基于STM32 的便攜式心電儀設(shè)計

胡樹林，唐莉，楊彪，宮東藩，侯冬晴

（吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南吉首 416000）

心電儀作為臨床診斷的常用工具，其對各類疾病的預(yù)防與治療具有重要作用[1]。傳統(tǒng)的心電儀具有體積大、操作復(fù)雜、價格昂貴等缺點，只適合在醫(yī)院等場所使用，不便于日常使用[2]。隨著電子信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，心電監(jiān)護(hù)設(shè)備逐漸進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ钪?，正朝著微型化、智能化、便攜式等方向發(fā)展[3]。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與醫(yī)療應(yīng)用相結(jié)合的便攜式心電儀能降低設(shè)備的體積、成本和操作難度，具有研究價值。

1 便攜式心電儀系統(tǒng)方案設(shè)計

文中設(shè)計一種可以滿足日常使用的便攜式心電儀，實現(xiàn)了實時心電采集、心率檢測及藍(lán)牙無線傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要包括基于STM32單片機(jī)的微控制器單元，使用德州儀器公司的高精度模擬前端芯片ADS1292R 構(gòu)成的心電信號采集模塊、藍(lán)牙無線傳輸模塊和手機(jī)APP。通過對人體ECG 信號進(jìn)行采集、放大、濾波后進(jìn)行心率計算、心電圖顯示、心率監(jiān)測。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 便攜式心電儀系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微控制器模塊（MCU）

所設(shè)計系統(tǒng)采用的MCU為STM32F103RCT6。該芯片內(nèi)核為ARM32位Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率達(dá)72 MHz。其硬件資源豐富，具有256 kB片內(nèi)FLASH，48 kB SRAM 且具有定時器、DMA、SPI、IIC、ADC、DAC等功能[4]。其集成了多種通信接口有利于模塊化設(shè)計和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能滿足設(shè)計的要求。單片機(jī)最小系統(tǒng)的外圍電路由單片機(jī)、電源、時鐘電路、復(fù)位電路組成，其為單片機(jī)正常工作的基本電路。MCU 供電電壓為3.3 V，時鐘電路由晶體振蕩器和電容組成，為單片機(jī)提供時鐘脈沖。微控制器單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)的邏輯控制、驅(qū)動其他模塊工作和對心電信號進(jìn)行處理。

2.2 心電信號采集模塊

心電信號使用ADS1292R 模擬前端芯片進(jìn)行采集。其為一款用于生物電勢測量的低功耗、多通道的同步采樣24 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC），具有內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA）,內(nèi)部EMI 濾波、內(nèi)部基準(zhǔn)和板載振蕩器。ADS1292R 具有高精度、同步采樣、低功耗、多通道數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點[5]。ADS1292R 采集的數(shù)據(jù)傳輸使用SPI 兼容串口與MCU 通信，工作時的數(shù)據(jù)采樣速率高達(dá)8 ksps，該設(shè)計使用250 sps 的采樣速率。心電信號采集模塊原理圖如圖2 所示。

圖2 心電信號采集模塊原理圖

2.3 無線通信模塊

該設(shè)計無線通信模塊使用HC-05 藍(lán)牙串口模塊，其工作頻段為2.4 GHz，最遠(yuǎn)通信距離為10 m[6]。其具有性能穩(wěn)定、低功耗、采用AT 指令控制、操作簡單等優(yōu)點，能滿足傳輸心電信號的要求。MCU 與藍(lán)牙模塊采用串口通信協(xié)議（UART），使用藍(lán)牙模塊實現(xiàn)MCU 與APP 的數(shù)據(jù)交互，可將心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿佣孙@示，也可將用戶在移動端輸入的控制信息傳輸?shù)組CU，實現(xiàn)對心電儀的無線控制。

2.4 電源設(shè)計

該系統(tǒng)輸入電壓范圍為6～12 V，可使用兩節(jié)18650 鋰電池串聯(lián)為系統(tǒng)供電。使用一片AMS1117-5.0線性穩(wěn)壓芯片（LDO）降壓輸出5 V，一片AMS1117-3.3輸出3.3 V 為MCU、LCD 顯示信號電路和指示燈供電。人體心電信號幅值較低，一般為10 μV～4 mV[7]，故心電信號采集電路對電源噪聲比較敏感。使用REG102NA-3.3 線性穩(wěn)壓芯片單獨(dú)為采集電路供電，能減少電源紋波噪聲對采集信號的干擾。該LDO 輸出電壓的噪聲最大僅28 μVrms,輸出電壓精度高，且其體積小、外圍電路簡單，非常適合用于便攜式設(shè)備。電源電路如圖3 所示。

