基于st的便攜式心電圖儀設計(王杰)v

1、南 陽 理 工 學 院 本科生畢業(yè)設計（論文） 學院（系）：電子與電氣工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化學 生： 指導教師： 完成日期 2012 年 5 月 南陽理工學院本科生畢業(yè)設計（論文）基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計 Design of Portable ECG Device Based on STM32 總計： 畢業(yè)設計（論文）25 頁表 格： 1 個插 圖 ： 19 幅南南 陽陽 理理 工工 學學 院院 本本 科科 畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計（論文）計（論文）基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計Design of Portable ECG Device Based on STM3

2、2學 院（系）： 電子與電氣工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 學 號： 指 導 教 師（職稱）： 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學院 Nanyang Institute of Technology 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計基于基于 STM32STM32 的便攜式心電圖儀設計的便攜式心電圖儀設計 電氣工程及其自動化 摘 要 本系統(tǒng)完成了基于 STM32 微處理器的心電采集及分析處理系統(tǒng)的方案設計、硬件和軟件設計與實現，心電信號采集電路是其關鍵部分，主要完成信號的正確提取。本系統(tǒng)屬于典型的生物醫(yī)學信號采集處理系統(tǒng)，處理的對象是強噪聲背景下的微弱心

3、電信號，噪聲和干擾的存在對前端采集電路提出了更高的要求。根據心電信號的特點，選用精密儀表放大器為主要元件設計了前置放大電路。為更好的降低干擾的影響，設計了右腿驅動電路、高通、低通濾波電路以及陷波電路，成功提取了心電信息。心電處理電路通過 A/D 轉換把模擬信號轉換成數字信號送至微處理器做進一步處理，該部分電路主要包括 STM32 處理器電路、LCD 接口電路等，選用 ST 公司的低成本、低功耗的 Cortex-M3 核處理器 STM32F103ZE 作為控制核心。 關鍵詞關鍵詞 心電采集；濾波電路；共模干擾；STM32Design of Portable ECG Device Based on

4、 STM32Electrical Engineering and Automation Specialty Abstract: The system proposed a plan of ECG acquisition,analysis and processing system which based on STM32,and completed its hardware and software design.The core of the system is ECG acquisition circuit,which is to complete the signal extractio

5、n. The system is a typical biomedical signal collecting- processing one, which processes weak signals in strong noise background.Because of the impact of noise and interference, the front-end acquisition circuit needs to have higher performance.According to the characteristics of ECG,the precision i

6、nstrumentation amplifiers are chosen to design the preamplifier circuit. In order to reduce the interference effects, right leg drive circuits, high-pass filter and low-pass filter is designed to extract the ECG signal.Through the A/D converter of ECG processing circuit, analog signals are converted

7、 into digital signals,which are sent to the microprocessor for further processing. ECG processing circuit, core of which is a microcontroller of low cost and low power Cortex-M3 by ST, mainly include power management circuits, STM32 processor circuits,LCD interface circuits and so on.Key words: Ecg

8、acquisition；filter circuit；serial communication； STM32基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計I目 錄1 引言.11.1 心電圖儀在醫(yī)學領域中的應用 .11.2 便攜式心電圖儀的發(fā)展狀況 .22 系統(tǒng)總體設計.32.1 主要功能.32.2 系統(tǒng)設計方案.43 便攜式心電圖儀的硬件設計.53.1 最小核心系統(tǒng)的設計.53.1.1 處理器的選擇.53.1.2 最小核心系統(tǒng)電路的設計.63.2 人機交互界面的設計.93.2.1 顯示界面設計.93.2.2 按鍵設計.103.3 前置放大電路以及右腿驅動電路.113.4 濾波電路以及陷波電路的設計.1

9、23.5 電源電路的設計.134 便攜式心電圖儀的軟件設計.144.1 軟件開發(fā)平臺.144.2 軟件系統(tǒng)整體設計.164.2.1 軟件總體分析.164.2.2 STM32 軟件系統(tǒng)設計流程.164.2.3 軟件總體流程圖.174.3 信號采集程序設計.184.4 數字濾波程序設計.184.5 液晶程序設計.195 系統(tǒng)調試結果及誤差分析.205.1 調試手段.205.2 測量調試以及分析.215.2.1 采集電路的測試.215.2.2 濾波算法測試.22基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計II5.2.3 整體測試和結果分析.22結束語.24參考文獻.25附錄.26致謝.28基于 STM32

10、 的便攜式心電圖儀設計01 引言隨著社會的進步、經濟的發(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，人們的身體健康產生了巨大的威脅。相關數據表明，我國因心腦血管疾病死亡的人數將近占總死亡人數的一半1。根據相關部門的調查顯示，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。每年約有 16 萬名患者接受支架植入手術，手術施行每年的增長率超過了五分之一。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。預防率是有效防治心腦血管疾病的關鍵因素，而且有效的方便的心電監(jiān)測儀器是

