基于VC++的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

武利珍,張文超

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018)

基于VC++的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

武利珍,張文超

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院,浙江杭州310018)

該文針對常規(guī)心電監(jiān)護設(shè)備體積笨重、價格昂貴和不利于家庭化的局限性,設(shè)計了一種基于STM32芯片能夠?qū)崟r采集心電信號的電路。采集的心電數(shù)據(jù)通過串口提交到PC機,以VC++為開發(fā)平臺,設(shè)計了心電信號采集系統(tǒng)。經(jīng)實驗室使用驗證,該系統(tǒng)可實現(xiàn)對心電信號的實時采集、顯示和存儲,而且性能可靠,工作穩(wěn)定,成本又大大地降低。

心電信號;便攜式;數(shù)據(jù)采集

0 引 言

心臟病是威脅人類健康的主要疾病之一,而心電圖是其診斷的重要依據(jù)。臨床醫(yī)學(xué)實踐表明,對于心臟病的防治,最有效的手段是預(yù)防和保健。心臟病具有突發(fā)性的特點,但是目前由于心電圖機的應(yīng)用場合的限制和HOLITER的價格非常昂貴,使得病人得不到實時監(jiān)控,這對病人的病情診斷和治療是極為不利的。隨著PC機的普及,設(shè)計基于PC機的醫(yī)療器械已越來越受到歡迎,醫(yī)療設(shè)備家庭化已成為一種發(fā)展趨勢[1]。本文介紹的是項目“基于STM 32的便攜式心電圖儀設(shè)計”的一部分,該項目是要開發(fā)一種體積小、價格低的能夠隨身攜帶的心電監(jiān)護系統(tǒng),并能夠借助串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)與PC機的通信。本文介紹了采集和處理心電信號的硬件電路和上位機軟件管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計概述

系統(tǒng)原理框圖如圖1表示。心電信號由電極獲取,經(jīng)前置放大電路、高低通濾波、主放大和電平抬升電路處理后,得到符合要求的模擬心電信號,并送入到STM 32的ADC進行AD轉(zhuǎn)換。為了更好的抑制干擾信號,在電路中還引入了右腿驅(qū)動電路。系統(tǒng)控制芯片采用意法半導(dǎo)體公司推出的新型32位ARM內(nèi)核處理機芯片STM 32系列中的STM 32F103VC,AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字心電信號經(jīng)過濾波處理得到光滑、正確的心電信號數(shù)據(jù),最后將濾波后的心電信號通過串口可靠地傳輸?shù)絇C機,以便對心電數(shù)據(jù)做進一步的分析和處理。

2 心電采集硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要劃分為3大部分：前置放大電路,主要完成心電信號的提取;帶通濾波及主放大電路,用于調(diào)理采集到的信號,使之符合處理要求;STM 32處理電路,完成心電信號數(shù)據(jù)傳送功能及其他控制。

2.1 前置放大電路

前置放大電路是硬件電路的關(guān)鍵,直接決定整個系統(tǒng)性能的好壞。因此必須根據(jù)心電信號的特點來選擇合適的放大器。體表心電信號的頻率主要集中在0.05～100Hz,幅度大小為10μV～4mV,典型值為1mV,是一種低頻率的微弱雙極性信號。而STM 32的ADC輸入端電壓范圍是0～3.3V,因此需要對心電信號進行放大和電平抬升,總體放大倍數(shù)約為1 000倍,然后再通過電平抬升電路抬高1V左右。心電測量中,實際的電極不可能完全對稱,這樣將會引起基線漂移現(xiàn)象,還有無處不在的電源工頻50Hz干擾,肌電干擾等,這些都要求心電前置放大器必須有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80dB以上[2]。

圖1 系統(tǒng)整體方框圖

本設(shè)計選用INA 118儀表放大器作為系統(tǒng)前置放大器,它具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點,它的增益可達1 000倍,計算公式為：G=1+50k/Rg。防止前置放大器進入截止或飽和狀態(tài),這里增益取10,由G=1+50/Rg得出Rg=5.6k。由于人體的阻抗和心電電極阻抗非常大,所以在前置放大前設(shè)計了一級跟隨作為信號緩沖。為了更好的抑制50Hz干擾,采用右腿電極經(jīng)電阻與放大器接地端相連,以降低人體的共模電壓[3]。心電前置放大電路及右腿驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 心電前置放大電路及右腿驅(qū)動電路

2.2 帶通濾波及主放大電路

心電信號頻帶主要集中在0.05～100Hz,因此帶通濾波器設(shè)計的帶寬為0.03～110Hz以濾除干擾信號。帶通濾波器用高低通濾波器來構(gòu)成[4],如圖3所示,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,雖然設(shè)計了右腿驅(qū)動電路,但是仍然有50Hz干擾進入電路,本文不再設(shè)計50Hz陷波器,而改為用軟件的方法通過設(shè)計數(shù)字濾波器來濾除工頻干擾。

