基于STM32的便攜式心電信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李紅利，劉培軍，陳國(guó)崴，張榮華，李月軍

（1.天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387；2.杭申集團(tuán)有限公司，杭州 311234）

在科學(xué)研究和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域，人體的心電（ECG）信號(hào)具有非常重要的意義，其中包含了大量的生理和病理信息[1].傳統(tǒng)心電信號(hào)采集裝置的核心部分是心電信號(hào)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，因其內(nèi)部模塊組成較為復(fù)雜，整個(gè)儀器體積往往比較龐大，對(duì)使用環(huán)境要求較高[2].另外，傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片精度較低、性能較差、功耗較高，從而導(dǎo)致ECG信號(hào)測(cè)量精度低[3].為克服以上缺點(diǎn)，本文基于STM32芯片，采用ADS1298前端采集芯片和LabVIEW上位機(jī)顯示平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套便攜式、高精度、小型化的實(shí)時(shí)心電信號(hào)采集顯示系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)人體ECG信號(hào)的高精度（μV/bit）采集，并能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示波形.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

選用TI公司的24位高精度、低能耗的ADS1298前端采集轉(zhuǎn)換芯片，它是一款SOC芯片，在內(nèi)部可調(diào)增益設(shè)為最小值1時(shí)，可識(shí)別0.286 μV的電壓變化，芯片內(nèi)部通過軟件編程調(diào)節(jié)增益，可精確識(shí)別ECG信號(hào)的微小變化.選擇性能優(yōu)越的STM32系列單片機(jī)作為控制器.ADS1298通過SPI傳輸方式將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳送到STM32F103RCT6控制器，數(shù)據(jù)暫儲(chǔ)存在控制器；然后通過配置藍(lán)牙模塊與上位機(jī)部分的參數(shù)，數(shù)據(jù)將從控制器無線透?jìng)鞯絃abVIEW上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線傳輸；最后，在LabVIEW上位機(jī)進(jìn)行巴特沃斯濾波，包括高低通濾波、帶通濾波和工頻陷波處理等，進(jìn)而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示心電波形.系統(tǒng)框架見圖1.

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

1.2 預(yù)處理電路和主體硬件電路

預(yù)處理電路，即前置濾波電路，如圖2所示.該部分由二階無源低通濾波電路和3 V的限壓電路組成，可消除高頻干擾和對(duì)A/D芯片進(jìn)行過壓保護(hù).低通截止頻率為122.7 Hz，A/D采集芯片的供電電壓為3 V，滿足心電頻率及輸入端電壓通過的要求.

根據(jù)ADS1298芯片手冊(cè)，配置其外圍電路，如圖3所示.

圖2 前置濾波電路Fig.2 Prefilter circuit

圖3 A/D芯片外圍電路Fig.3 A/D peripheral circuit

1.3 藍(lán)牙模塊

系統(tǒng)采用德飛萊藍(lán)牙串口v2.0版模塊[4]，它具有高速通信和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，并且具備向下兼容的特點(diǎn).藍(lán)牙模塊輸入電壓為3.3~6 V，傳輸距離為15 m，具有防反接和狀態(tài)指示燈功能，可以通過AT命令切換主機(jī)和從機(jī)模式、設(shè)置通訊比特率等.

1.4 LabVIEW上位機(jī)

LabVIEW上位機(jī)部分主要包括外置的顯示面板和內(nèi)部的軟件程序.軟件部分采用基于圖形的編程方式（G語言），G語言編程可縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)難度[5-8].使用J-link下載器將編寫的程序加載到控制器內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，A/D采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙串口發(fā)送到LabVIEW上位機(jī)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，這里采用6階巴特沃斯濾波，先分3次進(jìn)行干擾濾除，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡屯āё?、帶通濾波，最終得到心電波形圖.

LabVIEW軟件程序的主要部分為一個(gè)while循環(huán)，進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)讀取和處理，循環(huán)內(nèi)部設(shè)置一個(gè)停止按鈕和一個(gè)條件結(jié)構(gòu).停止按鈕用于停止數(shù)據(jù)傳輸.條件結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置VISA Config和VISA讀取函數(shù)2個(gè)模塊.VISA Config確定數(shù)據(jù)來自哪個(gè)串口.VISA讀取函數(shù)用于讀取藍(lán)牙串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)，通過設(shè)置一個(gè)屬性節(jié)點(diǎn)，以保證每次都能將串口中的數(shù)據(jù)讀完，然后利用一個(gè)條件結(jié)構(gòu)對(duì)得到的字符串進(jìn)行處理，進(jìn)行3次巴特沃斯濾波.具體的程序流程如圖4所示.

圖4 LabVIEW軟件程序Fig.4 Program of LabVIEW

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 測(cè)試對(duì)象基本信息

實(shí)驗(yàn)采集并處理4名受試者的ECG信號(hào)，4名受試者的基本信息見表1.

表1 受試者基本信息Tab.1 Basic information of the subjects

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的LabVIEW上位機(jī)程序的有效性，使用模擬心電信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生原始信號(hào)，見圖5（a），經(jīng)LabVIEW上位機(jī)程序?yàn)V波后得到的模擬ECG波形見圖5（b）.

圖5 軟件濾除工頻干擾Fig.5 Software filter frequency interference

由圖5可見，原始信號(hào)中的工頻干擾基本濾除，說明本文設(shè)計(jì)的濾波程序是有效的.

4名受試者的ECG波形圖見圖6.比較4名受試者的ECG波形圖，可以明顯看出4人的心率及心電特征波略有差異，波形均呈周期性變化，P波、QRS波、T波和ST段等特征均比較明顯，可用于心率失常、心肌梗塞等病理分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是有效可行的.

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）算法適用于非線性非平穩(wěn)信號(hào)處理，是一種性能非常優(yōu)越的濾波算法，常用于人體生理信號(hào)檢測(cè)分析[9-12].本文利用LabVIEW上位機(jī)存儲(chǔ)的原始信號(hào)數(shù)據(jù)，使用Matlab對(duì)EMD算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn).以1號(hào)受試者為例，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的原始信號(hào)見圖7.圖7的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)分解得到的8個(gè)IMF，去掉高頻部分后，經(jīng)重構(gòu)得到圖8所示的波形圖，圖8與圖6（a）的ECG波形基本一致，這進(jìn)一步說明本文設(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集系統(tǒng)是切實(shí)可行的.

圖6 4名受試者的ECG波形圖Fig.6 ECG waveform s of four subjects

圖7 1號(hào)受試者的原始ECG信號(hào)Fig.7 Original ECG signal of No.1 subject

圖8 經(jīng)EMD重構(gòu)的信號(hào)波形Fig.8 Reconstructed signal waveform by EMD

3 結(jié)論

采用TI公司的24位高精度ADS1298芯片、G語言編寫的LabVIEW上位機(jī)以及性能穩(wěn)定良好的STM32作為核心控制器，設(shè)計(jì)了一套心電信號(hào)實(shí)時(shí)采集顯示系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)無線傳輸和波形圖實(shí)時(shí)顯示，為醫(yī)療診斷、病理檢測(cè)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).