11、完成這一任務的有力工具。1.1 心電圖儀在醫(yī)學領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)。在心臟肌肉每次收縮之前，都會產生一股微小的生物電流，加上人體的體液能夠導電，這些微小電流可以通過體液的傳遞就會反映到人體的表面皮膚上。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。通過捕捉這個現象，將心電圖顯示出來的心電檢測儀器，根據這些人體生物電信號，我們可以從不同角度觀察心臟的活動情況。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。 心電圖能夠在一定程度上反映心律的運行狀況，人的心肌受損的程度、發(fā)展過程以及心房、心室的功能結構情況都能

12、通過它表現出來。這些都可以在心臟手術和藥物的使用上提供重要的參考3。常規(guī)心電監(jiān)護設備體積笨重、價格昂貴和不便于攜帶，但是隨著社會生活水平的提高，醫(yī)療器械家庭化開始逐漸進入我們的日常生活，家庭化的心電圖儀器功能沒有專業(yè)的大型的醫(yī)療設備齊全，但是它具有具有體積小、操作簡單的優(yōu)點，同時可以在一定程度上滿足了人們的基本應用。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，并根據進一步的處理，做基本的診斷，也可以把這些數據提交到專業(yè)機構做進一步的詳盡的診斷。這樣也可以避免那些行動不便的病人，利用互聯網技術，把數據通過遠程傳送的方式，提交到專業(yè)機構或指定的醫(yī)院驚醒專業(yè)診斷和分析。為了能夠在更多

13、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，所以在有限時間內有些非正常的情況被發(fā)現的概率也是很低的。而便攜基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計1式監(jiān)護裝置可以在隨時隨地的進行實時監(jiān)護，并把數據存儲起來。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)護產品具有重要意義。本文主要研究的便攜式心電圖儀，即將普通心電圖設備小型化、家庭化，具有低價位、體積小、便于攜帶和使用方便等特點。1.2 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

14、動的電流圖4。 1895 年他開始了對心臟動作電流的進一步研究，并通過對德阿森瓦爾氏的鏡影電流計的設計改進，提高了心電圖的質量。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學計算等缺點。同時，他又制定心電圖的影線在縱坐標上波動 1cm，代表 1mV 的電位差，在橫坐標上移動 1cm 為 0.4 秒的標準。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。1912 年在他深入研究了正常心電圖的波動范圍后，提出了著名的“愛因托芬三角”理論。1924 年 Einthoven 教授

15、獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎5。總之這位被尊稱為“心電圖之父”的生理學家對心電圖的創(chuàng)立及發(fā)展有著巨大的的貢獻。心電圖從此開始逐步走進協助診斷疾病，并通過發(fā)展被廣泛應用于臨床。隨著社會的發(fā)展，心電圖檢測理論越來越成熟與完善，另外機械、電子、計算機等技術的迅猛發(fā)展，帶動了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強了心電圖機的功能。 隨著現代科學技術的發(fā)展，特別是計算機、微電子、機械電子在醫(yī)療領域的廣泛應用，極大的促進了心電設備的發(fā)展。目前各大醫(yī)療器械廠商都投入巨資開發(fā)性能更強、功能更加完善的心電設備，比如歐姆龍、北京超思、亞新、均在該領域的研究與生產上有所突破。綜觀當前心電檢測儀器發(fā)展趨勢，主要向以下幾個

16、方向發(fā)展： （1）系統(tǒng)化隨著醫(yī)院計算機管理網絡化、信息存儲介質和 IC 卡等的應用及 Internet 的全球化而產生的。電子病歷是信息技術和網絡技術在醫(yī)療領域的必然產物，我國衛(wèi)生部先后在 2010，2011 發(fā)布了關于電子病歷系統(tǒng)的規(guī)范和通知文件。而實時心電數據將在該系統(tǒng)中有著重要的作用。（2）數字化 隨著計算機科學、機械電子的迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械的數字化程度越來越高，比如數字濾波器的使用，極大的降低了心電干擾，提高了心電判斷的準確率。 （3）無線化 無線傳感技術的發(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2序。同時，能減輕病人的心里緊張程度

17、，實現心電檢測的方便性。 （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。 （5）遠程化計算機技術、網絡通信技術的快速發(fā)展，為遠程醫(yī)療的實現提供了可能，將心電數據通過遠程傳輸，在遠端對心電數據加以分析處理并提出診斷結果，從而實現遠程醫(yī)療。如目前出現的基于 GPRS 網絡的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現。總之，科技不斷進步，人們的需求也在變化，心電圖是記錄心臟電活動狀態(tài)的記錄，包括心臟節(jié)律和頻率以及電壓的高低等信息，可用于診斷各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。同時對心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據。設計符合市場