圖3 電源電路

2.5 LCD顯示模塊

顯示模塊負(fù)責(zé)將心電數(shù)據(jù)（包括心電波形圖、心率信息、狀態(tài)信息）進(jìn)行顯示。為了追求更好的顯示效果，顯示模塊使用TFT LCD 液晶屏。其具有重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質(zhì)優(yōu)良等特點[8]。其為16 位真彩顯示屏，在每一個像素上都有一個薄膜晶體管（TFT），可避免信號的串?dāng)_，故顯示的圖像具有較高的質(zhì)量。液晶屏接口使用軟排線連接，可提高顯示屏插接的靈活性。

2.6 警報模塊

當(dāng)使用者心率異常時，系統(tǒng)會發(fā)出警報。警報模塊由SS8550 三極管和蜂鳴器組成,當(dāng)心率異常次數(shù)超過設(shè)定值時，單片機(jī)驅(qū)動三極管導(dǎo)通使蜂鳴器上電發(fā)出警報，當(dāng)心率恢復(fù)正常后警報消除。

2.7 按鍵模塊

使用按鍵模塊作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，通過按鍵完成系統(tǒng)復(fù)位、暫停和參數(shù)設(shè)置等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)部分

單片機(jī)軟件部分使用C 語言編程，使用KeiluVision5 集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)，單片機(jī)軟件運(yùn)行流程圖如圖4 所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行單片機(jī)及各個模塊的初始化，然后MCU 開始讀取采集的心電信號。由于此時的心電信號為原始采集信號，可能存在多種干擾噪聲，故設(shè)計時針對心電信號的特點，設(shè)計了一個FIR(有限長單位沖激響應(yīng)濾波器)帶通濾波器濾除原始采集心電信號中的噪聲干擾。使用意法半導(dǎo)體公司提供的DSP 庫函數(shù)，對輸入的原始心電序列進(jìn)行處理，得到的輸出序列保留了心信電號并濾除了大部分干擾噪聲，更能反映真實的心電波形，有利于后續(xù)的單片機(jī)處理和顯示。由濾波后的信號可計算得到心率信息。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

LCD 液晶屏將實時顯示心電波形圖及心率等信息。同時，單片機(jī)將心電數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊傳輸至APP 同步更新心電數(shù)據(jù)。單片機(jī)會對心率進(jìn)行監(jiān)控，若心率不在正常范圍，系統(tǒng)會通過蜂鳴器發(fā)出警報。該警報會在心率恢復(fù)正?；蛴脩舭聪氯∠存I時消除。

3.1.1 心率的計算

一個完整的心電周期包括一個P 波、一個QRS波群和一個T 波，T 波后可能還有一個U 波[9]，如圖5所示。其中QRS 波群是整個周期中幅值最高，特征最明顯的波段，同時也是臨床診斷中使用最多的波形。該設(shè)計中單片機(jī)通過連續(xù)采集5 個周期的數(shù)據(jù)，計算其均值，將均值乘以一個系數(shù)作為R 波檢測的閾值，檢測每個周期的R 波信號，然后使用相鄰兩個R 波間的時間間隔TR-R計算瞬時心率。

圖5 單個周期心電信號波形圖

3.1.2 心電信號的濾波處理

ECG 信號的頻率范圍一般為0.5～100 Hz，主要集中在0.5～40 Hz 的頻率范圍內(nèi)，屬于低頻信號。由于人體環(huán)境的復(fù)雜性，人體心電信號存在不穩(wěn)定性和隨機(jī)性[10]。且心電信號具有微弱、低頻、高阻抗等特性，極容易受到干擾。采集的原始心電信號往往疊加了多種噪聲干擾信號，主要有以下3 種：

工頻干擾：我國家用電力系統(tǒng)使用交流電為50 Hz，工頻干擾噪聲的頻率主要為50 Hz。供電網(wǎng)絡(luò)無處不在，人體處在其輻射的電磁波周圍，容易受到工頻噪聲的影響。這種影響具有普遍性，是干擾噪聲的主要來源[11]。

肌電干擾：由于人體肌肉細(xì)胞活動產(chǎn)生的生理電信號對心電信號的干擾，這種噪聲會隨著人體肢體運(yùn)動而變化，其頻率較高，一般在5～2 000 Hz之間[12]。

