陳培敏,田楊萌,王彩霞,王宏偉,郝少華
(北京信息科技大學(xué),北京 100192)
據(jù)最新的《中國心血管疾病報告》顯示,目前估計全國心血管疾病患者人數(shù)達2.9億,隨著人口老齡化的增長患者人數(shù)還會不斷上升。心血管病是一系列涉及循環(huán)系統(tǒng)的疾病,具有突發(fā)性,若無法及時發(fā)現(xiàn)則存在失去生命的風(fēng)險,因此在日常生活中對心血管疾病患者進行心電監(jiān)護尤其重要[1]。本文針對上述需求,克服了傳統(tǒng)心電圖機價格昂貴、不可攜帶、不可傳輸心電信號等缺點,設(shè)計了一套便攜式,集心電信號采集、無線傳輸、信號處理等功能于一體的心電信號采集系統(tǒng)。
將STM32F103芯片作為系統(tǒng)下位機的核心,主要包括單片機模塊、藍牙模塊、AD8232采集模塊和電源模塊[2],用于實現(xiàn)心電信號的采集,并將采集到的信號通過藍牙以無線傳輸方式上傳至上位機。將采集到的心電信號通過主控芯片STM32F103的SPI接口控制采集芯片AD8232,完成心電信號的放大、濾波、共模抑制和模數(shù)轉(zhuǎn)換,再通過UART接口連接藍牙芯片,完成上位機和下位機的通信。上位機采用LabVIEW作為開發(fā)平臺,利用LabVIEW的串口通信功能實現(xiàn)與下位機的數(shù)據(jù)通信[3]。
系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體(ST)公司微控制器STM32F103[4]、ECG信號處理模塊AD8232、藍牙模塊HM-13和LabVIEW軟件相結(jié)合的監(jiān)測方案。其中,STM32F103和AD8232組成下位機,主要用于心電信號的采集;藍牙模塊主要用于實現(xiàn)硬件采集電路和上位機的數(shù)據(jù)傳輸;LabVIEW作為上位機,主要用于通過藍牙串口接收下位機采集到的數(shù)據(jù),完成對采集數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲等[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
將AD8232芯片作為采集心電信號的控制芯片。AD8232是一款用于ECG及其他生物電測量的集成信號調(diào)理模塊。該模塊可在具有運動或遠程電極產(chǎn)生噪聲的情況下提取信號,并放大、過濾微弱的生物電信號。AD8232還內(nèi)置有導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路和一個自動快速恢復(fù)電路,可在導(dǎo)聯(lián)重新連接后迅速恢復(fù)信號,其功能如圖2所示。該模塊內(nèi)置有一個專用儀表放大器(IA)、一個運算放大器(A1)、一個右腿驅(qū)動放大器(A2)和一個中間電源電壓基準電壓緩沖器(A3)[6]。
圖2 AD8232功能框圖
本系統(tǒng)采用HM-13藍牙模塊取代硬件電路中的串口發(fā)送(發(fā)送原理與串口發(fā)送電路原理一致)。HM-13藍牙模塊和STM32單片機的連接電路如圖3所示[6]。
圖3 藍牙傳輸電路圖
在圖3中,STM32單片機的PA9/U1_TX引腳連接HM-13藍牙模塊的UART_TX引腳, PA10/U2_RX引腳連接UART_RX引腳[7],接3.3 V電壓,PIO1引腳連接一個藍牙指示燈,將數(shù)字化的心電信號通過藍牙模塊實時發(fā)送。與單片機控制串口連接電路類似,實現(xiàn)了無線傳輸,改變了傳統(tǒng)的傳輸方式。
因所用MCU為意法半導(dǎo)體(ST)公司設(shè)計生產(chǎn)的STM32F103系列芯片,故下位機開發(fā)軟件采用Keil5,上位機軟件采用LabVIEW 2014版本。
系統(tǒng)軟件設(shè)計可分為三個部分,即STM32下位機程序、HM-13藍牙驅(qū)動程序和LabVIEW上位機程序。STM32下位機程序是整個系統(tǒng)的核心,藍牙驅(qū)動程序有效保證了下位機和上位機的通信。首先下位機上電復(fù)位,初始化設(shè)備后打開藍牙串口與上位機通信,之后開啟ADC轉(zhuǎn)換功能,將傳輸采樣數(shù)據(jù)送至串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū),再由上位機程序控制下位機讀取數(shù)據(jù),實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。
圖4 系統(tǒng)程序框圖
接3.3 V電壓后,單片機首先應(yīng)完成系統(tǒng)時鐘的配置,在PC端打開藍牙驅(qū)動,連接藍牙設(shè)備。連上后等待上位機發(fā)送啟動、停止等命令,單片機以中斷方式接收命令并執(zhí)行相應(yīng)操作,開啟相應(yīng)ADC通道,轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機[8]。
可用多種導(dǎo)聯(lián)方法采集人體心電信號。本文主要介紹標準雙極肢體導(dǎo)聯(lián)法,共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導(dǎo)聯(lián)。
(1)Ⅰ導(dǎo)聯(lián):左上肢接放大器正輸入端,右上肢接放大器負輸入端。
(2)Ⅱ?qū)?lián):左下肢接放大器正輸入端,右上肢接放大器負輸入端。
(3)Ⅲ導(dǎo)聯(lián):左下肢接放大器正輸入端,左上肢接放大器負輸入端。
本系統(tǒng)采用標準Ⅰ導(dǎo)聯(lián),原因如下:
(1)標準Ⅰ導(dǎo)聯(lián)測得的信號波形幅度大,特征點明顯[8]。
(2)標準Ⅰ導(dǎo)聯(lián)從上肢采集信號,更容易被大家接受。本設(shè)計采用標準Ⅰ導(dǎo)聯(lián),將電極夾分別夾在左右手腕處,下位機上電后,系統(tǒng)開始采集心電信號,可在LabVIEW顯示面板上看到實時采集的心電波形。
本文系統(tǒng)包括STM32,AD8232芯片及外部信號采集和調(diào)理電路,通過HM-13藍牙模塊傳輸心電信號至PC端,采用LabVIEW強大的數(shù)據(jù)處理功能,降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本和難度,實現(xiàn)了人體心電信號的采集、顯示、傳輸?shù)裙δ?。該系統(tǒng)操作簡單方便,具有一定的推廣價值。