18、需求的產品是企業(yè)生存的根本，利用高科技帶來的技術革命去更新醫(yī)療器械更是一個巨大的市場機會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護設備必將越來越普及6。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。另外受到 50Hz 及其倍頻干擾和極化電壓的影響，對前置放大器和信號濾波電路的設計提出了更高的要求。因此在設計前端硬件電路時，要根據信號的特征，選擇最佳的器件。同時便攜式設備必須是低功耗設備這限制了多數的微處理器，鋰電池供電對信號僅僅用硬件濾波還不能達到分析信號的要求，硬件濾波的一個缺點是，要想獲得更好的濾波效果，必須設計更高的階數，而這無疑會增加系統(tǒng)的體積。因此還有必要采用軟

19、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。采取軟件濾波即設計數字濾波器，數字濾波器有多種，這樣就必須尋找一種行之有效的濾波算法。2.1 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容是通過將嵌入式技術、數字信號處理技術和信號采集技術的結合，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)。主要研究工作如下： (1) 心電圖儀的硬件設計： 采集電路：準確提取生理信號，把信號處理為可供采集分析的有效信號； 處理電路：完成信號的采集、濾波、顯示、分析和傳輸等。 (2) 心電圖儀的軟件設計： 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計3STM32 芯片各模塊初始化程

20、序； 數字濾波處理程序； 人機交互界面的程序設計； 2.2 系統(tǒng)設計方案系統(tǒng)原理結構圖如圖 1 所示。心電信號由電極獲取，送人心電采集電路，經前置放大、主放大、高低通濾波，得到符合要求的心電信號，并送入到 STM32 的 ADC 進行 AD 轉換。為了更好地抑制干擾信號，在電路中還引入了右腿驅動電路。系統(tǒng)控制芯片采用 STM32，TFT-LCD 的觸摸功能加上少量按鍵可以建立良好的人機交互環(huán)境，可以通過 LCD 實時顯示和回放，數據通過 USB 可靠地傳輸到 PC 機，以便對心電數據做進一步的分析。系統(tǒng)主要硬件結構及電路系統(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取；帶通濾波及主

21、放大電路，用于調理采集到的信號，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。信號采集電路信號調理電路處理器按鍵調節(jié)電路顯示電路模塊PC通信圖 1 系統(tǒng)原理結構圖整個系統(tǒng)有以下幾個部分組成： （1）采集電路：主要有前置放大電路、帶通濾波電路和主放大電路組成，心電信號由電極獲取后送入心電采集電路，經處理后得到符合要求的心電信息。 （2）處理電路：主要完成對心電數據的濾波、陷波、放大、分析、顯示和傳輸控制。 （3）按鍵電路：完成良好的人機交互。 （4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關信息。 （5）上位機設計：在 PC 機上處理和顯示心電波形。 （6）電源電路：設計穩(wěn)定

22、可靠的電源電路，為整個系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗?；?STM32 的便攜式心電圖儀設計43 便攜式心電圖儀的硬件設計便攜式心電圖儀要求具有可移動性和再開發(fā)性，不僅便于攜帶、功能盡可能的完善能夠實時對心電信號進行處理，而且要求隨著發(fā)展可以進一步升級滿足人們更多的需求。本心電圖儀集信號的采集、處理、傳輸三大功能于一體。對于這些功能，即需要相對獨立的模塊化設計，又需要良好的協調。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。總體電路要遵循： (1) 選擇合適的處理器，盡量選擇片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）設計硬件系統(tǒng)，減少硬件復雜度并降

23、低成本。 (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)。 (3) 注重軟硬件結合，軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構，降低能耗和設備成本。 (4) 必須考慮芯片的驅動能力，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。3.1 最小核心系統(tǒng)的設計以應用為中心、軟件硬件可裁剪的、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格綜合性要求的專用計算機系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分有機的結合在一起，作為一種典型的嵌入式應用9。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

24、功能完善，能夠實時對心電信號進行處理。集信號采集處理傳輸三大功能于一體。對于這些功能，即需要相對獨立的模塊化設計，又需要良好的協調。 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。 3.1.1 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。經過綜合考慮本設計對處理器的選擇主要從以下五個方面來考慮： (1) 處理器的處理速度：在本設計中，處理器不僅要進行濾波處理，同時還要實時顯示出心電波形，在通信的情況下還要與 PC 機進行通信，因此，處理器要有較高的

25、處理速度。(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、數據存儲以及通信。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計5(3) 盡可能簡化外圍電路的復雜程度：一個系統(tǒng)中所使用的元器件越多、電路結構越復雜，則系統(tǒng)的出問題的概率越大，可靠性與穩(wěn)定性越差。因此在選擇 MCU 的時候，希望 MCU 內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。 (4) 盡可能減少生產成本：在本系統(tǒng)中，由于多數屬于家庭使用及野外環(huán)境的不確定性因素較多，對于普及性的大眾化產品，希望替換成本越低越好，其中處理器的成本占了整個系統(tǒng)的重要的一部分