基線漂移：基線漂移主要是由于人體呼吸、肢體活動產(chǎn)生，使心電信號的基準(zhǔn)電壓發(fā)生偏移，這種偏移會使心電信號處于不同的水平上，對后續(xù)單片機(jī)處理產(chǎn)生影響?；€漂移是一種變化緩慢的低頻噪聲，其頻率一般低于0.5 Hz[13]。

由于STM32F1 系列單片機(jī)性能有限，為保證系統(tǒng)的實時性和結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)合心電信號頻率的特點，設(shè)計了一個通帶頻率為0.5～45 Hz 的FIR（有限長單位沖激響應(yīng)濾波器）帶通濾波器，對原始采集信號進(jìn)行濾波[14]。N階FIR 濾波器輸入序列與輸出序列的關(guān)系是一種有限卷積和的形式，其表達(dá)式為[15]:

其中，h(i)為濾波器參數(shù)，x(n)為輸入時間序列，y(n)為輸出序列。FIR 濾波器使用Matlab 的Filter Designer 工具設(shè)計，采樣頻率設(shè)為200 Hz，階數(shù)為200，窗函數(shù)選取海明窗。

通過Matlab 對設(shè)計的FIR 濾波器進(jìn)行仿真驗證，將心電信號混入50 Hz 和2 kHz 的噪聲干擾，心電信號濾波仿真結(jié)果如圖6 所示?？梢?，通過FIR 帶通濾波器能有效濾除混在心電信號中的噪聲干擾。將通過Matlab 得到的濾波器系數(shù)存入程序中，調(diào)用意法半導(dǎo)體公司提供的DSP 庫函數(shù)中的ARM_FIR_F32()函數(shù)對原始心電數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

圖6 心電信號FIR帶通濾波器仿真

3.2 移動客戶端（APP）

設(shè)計的APP 使用藍(lán)牙調(diào)試器軟件，在各大應(yīng)用商店都可下載，這是一款功能強(qiáng)大的藍(lán)牙調(diào)試工具。用戶可自定義通信數(shù)據(jù)幀格式。該軟件含有可直接使用的豐富的圖形化組件。將心電數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)幀中，APP 端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，將解析后的ECG 數(shù)據(jù)鏈接到Y(jié)-T 波形圖中顯示，可在手機(jī)上實時顯示心電波形。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試環(huán)境

為了測試系統(tǒng)心率監(jiān)測的準(zhǔn)確性，使用心電信號模擬儀生成各種心率的標(biāo)準(zhǔn)心電信號接入到系統(tǒng)中，將測量的心率與實際心率進(jìn)行比較分析。為了測試心電儀實際使用效果，該系統(tǒng)使用三導(dǎo)聯(lián)的方式，通過電極片將系統(tǒng)與測試者連接，測試者是一位20 歲的男性。實際測試系統(tǒng)對人體ECG 信號的采集、顯示及監(jiān)測效果。

4.2 測試結(jié)果及分析

對心電模擬儀產(chǎn)生的心電信號進(jìn)行測試，結(jié)果如表1 所示。

表1 心率監(jiān)測測試結(jié)果

由表1 可知，在測試數(shù)據(jù)中，系統(tǒng)對心率測量的平均相對誤差約為-1.34%。且在人體60～100 Bpm[16]的正常心率范圍內(nèi)，相對誤差較小，具有可信度。

系統(tǒng)接入人體實際測試結(jié)果如圖7 所示，可見液晶屏及APP 上都能清晰顯示心電波形和心率信息，且心電波形經(jīng)濾波處理后曲線較光滑，噪聲干擾較小。

圖7 系統(tǒng)接入人體測試結(jié)果

5 結(jié)論

該文設(shè)計了一種基于藍(lán)牙無線傳輸方式，以STM32F103RCT6 單片機(jī)為控制器的便攜式心電儀，使用模擬前端芯片ADS1292R 對心電信號進(jìn)行采集，通過一個FIR 帶通濾波器對原始采集信號進(jìn)行濾波處理。經(jīng)測試證明，該設(shè)計能實時在液晶屏和手機(jī)APP 顯示心電波形圖和心率信息，且心率測量相對誤差的絕對值小于3%。該設(shè)計方案成本較低、操作簡捷、攜帶方便，可以應(yīng)用于日常醫(yī)療保健中，具有一定的推廣價值。進(jìn)一步研究表明，可將心電儀連接互聯(lián)網(wǎng)，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程心電信號的采集和監(jiān)控。