圖3中高通濾波器由U5A、C4、R6組成,設(shè)置其截至頻率為f=0.03Hz,低通濾波器由U5B、C5、R7組成,設(shè)置其截至頻率為f=110Hz。

2.3 STM 32處理電路

STM32系列采用ARM公司具有突破性的Cortex-M3內(nèi)核,工作頻率為72MHz,內(nèi)置高速存儲器,豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。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(biāo)準(zhǔn)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。該內(nèi)核是專門設(shè)計于滿足集高性能、低功耗、實時應(yīng)用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。

圖3 高、低通濾波電路

STM32的應(yīng)用為項目基于STM 32的便攜式心電圖儀設(shè)計帶來了優(yōu)勢。無需外擴芯片即可完成心電信號的采集、顯示、存儲和傳輸?shù)?。本文只介紹與PC機通信的USART模塊電路。由于串行通信采用RS232電平信號,而STM32輸出的電壓范圍是0～3.3V,因此為了將心電信號傳至上位機,采用電平轉(zhuǎn)換芯片ST3232進行信號之間電平的轉(zhuǎn)換。該芯片可將單片機輸出的心電信號的電平轉(zhuǎn)化為RS232電平,并將其傳至上位機進行顯示。

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送程序

下位機的軟件設(shè)計包括初始化設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換、串口通訊等幾個主要部分。ADC采用DMA中斷方式,采樣頻率為200Hz,中斷服務(wù)子程序完成電壓的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送。DMA中斷程序流程圖如圖4所示。ADC設(shè)置為定時器外部觸發(fā)。

圖4 DMA中斷程序流程圖

3.2 上位機界面的軟件設(shè)計

經(jīng)過處理后的心電信號通過串口送到上位機。在上位機上通過VC++軟件編程[5]實現(xiàn)心電信號的顯示,記錄,回放和分析等功能。上位機管理軟件的開發(fā)是使用V isual C++6.0完成的。VC++與Windows操作系統(tǒng)密切結(jié)合,有一套功能強大的可視化類庫(MFC),采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?。上位機主要分為以下的幾個部分：(1)串口通信程序,完成心電信號的讀入;(2)心電信號顯示程序,實時顯示出心電波形;(3)心電信息管理程序,主要是完成記錄采集時的信息和分析結(jié)果并存儲到.txt文件中。軟件流程如圖5所示。

4 結(jié)束語

心電波形即為本系統(tǒng)從作者本人身上采集到的一段心電信號如圖6所示。從圖6可看出,該心電信號清晰,波形平穩(wěn),基本上沒有基頻漂移的干擾,50Hz的工頻干擾也得到了很大的抑制,滿足了進一步處理分析的要求。

本文以高性能、低功耗的STM32芯片為硬件基礎(chǔ),設(shè)計了前端心電信號采集硬件電路,以VC++為軟件開發(fā)工具,實現(xiàn)了對心電信號的實時采集、顯示和存儲等。與傳統(tǒng)的采用數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)相比,不僅操作簡單,通用性強,而且極大地降低了成本,很適合于后續(xù)的功能開發(fā)。下一步是完善其分析功能。

圖5 上位機軟件流程

圖6 心電信號采集時的界面

[1]代少升,張躍孫.便攜式遠程心電實時監(jiān)護儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備,2008,27(9)：1-2.

[2]王大雄.嵌入式便攜心電監(jiān)護儀的功耗降低方法研究[J].工程設(shè)計學(xué)報,2007.1 l(2)：99-102.

[3]W inter BB,Webster JG.Driven-right-leg Circuit De-sign[J].IEEETrans Biomed,2005,27(8)：62-66.

[4]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004：261-262.

[5]孫雄勇.VISUAL C++6.0實用教程[M].北京：中國鐵道出版社,2004：208-225.

Data Acquisition System of ECG Based on VC++WU Li-zhen,ZHANGWen-chao

(School of Electronics Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang310018,China)

In accordancewith the big size and bulky volume and not conducive to the familyof ECGmonitoring equipment limitations,design anew ECG collecting equipment of real-timemonitoring base on STM 32 processor.The ECG data are transmitted into the PC by serial port,and designed a low-cost virtual ECGAcquisition System used VC++studio.Practical laboratory tests verify that this system can acquire,display and store ECG signal in real time,and the performance and working stability of the system is dependable.

ECG;portable;data acquisition

TP368.2

A

1001-9146(2010)03-0013-04

2009-09-16

浙江省自然科學(xué)基金資助項目(Y407133)

武利珍(1983-),男,山東菏澤人,在讀研究生,新型電子器件設(shè)計及應(yīng)用系統(tǒng).