26、，能夠降低處理器的成本也就從而降低了產品的總成本。 (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比較受關注的一點，如何能有長時間的續(xù)航能力也是我們需要注意的一點。綜合以上幾個方面，最終選用了意法半導體公司推出的新型 32 位 ARM 內核處理器芯片 STM32 系列中的 STM32F103ZET6。3.1.2 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 Cortex-M3 32 位的 RISC 內核，工作頻率為最高可達 72MHz，內置高速存儲器(高達 128K 字節(jié)的 FLASH 和 20

27、K 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。所有型號的器件都包含 2 個 12 位的 ADC、3 個通用 16 位定時器和一個 PWM 定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達 2 個 I2C 和 SPI、3 個 USART、一個 USB 和一個 CAN。工作電壓為 3.3V。圖 2 是 STM32F103x 的模塊框圖9。 STM32 微控制器有如下優(yōu)點： (1) STM32 內部有高達 128K 字節(jié)的內置閃存存儲器，用于存放程序和數據。多達 20K 字節(jié)的內置 SRAM，CPU 能以 0 等待周期訪問(讀/寫)。這樣在我們所設計的系統(tǒng)中就去掉了以往很

28、多嵌入式項目設計中所需要的用于外部程序存儲器的 Flash 芯片和用于外部數據存儲器的 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。 (2) STM32 增強型系列擁有內置的 ARM 核心，因此它與所有的 ARM 工具和軟件兼容。 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使用過其他 ARM 核心的微控制器，所積累的經驗在本項目的開發(fā)中得到了充分發(fā)揮。而且由于可用于 ARM 開發(fā)的工具軟件很多，大大加快了項目開發(fā)的速度和效率。 (3) STM32 的內部 FLASH 是在線可編程的。在我們的項目中，設備運行的配置參數 會存儲在 FLASH 中的固定位置，每

29、次啟動設備時，程序會讀取這些參數來進行初始化。但在某些情況下，需要遠程設置或修改配置參數。這一功能使得可以在不基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計6用接 JTAG 燒寫器的情況下根據 USART 接口接收到的數據來修改 FLASH 中的配置參數，在設備再次啟動時，就會讀取新參數來進行初始化。(4) STM32 有優(yōu)秀的功耗控制。高性能并非意味著高功耗。STM32 經過特殊處理，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。 (5) STM32 擁有強大的庫函數。它采取與以往不同設計方法，通

30、過把各個外設封裝成標準庫函數 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品的開發(fā)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計7圖 2 STM32F103x 的模塊框圖STM32 固件庫。STM32 固件庫提供易用的函數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。 USB 開發(fā)工具集。在更廣的應用領域中，USB 功能的實現將變得越來越方便，因為 USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經過驗證的固件包，使得用戶可以順利地開發(fā)各個類的 USB 固件。 (6) STM32F103xx 增強型支持三種低功耗模式，可以在要求低功耗、短啟動時間和多 種喚

31、醒事件之間達到最佳的平衡。 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、生產成本等都比同類系統(tǒng)有了較大的提升。本設計中最小核心系統(tǒng)設計圖如圖 3 所示?；?STM32 的便攜式心電圖儀設計8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 1.0 F 的電容，時間延時大約為 3.6ms，符合 STM32 系統(tǒng)芯片的復位要求。 (2) 晶振電路：這里選用兩個晶振，首先 8M 無源晶振，晶振兩

32、端分別通過 22pF的電容接地，另一個 32.768K 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。(3) 芯片上的 BOOT0 和 BOOT1 引腳分別通過跳線帽可選高低電平，以改變芯片啟動模式，其啟動模式具體如下表 1 所示。表1 啟動模式說明 (4) 模塊有 4 個數字電源供電引腳，1 個模擬電源供電引腳以及相應的接地引腳。在電源 端要注意接濾波電容，模擬地和數字地引腳之間最好通過 0O 電阻隔離。電源和地之間加若干去藕電容。3.2 人機交互界面的設計人機交互界面是人與機器進行溝通交流的設備，它可以把人的指令傳入給 MCU，也可以讓設備顯示出我們所想知道的信息

33、。3.2.1 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。對于人機交互部分，顯然采用單色液晶顯然已經不能滿足的需要，因此把 LCD 的選擇定位在了彩色液晶上。主要從以下幾個參數做出選擇： (1) 顏色要豐富。從美觀角度來講，在液晶上不同類型的數據最好能夠以不同的顏色來區(qū)分。比如波形、漢字、數字最好顏色不同。所以在液晶的顏色上要達到一定的數量。 (2) 尺寸。便攜式式是本系統(tǒng)設計時的一個指標，因此液晶的尺寸不易過大，但也要便于觀察，選擇時要符合實際情況，過大則不便于隨身攜帶，過小則可能出現漢字或數字不便于觀察等問題。 基

34、于 STM32 的便攜式心電圖儀設計9(3) 功耗。對于便攜式嵌入式設備來說，低功耗是一般都作為一項重要的指標，在外邊使用時能夠盡可能地延長電池的工作時間 (4) 材質。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。 (5) 價格。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品。 因此，根據上述幾點本設計選用了 3.2 寸真彩TFT 液晶觸摸屏，320*240 像素，26 萬色，16 位并行接口，可以直接用AVR、ARM7、STM32 等 MCU 驅動。相關參數： 分辨率：QVGA 240 x 320 尺

