基于 STM32 處理器的手機監(jiān)控心電的設計

鄧海濤 張桂珊 鄒秋云 熊江豐 盧杰威 余澤峰 陳耀文

（汕頭大學工學院電子信息工程系 汕頭 515063）

基于 STM32 處理器的手機監(jiān)控心電的設計

鄧海濤 張桂珊 鄒秋云 熊江豐 盧杰威 余澤峰 陳耀文

（汕頭大學工學院電子信息工程系 汕頭 515063）

傳統(tǒng)的心電采集系統(tǒng)操作平臺基于有線裝置，與現有的個人通信終端（如移動電話、便捷式電腦）不兼容，且存在不靈活、價格昂貴、操作復雜、連續(xù)運行不穩(wěn)定等缺點。針對上述問題，本作品擬設計以可穿戴式心電采集系統(tǒng)為設計主題，通過 STM32 對心電數據進行采集與處理，實現遠程監(jiān)控心電信號，并允許多戶同時鏈接。同時，通過聯(lián)合使用互聯(lián)網，可實現在醫(yī)院等場所進行長期穩(wěn)定的心電數據監(jiān)控，為醫(yī)療監(jiān)護提供有利的幫助。

心電信號采集；STM32；遠程監(jiān)控

1 引 言

隨著計算機技術及通信技術的發(fā)展，遠程醫(yī)療逐漸成為一種新的醫(yī)療服務模式，提高了醫(yī)療機構的知名度，取得了良好的社會效益［1，2］。生理信號監(jiān)測系統(tǒng)及采集系統(tǒng)是遠程醫(yī)療的重要環(huán)節(jié)，日漸成為研究機構及高校的研究熱點［3］。

目前，BIOPAC 公司生產的 MP150 采集系統(tǒng)是國內外醫(yī)學生理信號采集系統(tǒng)典型的產品，該產品采用采集主機與前端處理卡分離的模式，可自由組合采集信號［4］。采集卡與上位機通過以太網方式連接，進而提高數據傳輸的速率。然而，MP150 存在一些不足，如使用時間超過 3 h 時，采集主機會發(fā)熱，并造成系統(tǒng)內部產生噪聲，從而導致信號采集受干擾。

本文利用 Android 端進行數據的接收和發(fā)送，結合 Android 手機實現遠程監(jiān)控心電信號，允許多用戶連接，易于推廣，且穩(wěn)定連續(xù)運行，有利于長時間使用［5-7］。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig. 1 System diagram

2 材料和方法

2.1 材 料

本設計采用 7.5 鋰電池電源，將 7.5 V 電壓轉換為一組正負對稱 5 V 電壓和一正 3.3 V 的電壓。使用 Cortex-M3 內核的 STM32F103RBT6 作為采集卡的主控芯片。該芯片具有 ARM 32-bit Cortex-M3 CPU，片上 128K 閃存，20K RAM，12 bit 精度片內模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC），以及 I2C 接口等外設，可以在簡單的電路上完成信號采集與數據濾波等運算。心電信號傳感器輸出信號經調理后由 STM32 單片機的 ADC 進行采集。硬件采集卡通過藍牙發(fā)送數據到 Android上位機。由 Android 上位機進行波形顯示，并把數據發(fā)送到 PC 上位機。最后，PC 上位機進行心電信號的顯示以及數據的接收與分析（圖 1）。

2.2 方 法

2.2.1 整體硬件系統(tǒng)方案

圖2 硬件框圖Fig. 2 Hardware diagram

硬件系統(tǒng)分為電源卡、采集卡和前端處理卡（見圖 2）。其中，電源卡的主要作用是將鋰電池 7.5 V 輸出電壓轉換為正負電壓供模擬部分電路使用及 3.3 V 單電源供數字部分電路使用［8］；采集卡包含 STM32 最小系統(tǒng)和藍牙模塊，負責將模擬信號進行數字化處理，經藍牙發(fā)送數據至Android 上位機；前端處理卡主要獲取傳感器的原始數據進行濾波和放大處理，再將輸出電平注入采集卡的模擬通道。

