，受個(gè)體差異、環(huán)境電磁場(chǎng)和電極放置等因素的影響，顯示的波形可能有些許差異。標(biāo)準(zhǔn)心電圖如圖2所示，描述了一個(gè)周期內(nèi)各個(gè)波段的組成。

圖2 正常周期心電圖各波段

一個(gè)心電圖周期主要包括以下波段。

P波：表示左右心房電位隨時(shí)間變化，除aVR導(dǎo)聯(lián)外，其他導(dǎo)聯(lián)呈向上波形。

T波：出現(xiàn)在QRS波群之后，方向與QRS波群一致，代表心室復(fù)極時(shí)電位變化。

P-R波段：P波結(jié)束到QRS波群開(kāi)始的直線，反映房室結(jié)傳導(dǎo)情況，正常情況下短于0.2s。

QRS波群：反映心室去極化，包括Q波、S波和尖銳的R波，寬度為0.06～0.10 s，R波高度不超過(guò)4 mV。

S-T波段：QRS波群結(jié)束到T波開(kāi)始，表示心室肌去極化完成后的緩慢恢復(fù)，正常情況下趨近等電位線，變化不超過(guò)0.1 mV。

1.3 ECG信號(hào)噪聲來(lái)源

人體產(chǎn)生的微弱心電信號(hào)幅值通常不超過(guò)5 mV，頻率在0.05～100 Hz。然而，該信號(hào)容易受到腦電、肌電等其他生理電信號(hào)以及儀器和電磁環(huán)境的影響，導(dǎo)致難以清晰分辨。在心電圖中，噪聲表現(xiàn)為肌電干擾、工頻干擾和基線漂移［9］。

（1） 肌電干擾：人體存在20～5 000 Hz的肌電信號(hào)，其不規(guī)則、密集的高斯噪聲會(huì)疊加在心電信號(hào)上。通過(guò)低通濾波器可有效去除該高頻噪聲。

（2） 工頻干擾：使用市電作為電源會(huì)引入50 Hz工頻信號(hào)及其諧波，對(duì)微弱電信號(hào)產(chǎn)生較大影響，使心電信號(hào)模糊不清。采用小波變換、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解或?yàn)V波器可有效抑制工頻信號(hào)。

（3） 基線漂移：人體呼吸或身體晃動(dòng)產(chǎn)生0.05～2.00 Hz的低頻噪聲，導(dǎo)致信號(hào)頻帶與基線不同水平，使整體波形發(fā)生漂移。通過(guò)陷波器或?yàn)V波器處理，有助于解決基線漂移問(wèn)題，確保心電圖分析準(zhǔn)確。

2 單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)案例設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本課程案例要求設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警的單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)采集顯示、心率計(jì)算、心電診斷預(yù)警。

整個(gè)系統(tǒng)分為2個(gè)部分：采集端與客戶端，如圖3所示。采集端主要由心電采集電極、心電信號(hào)調(diào)理單元、微處理器信號(hào)處理單元、電源及藍(lán)牙透?jìng)髂K組成；客戶端為Android App。

心電信號(hào)調(diào)理單元通過(guò)電極片采集人體含有噪聲的心電模擬信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大處理后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，由SPI通信方式傳輸給心電信號(hào)預(yù)處理單元；預(yù)處理單元接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)數(shù)字濾波器濾波后將波形顯示在顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)（心電值、心率、R-R間期）通過(guò)藍(lán)牙透?jìng)髂K打包發(fā)送給Android客戶端。

2.2 課程案例

本課程采用案例展示、教師分析、學(xué)生分組設(shè)計(jì)仿真和小組答辯的教學(xué)模式，要求各小組合作探討實(shí)現(xiàn)以下主要工作。

（1）采用ADS1292R與STM32F407主控設(shè)計(jì)制作一款心電監(jiān)測(cè)模塊。繪制原理圖且打印PCB，焊接元器件，上電后能夠正常使用，且運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）根據(jù)ADS1292R芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)完成驅(qū)動(dòng)程序的編寫，包括芯片的啟動(dòng)代碼編寫、讀取數(shù)據(jù)程序的編寫，SPI通信驅(qū)動(dòng)與芯片指令系統(tǒng)的移植。