35、寸：3.2 英寸 控制器：IL9320 觸摸屏：4 線電阻式 接腳：30PIN 間距 2.54mm 背光：4 LED 并聯具體接口電路設計如圖 4 所示圖4 LCD顯示界面借口3.2.2 按鍵設計對于實現人機交互的場合，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。本系統(tǒng)用了 5 個按鍵，分別定義為上、下、左、右、中鍵，前四個按鍵是對設置或訪問的液晶顯示對象進行選擇，中鍵是確定鍵，這樣就實現了既可以用觸摸功能，也可以用按鍵來實現對系統(tǒng)的設置，按鍵電路的實現比較簡單，這里不再詳述。具體電路實現如圖 5 所示?；?STM32 的便攜式心電圖儀設計10圖5 按鍵接口電路3.3

36、前置放大電路以及右腿驅動電路前置放大電路要完成的功能是實現信號的差分放大，該部分電路在整個采集電路中至關重要，因為后續(xù)信號的處理都是以此為基礎的。因此要選擇一款合適的差分運放芯片。選擇時一般考慮以下幾點：(1) 增益 由于心電信號非常微弱，均值在 1mV 左右，而采集電壓一般要達到 1V 左右，所以心電放大倍數在 1000 倍左右。一般為了抑制零點漂移，提高共模抑制比，應該分多級實現放大。(2) 頻率響應 所謂頻率響應是指放大器對不同信號頻率的反應，心電信號的范圍低于 100Hz，所以要求放大器要對此頻率范圍的信號盡可能不失真的放大出來?？梢栽O計高通、低通濾波器來壓縮頻帶，濾除該頻帶以外的干擾

37、信號。必要時還需要設計 50Hz 工頻干擾抑制電路，通過這樣處理后，得到的信號才可能有診斷價值。 (3) 共模抑制比 電極不對稱、電氣設備運行時的干擾都易產生極化電壓，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。因此要求放大器有很高的共模抑制比。一般要求要達到 80db 以上。 (4) 輸入阻抗 心電信號是微弱的，且具有高阻抗的特性，只有高輸入阻抗才有可能不失真的引出心電信號，不然由于分壓的因素，會極大的衰減心電信號，從而導致無法正確采集。 (5) 低噪聲、低漂移 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計11在心電放大器中，還有兩個較重要的參數即噪聲和漂移。在設計心電放

38、大器時應盡量選用低噪聲元件，提高輸入阻抗。另外，溫漂會引入直流電壓增益從而給心電信號帶來干擾。因此，選用的放大器要特別注意這兩個參數。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。圖 6 前置信號采集電路由于人類受到大量的外部干擾，心電電極和電力線之問由于存在電容耦合會產生位移電流Id，降低位移電流干擾的一種有效辦法是采用右腿驅動法，圖7為右腿驅動的具體連接電路。右腿不直接接地而是接到輔助運算放大器的輸出。從兩個電阻結點檢出共模電壓，它經過輔助的反相放大器放大后通過電阻反饋到右腿。采用右腿驅動電路，對50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號的頻率成分為代價。但由于右腿

39、驅動存在交流干擾電壓的反饋電路，而交流電流經人體，成為不安全因素，限流電阻通常在1M以上。圖7 右腿驅動電路3.4 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 0.05Hzl00Hz 的心電信號通過，該范圍以外的信號將大幅度衰減掉。濾波器有無源濾波器和有源濾波器兩種。無源低通濾波器是由無源器件（電阻，電容，電感）組成。其帶負載后，通帶放大倍數的數值基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計12減小，通帶截止頻率升高，這個缺點不符合信號處理的要求12。因此本設計選用有源低通濾波器。 由 RC 元件與運算放大器組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器，其功能是讓一定的頻率范圍內的信號通

40、過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實現的。只能用實際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的特性。常用的方法是巴特沃斯（Butterworth）逼近和切比雪夫（Chebysher）13逼近。保證信號的原形，采用較平坦的巴特沃斯有源濾波。高通濾波器的設計與低通濾波器相似，這里不再敘述。 帶通濾波器用高低通濾波器來構成，如圖 8 所示。高通濾波器由U3、C2、Rdip11 組成，其截至頻率為 f=0.03Hz，低通濾波器由 U4、Cdip2、Rsop4 組成，截至頻率為 f=110Hz。 圖 8 帶通濾波電路基于小型化和成本考慮，硬件濾波只用一階高通濾波器和一階低通濾波器