硬件部分的電路板如圖 3 所示。

圖3 硬件部分電路板Fig. 3 The circuit board of hardware

2.2.2 整體軟件系統(tǒng)方案

軟件系統(tǒng)主要分成四個部分：（1）單片機軟件的設計；（2）Android 上位機設計；（3）PC 上位機設計；（4）信號濾波及檢測算法的實現。原始信號經模擬的高通和低通濾波器后給STM32F103RBT6 采樣，由處理器進行數字濾波。濾波主要針對 50 Hz 和 100 Hz 的工頻及基線漂移。濾波后的數據進入藍牙緩沖區(qū)，由藍牙模塊將數據傳至 Android 手機端。Android 手機端接收數據并進行心電波形的顯示，再將心電數據發(fā)送至 PC 上位機。PC 上位機監(jiān)聽 UDP 端口，接收數據包并通過繪圖控件實時顯示波形并記錄數據（圖 4）。

圖4 信號流程圖Fig. 4 Signal flow diagram

（1）單片機程序設計

采用意法半導體公司的 STM32F103RBT6 做為數據采集與濾波電路的主控芯片。該芯片可實現簡單電路上信號采集與數據濾波等運算。模擬信號的采樣使用 ADC1 第 10 通道，兩次采樣時間間隔為 14 個時鐘周期，轉換精度為 12 bit，ADC 的觸發(fā)時鐘配置為 TIM2 輸出，通過 DMA方式進行外設到內存數據傳輸，采用 DMA 乒乓結構進行數據存儲和處理（圖 5）。

圖5 單片機程序的主要流程圖Fig.5The flow-chart of main programs of MCU

定時器配置 PWM 輸出關鍵代碼如下：

配置 DMA 外設到內存?zhèn)鬏數拇a如下：

（2）Android 上位機設計

Android 客戶端的作用相當于一個網關，一是通過藍牙發(fā)送請求數據的命令至 STM32 核心控制系統(tǒng)并接收數據，同時在界面上繪制心電圖；二是通過 WiFi 在后臺將心電數據發(fā)送至服務器（圖 6）。

Android 客戶端主要包含以下組件：

①藍牙服務：負責與 STM32 系統(tǒng)建立藍牙連接的串口信道，收發(fā)數據；

②繪圖模塊：實現與用戶的交互功能，對采集數據進行實時畫圖，以供觀察；

③網絡服務：負責向服務器發(fā)出連接請求，將接收的數據通過 WiFi 發(fā)送至服務器；

④其他服務：包括短信提醒和保存數據的功能，可以通過對網絡返回的數據進行判斷，給用戶預先設置的聯(lián)系人發(fā)送短信提醒，并且對數據進行保存，方便讓專業(yè)學者進行診斷。

（3） PC 端上位機程序設計

采用 VC++6.0 編寫 PC 端上位機，上位機與手機通過 WiFi 進行通信（圖 7）。上位機具有以下功能：

①波形顯示，實時顯示用戶心電圖；

②與手機通過 WiFi 進行數據傳輸；

③在服務器端顯示用戶心率，姓名等信息；

圖6 Android 上位機部分主要軟件流程Fig. 6 The main software processes of the part of PC of Android

圖7 PC 上位機的主要流程圖Fig. 7 The main flow chart of upper PC processor

④心率分析，通過檢測 QRS 波中的 R 波，運用閾值檢測得到心率數據；

⑤將心電圖的數據記錄并保存到文件，同時可從文件中讀取并顯示心電數據；

⑥上位機支持多用戶連接，服務器端可根據用戶的姓名進行選擇查看；

⑦采用 FFT 計算出頻譜心電圖（FCG），對研究心電圖具有重要意義。運用蝶形算法計算 FFT求得心電信號的頻譜。

（4） 信號濾波及檢測算法的實現

濾波器對工頻干擾進行處理，過濾 50 Hz 信號，基線漂移則通過高通濾波器消除 0.5 Hz 以下的頻率［9］。常用固定頻率的設計有 IIR 濾波器和FIR 濾波器兩種，其中 FIR 濾波器具有良好的線性相位，但是在同等性能條件下階數比 IIR 濾波器高，運算量大［10］。故本設計的工頻陷波和高通濾波均采用 IIR 濾波器來設計。