（3）使用巴特沃斯低通數(shù)字濾波器，濾除心電信號(hào)中摻雜的人體高頻噪聲。

（4）設(shè)計(jì)一種差分動(dòng)態(tài)閾值QRS波群識(shí)別算法，能夠識(shí)別R波波峰，計(jì)算出R-R間期與心率值。

（5）使用Android Studio IDE設(shè)計(jì)Android App的接收并顯示數(shù)據(jù)與波形。

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

2.3.1 采集端心電采集測(cè)試

將監(jiān)測(cè)電極片聯(lián)接人體后，通過(guò)導(dǎo)線連接到采集端口。如圖4所示，心電監(jiān)測(cè)模塊使用正常。

調(diào)整心電信號(hào)發(fā)生器的心率值為60次/min。通過(guò)Watch窗口觀察R-R間期與心率值，Watch窗口如圖5所示。

2.3.2 濾波效果測(cè)試

人體心電信號(hào)是一種毫伏級(jí)別的微弱信號(hào)，頻率在0.05～100.00 Hz，很容易受到人體肌電與外界環(huán)境干擾，因此需要對(duì)采集的生理信號(hào)通過(guò)濾波處理。系統(tǒng)采用巴特沃斯低通濾波器濾除人體夾雜電信號(hào)。通過(guò)對(duì)信號(hào)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)使用濾波器可以從人體嘈雜的電信號(hào)中提取出平滑的心電信號(hào)。

2.4 案例實(shí)施

在近2年的教學(xué)安排中，課程團(tuán)隊(duì)先后在4個(gè)電子信息教學(xué)班中引入“單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)案例”。通過(guò)實(shí)驗(yàn)視頻和實(shí)物演示，教師幫助學(xué)生形成對(duì)嵌入式技術(shù)的整體認(rèn)識(shí)，隨后對(duì)案例進(jìn)行總體分析。在此基礎(chǔ)上，以2～4名學(xué)生為一個(gè)小組，展開(kāi)對(duì)案例的仿真分析和討論。每名學(xué)生獨(dú)立負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，包括心電采集電極、心電信號(hào)調(diào)理單元、微處理器信號(hào)處理單元、電源及藍(lán)牙透?jìng)髂K。學(xué)生通過(guò)自主設(shè)計(jì)和仿真這些系統(tǒng)模塊，更好地將所學(xué)的基本理論應(yīng)用于實(shí)踐。小組成員獨(dú)立完成單元模塊設(shè)計(jì)和仿真后，各小組探討了系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)傳輸效率和輸出功率等性能指標(biāo)的影響，并進(jìn)行聯(lián)合仿真。最終，各小組通過(guò)總結(jié)報(bào)告、實(shí)物展示和課堂答辯的形式展示設(shè)計(jì)成果，實(shí)現(xiàn)小組間的互相學(xué)習(xí)和共同提升。

課后，學(xué)生反饋表示，這個(gè)案例有助于建立系統(tǒng)的知識(shí)體系，能夠?qū)⒗碚撝R(shí)應(yīng)用到實(shí)際情境中。通過(guò)案例，學(xué)生更好地理解了嵌入式技術(shù)在案例模塊中相互作用的原理，培養(yǎng)了科學(xué)的工程實(shí)踐思維。教學(xué)實(shí)踐結(jié)果顯示，在課程配套的綜合實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生對(duì)案例系統(tǒng)的搭建過(guò)程更為順利，團(tuán)隊(duì)協(xié)作、問(wèn)題分析和解決能力得到提高，知識(shí)體系更加全面。

3 結(jié)語(yǔ)

單導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)案例與嵌入式技術(shù)的有機(jī)融合是基本理論與學(xué)科前沿的應(yīng)用。該案例鮮明凸顯了嵌入式技術(shù)的研究焦點(diǎn)，特別強(qiáng)調(diào)其在構(gòu)建ECG監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的單元電路和各功能模塊基本理論方面的緊密聯(lián)系。通過(guò)此案例的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠直觀領(lǐng)悟所學(xué)課程理論在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用，從而更深入地理解基本理論的實(shí)際運(yùn)用。案例獨(dú)特的應(yīng)用背景有助于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析和解決的能力。

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（編輯 李春燕編輯）

Case design of embedded technology course based on single-lead ECG monitoring system

Zhu? Zhi

（School of Internet of Things Engineering， Wuxi Taihu University， Wuxi 214063， China）

Abstract：? In response to the challenges of theoretical abstraction and insufficient depth of device technology in embedded technology courses， this paper presents a case design of a single-lead ECG monitoring system aimed at enhancing students learning experience in the field of embedded systems. The classroom instruction adopts a format of case presentation， teacher analysis， student group simulation design， and group defense to increase student engagement. The research results indicate that using the application of embedded technology in a single-lead electrocardiogram monitoring system as a background effectively stimulates students interest in learning， deepens their understanding of system concepts， improves their overall competence in electrocardiogram signal analysis and design， and achieves an organic integration of theory and practice.

Key words： ECG monitoring system; embedded technology; teaching case