41、，雖然設計了右腿驅動電路，但是仍然有 50Hz 干擾進入電路，所以本設計增加了 50Hz 陷波電路，如圖 9 所示通過該方法來濾除工頻干擾，實驗結果表明，通過高低通濾波后再加上陷波電路的信號波形清晰、特征明顯。圖 9 50Hz 陷波電路3.5 電源電路的設計電源電路是整個系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，隨著便攜式產品的普及，如何降低功耗成為工程師面臨的急需解決的問題。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。因此電源管理越發(fā)顯得重要。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計13電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源電路設計主要考慮用哪種類型的電源器件，輸入輸出電壓

42、，輸出電流以及控制狀態(tài)15。 心電采集電路需要土 5V 電源，STM32 工作電壓為 3.3V，本設計用 7.2V 電池供電，中正負 5V 電壓可以采用 7805 和 7905 來產生，它通過外圍的電感電容的組合提供升滿足運放使用的正電壓和負電壓，圖 10 是其典型應用。圖 10 正負 5V 電源電路3.3V 的電壓采用 AMS1117 產生，其最大的特點是簡單易用，而且性價比高，輸入電壓 5V12V，直接輸出 3.3V。電路如圖 11 所示。圖11 AMS1117穩(wěn)壓電路4 便攜式心電圖儀的軟件設計該系統(tǒng)的軟件設計沿用經典的是模塊化的編程思想，首先根據要求設計好系統(tǒng)的總軟件流程，然后再分別實

43、現系統(tǒng)各模塊的功能。在完成硬件電路設計和電路制作后，再進行整體的統(tǒng)一調試。本章主要討論系統(tǒng)軟件在 STM32 上的編程與實現。4.1 軟件開發(fā)平臺Keil 是德國 Keil 公司（現已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計14目前 ARM 內核單片機開發(fā)的主流工具。Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些功能組合在一起。uVision 當前最高版本是 uVision3,它的界面和常用的微軟 VC+的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，

44、軟件仿真方面也有很強大的功能。uVision3 IDE 是一款集編輯，編譯和項目管理于一身的基于窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。uVision3 集成了 C 語言編譯器，宏編譯，鏈接/定位，以及 HEX 文件產生器。如圖 12所示，是它的一個典型的調試窗口，它主要包括以下幾個窗口：圖12 Keil MDK開發(fā)環(huán)境工程區(qū)：用于訪問文件組和文件，調試是可以查看 CPU 寄存器。輸出窗口：顯示編譯結果，以便快速查找錯誤的地方，同時還是調試命令輸入輸出窗口，也可以用于顯示查找結果。內存窗口：顯示指定地址內村里的內容。查看和調用堆棧窗口：用于查看和修改變量的值，并且現實當前函數調用。代碼窗口：用于查看和編輯源文件。

45、外設對話框：檢查微控制的片上外設的狀態(tài)。使用 Keil 來開發(fā)嵌入式軟件，開發(fā)周期和其他的平臺軟件開發(fā)周期是差不多的，大致有以下幾個步驟：1. 創(chuàng)建一個工程，選擇一塊目標芯片，并且做一些必要的工程配置。2. 編寫 C 或者匯編源文件。基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計153. 編譯應用程序。4. 修改源程序中的錯誤。5. 聯機調試。4.2 軟件系統(tǒng)整體設計采用模塊化的編程思想，把整個軟件系統(tǒng)化為為多個功能模塊，主程序通過調用各個子程序來完成復雜功能的實現。下面具體介紹各個模塊的實現。4.2.1 軟件總體分析從整體上看，該系統(tǒng)軟件分為兩個大的部分： (1) 下位機軟件即 STM32 應用程序

46、。主要完成心電信號的采集、信號濾波、RTC 模塊、液晶顯示和串口通信等。利用模塊化編程思想分別來實現各個模塊的功能，盡量減少程序之間的耦合性，提高程序之間的內聚性。主程序是個無限循環(huán)，通過調用各個子程序來完成系統(tǒng)的功能。該部分總體開發(fā)思路是，首先完成 STM32 片上資源的初始化，其次是完成各個子程序的編寫，最后主程序通過調用主程序完成所要實現的功能。 (2) 上位機管理軟件。上位機是運用 LabVIEW 編寫的，其功能是完成數據的接收和處理，其中主要包括對數據的接收、顯示和存儲。處理是指利用 PC 機強大的數據處理功能對上傳來的數據進行處理并分析的結果。顯示功能完成數據到波形的轉換，能夠動態(tài)

47、顯示出心電波形。存儲功能完成數據的保存。4.2.2 STM32 軟件系統(tǒng)設計流程軟件搭載在硬件上運行的，硬件的資源多少在一定程度上決定了軟件的設計方法和復雜程度。由于早期的單片機由于硬件資源少，RAM 資源有限，所以工程師在編程的時候對 RAM 的應用要十分小心，因此造成這類的設計開發(fā)工程師更加偏向于直接用匯編語言來控制硬件的工作。隨著科學的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的復雜度的提高和 EDA 技術的發(fā)展，各種高級的 EDA 工具不斷推出，比如 Keil、IAR、ADS 等工具，這些工具不僅極大的方便了工程師的開發(fā)，同時也為用 C 語言這種高級語言來編寫程序提供了有利的條件。但是這種開發(fā)方式隨著系統(tǒng)的復雜