IIR 濾波器的設計方法有脈沖響應不變法和雙線性變換法，但過程比較復雜，借助 Matlab 的 fdatool 工具包可以直接生成相關參數，設計界面的參數設定如圖 8 所示。再通過直接 II 型翻譯成 C 語言形式應用于 STM32 平臺。

圖8 50 Hz 高通濾波器設計界面Fig. 8 The design interface of 50 Hz high-pass filter

圖9 IIR 濾波器實現框圖Fig. 9 The implementation block diagram of IIR filter

圖10 50 Hz 陷波器去噪效果圖Fig. 10 The result of 50 Hz notch filter

導出濾波系數得到轉移函數如下：

再根據濾波器直接 II 型實現框圖（圖 9），翻譯成 C 語言代碼并燒錄到主控芯片中運行。一段實際的 ECG 信號進行 50 Hz 數字陷波器的濾波效果，如圖 10 所示。

C 語言響應代碼：

采集到的信號

數字高通濾波器能有效抑制呼吸作用導致的基線漂移，使得信號更加穩(wěn)定［11］。同樣采用Matlab Fdatool 工具箱設計 0.5 Hz 二階 IIR 高通濾波器，導出濾波系數，設計界面如圖 11 所示。

得到響應函數：

翻譯成 C 語言代碼：

對 IIR 濾波后的數據進行 SG 平滑處理，先在 Matlab 平臺上面進行實時仿真，通過提取MIT-BIH 數據庫的文件，對其進行 SG 平滑濾波以驗證算法的效果，再將其翻譯成 C 語言，并在 Matlab 上進行測試，結果圖 12 所示?？梢钥闯?，基線漂移得到明顯改善。

圖11 0.5 Hz 高通濾波器設計界面Fig. 11 The design interface of 0.5 Hz high-pass filter

圖12 基線漂移濾除效果圖Fig. 12 The results of after being baseline drift filtering

3 結 果

Android 端測試結果如圖 13 和圖 14 所示。

圖13 安卓上位機顯示圖Fig. 13 The results of upper Android processor

圖14 PC 上位機顯示圖Fig. 14 The results of upper PC processor

4 討 論

傳統(tǒng)的生理信號檢測系統(tǒng)是基于 51 系列單片機、模擬放大器、ADC 以及 USB 控制芯片組成。該系統(tǒng)的傳輸速率可以達到 2 Mbps，完全滿足信號的高速采集。但系統(tǒng)總體比較復雜，編寫上位機必須了解 USB 通信協(xié)議。后來一些學者設計出了便攜式的 ECG 測量系統(tǒng)。其中采集系統(tǒng)比較典型的產品為 BIOPAC 公司生產的 MP150采集系統(tǒng)，該產品使用采集主機與前端處理卡分離的模式，可以自由組合采集的信號類型［6］。系統(tǒng)使用 12 V 單電源供電，可在必要時候采用電池。采集卡與上位機采用以太網方式進行連接，能以極高的速率進行數據傳輸，最高采用指標可以達到 16 路，16 bit 精度，400 kHz 采樣率。但MP150 也存在一定缺陷，如使用時間超過 3 小時采集主機會發(fā)熱，使系統(tǒng)內部產生噪聲，干擾信號的采集，而且價格昂貴，體積較大，不方便移動；其次是沒有液晶屏進行顯示，只有一兩個指示燈，當發(fā)生故障上位機無法正常連接時較難處理。

本系統(tǒng)可實現對人體心電信號的長期監(jiān)控和分析，并且對心電數據保存。本設計系統(tǒng)優(yōu)點如下：

（1） 與現有的一些生理信號采集設備相比（圖 15），本電路設計簡單、系統(tǒng)整體功耗低（可使用電池供電）、發(fā)熱量低、可以穩(wěn)定連續(xù)運行；同時使用新型、主頻高的控制芯片（STM32F103RBT6），能在芯片上實現數據濾波（圖 16）。