48、度的增高也變的愈加吃力了，因為對開發(fā)人員要熟悉芯片的內部資源，能夠進行寄存器配置，這樣就對工程師的要求比較高。但是這些問題可以通過移植操作系統(tǒng)來解決，操作系統(tǒng)的優(yōu)勢就是屏蔽了具體的硬件細節(jié)，可以讓開發(fā)人員把更多的精力放在應用程序上。 本系統(tǒng)設計時考慮移植操作系統(tǒng)，但是對于具體的應用存在一些不足之處：首先，操作系統(tǒng)在對數據區(qū)的開銷以及一些變量的存儲方面浪費了很多的 RAM 資源，有限的基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計16RAM 資源就無法有效的分配。其次，STM32 方便的庫文件開發(fā)方式本身就屏蔽了硬件的細節(jié)，處于以上考慮在本次開發(fā)中沒用移植操作系統(tǒng)，而采用庫文件的方式來開發(fā)設計。STM3

49、2 固件庫是一個固件包，它不僅包括了程序、數據結構和覆蓋所有外設特性的宏單元。還包括設備驅動的描述以及各個外圍模塊的實例，該固件庫可以使得用戶在沒有深入學習外圍模塊規(guī)格手冊的情況下，也能夠使用任何在用戶應用中涉及到的設備。因此，使用該固件庫可以節(jié)省設計者的許多時間，可使開發(fā)人員把更多的精力花費在編程方面，加快了開發(fā)周期，減少了在應用開發(fā)中的綜合開銷。這是 STM32 軟件開發(fā)十分顯著的優(yōu)點。實際應用開發(fā)時，我們用外設的時候一般有三個步驟，這里以 ADC1 外設為例簡單介紹一下開發(fā)流程： 1、打開配置文件 stm32f10 x_conf.h，打開 ADC1 的宏開關 #define _ADC #

50、define _ADC1 /這里選擇了打開#define _ADC1 2、加載 stm32f10 x_adc.c 文件 stm32f10 x_adc.c 是 ADC 對應的庫文件，對 ADC 的一系列操作都在封裝好了放在這類文件里。 3、參數設置。包括配置采用周期、觸發(fā)方式、工作模式、數據存儲格式等，開發(fā)人員只需根據所需要求在對應的參數位置設置即可。一個簡單的實例如下： /* ADC1 configuration -*/ ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; /獨立模式 ADC_InitStructure.ADC_ScanConv

51、Mode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;/右對齊格式 ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); ADC_RegularChannelConfi

52、g(ADC1,ADC_Channel_14,1,ADC_SampleTime_13Cycles5); 其他模塊的應用也類似于此，這樣就屏蔽了寄存器配置細節(jié)，加快了開發(fā)速度。4.2.3 軟件總體流程圖軟件設計流程分為兩個大的方面，分別對應兩個個界面： 第一個界面心電圖顯示界面，按鍵有上、下、左、右、中五個按鍵，按鍵功能分配如下：上、下按鍵控制波形縱向移動和幅值的變化，左右鍵是調節(jié)波形在時間上的基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計17周期變化，中間按鍵是切換鍵，切換上下鍵控制幅值變化還是縱向移動。另一個界面是幫助界面，具體介紹各個按鍵的作用，具體流程圖如圖 13 所示。開始系統(tǒng)初始化A/D數據采

53、集LCD顯示是否有按鍵按下按鍵功能程序NYUSART發(fā)送圖13 系統(tǒng)總體流程圖4.3 信號采集程序設計心電信號的精確采集對于后面的進一步處理至關重要。STM32 的片內 ADC 是 12位的模數轉換器，可以在 16 路模擬輸入中任選一路進行采樣，其最高采樣率為1MHz，心電信號的頻率較低，片內 ADC 足以滿足系統(tǒng)采樣定理的要求，這樣可以提高采樣的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)成本。程序流程框圖如 14 所示。 圖14 數據采集流程圖轉換后的數據存放在 ADC_RegularConvertedValue 變量里，轉換狀態(tài)用全局變量dmaflag 來標記，dmaflag0 代表轉換未結束，dmaflag1 代

54、表轉換結束。4.4 數字濾波程序設計數字濾波算法的實現是軟件部分關鍵的問題，它的運算時間和精度直接決定了系基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計18統(tǒng)的實時性和數據的準確性。本系統(tǒng)用 C 語言編寫了相對應的濾波算法程序來實現對所采集的心電信號進行數字濾波。 濾波算法實際上就是用 C 語言來實現差分方程，為敘述方面，把方程列出如下： yBP(n)= yBP(n-4)+ x(n)- x(n-20) (1) yAP(n)= x (n-98) (2)yBS(n)= yAP(n)-yBP(n) (3)可見關鍵是實現差分方程(1)，有式(2)和(3)看出，當前輸出與以前數據狀態(tài)有關，因此需要開辟緩沖區(qū)來存

55、放以前的數據，這里開辟三個緩沖區(qū) Buff_bp4、Buff_ap98和 Buff_x20分別存放 yBP(n-4)、yAP(n-98)、x(n-20)的數據。對于式(1)，Buff_bp4數組里面存放的是前 4 次 yBP(n)的值，Buff_x20存放的是當前采集數據的前 20 次的x(n-20)數據，前 20 點的數據 yBP(n)都為 0,假設采集到第 20 點時，此時 n=20，把該點賦值給變量14。Cur_val，數組 Buff_bp4全為 0，數組 Buff_x20里面存放了前 20 個點的數據，那么該點濾波后的數值這里讓濾波后的數值存放到變量 Fil_val，則Fil_val=

56、Buff_bp0+Cur_valBuff_x0；然后讓數組 Buff_bp4右移，把數據Buff_bp0移除，把 Fil_val 的值存入到數據 Buff_bp4中，同理讓數組 Buff_x20右移，移除數據 Buff_x0，在把 Cur_val 存入到 Buff_bp20中，這樣就完成了一個點的濾波。軟件流程如圖 15 所示。圖15 濾波流程圖4.5 液晶程序設計 在本系統(tǒng)中采用彩色 TFT 液晶，波形顯示清晰，界面良好。液晶控制的關鍵在于編寫底層驅動程序，底層驅動寫好以后再封裝不同功能的函數，以后調用就很方便了。STM32 的 FSMC 模塊是能夠與同步或異步的存儲器和 16 位的 PC

57、存儲器卡的接基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計19口，它的主要作用是： 將 AHB 傳輸信號轉換到適當的外部設備協議 滿足訪問外部設備的時序要求通過這樣的方法就可以把液晶當作外部存儲設備來使用，通過配置讀寫及控制信號的時序，用指定指針就可以實現對液晶的讀寫訪問。這樣處理不但簡化了對液晶的操作，只需指定讀寫數據的指針就可完成操作，而且提高了訪問速度，避免了用端口模擬時序訪問液晶產生的滯后現象。并且 STM32 自帶 FSMC 方式控制 TFT-LCD 的實例，只需做一些相應的修改就可應用到本系統(tǒng)中。顯示的心電波形有兩個基本要求：一是波形清晰，無斷點，二是波形無明顯失真。在顯示波形時需要解決三

58、個問題：一是把采集到的電壓值轉換成液晶上的高度；二是兩點之間要連續(xù)；三是刷新方式，刷新的一種方法是在波形顯示到屏幕的最右邊時整個波形區(qū)域刷新為空，然后重新從最左邊顯示，另一種方法是邊顯示邊刷新，即在顯示的后邊的一小塊區(qū)域刷新為空，也就是邊顯示邊刪除。相比較而言顯然第二種方法比較好，因為整個區(qū)域刷新是很費時間的問題，有可能影響畫圖的速度，而第二種方法就有效的克服了這個問題，另外從實際效果來看，視覺效果也比較好。針對第一個問題，實際上就是把電壓值轉換成點的坐標，本設計中用液晶 X 軸中間的部分來顯示波形，X 軸坐標值范圍為 60180，而心電信號的電壓值范圍為 02V，則第一個問題轉化為把電壓范圍

59、 02 映射到坐標 60180的范圍內。為了提高精度可以把電壓范圍在程序內部處理時擴大 100 倍，則轉換精度為 P=200/120=5/3，設轉換后的坐標為 xzb，另外液晶的坐標原點在右上角，則把電壓Cur_val 的范圍 0200 轉換到坐標 60180 之間可以用以下公式：xzb=180Cur_val*3/5。對于第二個問題解決的辦法是在兩點之間用直線連接起來，這樣就需要把當前點的上一個點的坐標記住，用兩個變量保存設為 prxzb、pryzb。5 系統(tǒng)調試結果及誤差分析經過軟硬件的設計和制作，完成了基本的構架，但是還需經一部的調試和分析才能進一步的完善該系統(tǒng)5.1 調試手段為檢驗各模塊

60、是否按要求進行正常工作，借助萬用表、函數信號發(fā)生器以及示波器來進行檢測，通過測試結果完成對各個模塊完成功能的評估，對整體練調是一種很好的促進手段。當硬件電路正常工作后，我們使用串口調試助手、J-Link 進行在線調試。串口調試工具是通過串行通信接口與主控芯片的進行信息交互，其輸出波特率與數據幀的格基于 STM32 的便攜式心電圖儀設計20式都可以進行設置，具有使用靈活、操作簡便的特點。J-Link 是調試 ARM 嵌入式系統(tǒng)的常用工具。在每一部分程序調試通過后，對所有子程序進行整合編寫出完的主程序。在開發(fā)環(huán)境中完成程序編譯之后，通過 J-Link 工具把程序代碼下載到 STM32 處理器中，然后通過程