圖15 BIOPAC 采集系統(tǒng)Fig. 15 BIOPAC system

圖16 STM32 采集系統(tǒng)Fig. 16 STM32 system

（2）系統(tǒng)導出的波形圖網格與一般的心電圖坐標圖紙相同：y 軸方向為每小格 0.1 mV，每大格為0.5 mV；x 軸方向為每小格 0.04 s，每大格 0.2 s。從日本光電心電圖機的波形圖上來看，ECG 的RR 間距為 23 個小格（0.92 s），R 點峰值離基線為 5 小格（0.5 mV）（圖 17）。而本文設計的采集系統(tǒng)在同個時間段采集的波形 RR 間距 23 小格（0.92 s），R 點峰值離基線為 6 小格（0.6 mV）（圖18）。表明本系統(tǒng)采集的波形時間基準與現有心電圖機一致，僅峰值有差別；兩者相比，本文設計價格更加便宜，整個系統(tǒng)設計簡單，且能達到一定的精度，可供醫(yī)務人員進一步研究。

圖17 日本光電心電圖機 ECG 圖紙（男，50）Fig. 17 The ECG signal from an electrocardiograph made by NIHON KOHDEN CORPORATION （man， fifty）

圖18 本文設計的采集系統(tǒng) ECG 波形圖（男，50）Fig. 18 The ECG signal from this designed system（man， fifty）

（3）傳統(tǒng)的心電檢測系統(tǒng)相比，本作品結合現在流行的 Android 手機，利用手機進行數據接收和發(fā)送，使整個系統(tǒng)的實現更加簡單和實用，且容易操作（如圖 13）。同時，PC 端上位機功能多樣：顯示信號波形，將采集的數據以文件格式儲存，并對數據進行分析，供科研人員進一步研究；可以進行 FFT 分析，有利于對數據進行正確的分析；可以實現多用戶連接，可保存和分析不同用戶的心電數據，并且可以選擇某個用戶的心電波形進行顯示（如圖 14）。

5 結 論

本作品通過 STM32 對心電數據進行采集，利用 PC 端上位機顯示信號波形，將采集的數據以文件格式儲存，并對數據進行分析，實現遠程監(jiān)控心電信號，同時允許多戶鏈接。且實用性強、造價成本低廉，操作簡單，可穩(wěn)定連續(xù)運行。聯(lián)合使用互聯(lián)網，可實現在醫(yī)院等場所進行長期穩(wěn)定的心電數據監(jiān)控，為醫(yī)療監(jiān)護提供有利的幫助。

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A Design of Electrocardiogram Signal Acquisition System Based on STM32 Processor

DENG Haitao ZHANG Guishan ZOU Qiuyun XIONG Jiangfeng LU JieweiYU Zefeng CHEN Yaowen
（ Engineering College， Shantou Universtity， Shantou 515063， China ）

Traditional operating platform of electrocardiogram （ECG） acquisition system was based on a wired device， which was not compatible with existing personal communication terminals like mobile phones，and portable computers. Moreover， it had many disadvantages such as poor maneuverability， high price，complexity and instability for continuous service. To solve those problems， this work took the wearable ECG acquisition system as the design theme. STM32 was provided for collecting and processing ECG signal for remote monitoring to access different users simultaneously. Long-term stability of ECG data real-time acquisition and monitoring were realized in some place like hospital based on the Internet， which could provide assistance and support for health care system.

electrocardiogram signal acquisition； STM32； remote monitoring

TN 85

A

2015-04-01

2015-07-10

汕頭大學學術創(chuàng)新團隊項目（ITC12002）

鄧海濤，碩士研究生，研究方向為信號與信息處理；張桂珊，碩士研究生，研究方向為壓縮感知在磁共振成像上的應用；鄒秋云，本科生，研究方向為信號與信息處理；熊江豐，本科生，研究方向為信號與信息處理；盧杰威，本科生，研究方向為信號與信息處理；余澤峰，碩士，研究方向為單片機軟硬件開發(fā)；陳耀文（通訊作者），教授，研究方向為現代醫(yī)學信號處理，E-mail：ywchen@stu.edu.cn。