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医疗综合类论文 可穿戴式心电监护系统的设计

2018-12-10 10:11:25来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要:心脏疾病已成为严重威胁人类生命健康的主要疾病之一。便携式心电监护设备可以有效的监测人体心电信号,并未临床治疗提供有效数据手段。本文提出了一种可穿戴式个人心电健康监护系统硬件设计方案。本系统采用TI公司推出的用于生物电势测量的低功耗8通道,24位模拟前端的ADS1298集成芯片进行ECG信号的前端数据采集,并通过SPI端口实现STM32单片机对ADS1298的控制和数据通讯,并通过TI公司的CC2541蓝牙4.0模块将数据传送至智能手机上进行实时显示和处理。

  关键词: ECG采集,ADS1298,STM32单片机,蓝牙4.0

 

  1 绪论

  1.1 课题研究的背景

  心血管疾病越来越成为危险人们身体健康的重大疾病之一。为了有效的治疗心血管疾病,人们设计了各种监测和治疗心血管疾病的医学仪器,目前医院治疗的监测心脏生理变化的仪器已经相当繁杂,功能也相当完备,市场上的家庭是医疗也是琳琅满目。比如力康爱心宝快速心电检测仪,迈瑞公司的PM-9000,以及医院的多参数心电仪等等,这些仪器设备都有体积较大,功耗较高,不方便于随身携带的不足,同时这些设备的实时监测以及数据的及时通讯方面存在极大的的不足。为了实时监测人体心脏的生理变化,并将数据实时的传送至医护人员的监控终端,设计一款便携式可穿戴的心电监护系统为心血管疾病的早期预警提供依据成为当前医疗设备发展的必然趋势。针对以上背景本文设计了一款基于ADS1298和以STM32为平台的便携式心电监护系统。相较于传统的心电采集系统,本文设计大大缩小了系统的体积和功耗,具有小体积,超低功耗,高度集成化等特点,很好的满足了可穿戴便携式设计的基本要求。并且该系统内置蓝牙4.0模块,以实现手机终端与系统的信号通讯,为心电信号的后续处理提供了便利手段。

  1.2 人体心电信号的导联和采集方式

  人体心电信号的采集是该系统的核心部分。人体心电信号的前端采集包括了人体电极的导联方式和前端模拟信号的处理。人体心电信号的导联方式,目前普遍采用的是国际标准导联方式,本文设计为了达到可穿戴便携式的设计要求,采用的是单极胸前导联方式。本文心电信号的采集,是使用TI公司提供的集成模拟前端生物电采集的ADS1298芯片,人体心电信号通过调理电路输入ADS1298模块,通过ADS1298的输出端得到一个心电数字信号。该芯片大大减小了传统电路所需要的前端模拟处理电路部分,并且极大的降低整个系统的功耗,是该系统具备了便携式和长续航能力。

  1.3本课题研究的目的与主要任务

  针对传统心电信号采集系统和现有的家电心电医疗设备的不足,本文设计了满足超低功耗,便携式,可穿戴式以及实时检测的便携式心电监护系统。本设计的具体任务如下:

  (1)设计以ADS1298为核心前端心电信号的采集模块,该模块主要具体对心电信号的采集功能。

  (2)设计以STM32F103RCT为核心的微控制器模块,该模块主要完成对ADS1298芯片的控制以及心电信号的进一步处理和完成蓝牙无线传送数据等。

  (3)实现微控制器对ADS1298芯片的控制和通信,设计基于CC2541蓝牙模块的电路设计,并完成蓝牙数据的传送,实现单片机与智能手机之间的实时通讯功能。

  2 系统硬件电路设计

  2.1 硬件系统整体框图

  根据人体心电信号的基本特征,为了获得干净的人体心电波形图,心电信号的前端硬件采集系统的设计应满足如下几个最基本的要求:1)高输入阻抗;2)高共模抑制比;3)低噪声,低漂移;4)宽频域,强抗干扰能力。传统的电路设计主要包括了:前置放大处理电路,高通滤波处理电路,50Hz陷波处理电路,低通滤波处理电路,后置放大处理电路,电平抬升处理电路以及单片机处理等模块组成。传统的设计电路可以实现心电信号的前端采集,但是由于需要多模块组成,系统体积较大功耗较高,很难于满足可穿戴式便携式设备超低功耗和很小体积的基本要求。而采用TI公司推出的用于生物电势测量的低功耗8通道,24位模拟前端的ADS1298集成芯片进行ECG信号的前端数据采集就可以很好的解决这个问题。因此本文选择了一种基于ADS1298和STM32F103的心电采集硬件系统设计。该系统主要由STM32主控模块,CC2541蓝牙4.0信号发送模块,ADS1298信号采集模块以及电源供电模块4部分组成。硬件系统整体框图如2.1所示:

  图2.1 硬件系统整体框图

  2.2 信号采集模块电路设计

  2.2.1 信号调理电路

  根据心电信号的特征,在人体电极导联输入至ADS1298模块之前设计加入无源的低通滤波电路,以滤除人体引入的高频噪音。信号调理电路图如下图2.2所示。

  图2.2 信号调理电路

  2.2.2 ADS1298模块电路

  ADS1298 是一款同步8 路、24 bit AD 转换器[4]。本系统采用TI公司推出的用于生物电势测量的低功耗8通道,24位模拟前端的ADS1298集成芯片进行心电信号的模拟前端采集,该芯片是TI公司专门为心电信号和脑电信号采集所集成设计的,使用该芯片大大减小了该系统的体积和功耗。ADS1298心电采集电路图如图2.3所示:

  图2.3 ADS1298心电采集电路图

  2.3 STM32微控制器最小系统设计

  本文选择的是一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的STM32F103RCT微控制器,STM32F103微控制器的最小系统原理图如图2.4所示

  图2.4 STM32最小系原理图

  2.3.1蓝牙接口

  本文使用的是济南华茂科技提供的蓝牙串口模块 BT-05。蓝牙与单片的通讯是通过微控制器的串口部分直接连接,其中将单片机的PA9和和PA10分别设置为信号的接收和传送。其电路蓝牙接口电路如图2.5所示。

  图2.5 蓝牙接口电路

  2.3.2 SPI接口

  STM32F103RCT与ADS1298的通信为SPI串行接口方式,本文的电路设计将STM32F103RCT微控制器的PB12,PB13,PB14引脚配置为SPI通信模式,实现对心电提取模拟前端器件ADS1298的控制和信号的通信。SPI通信接口如图2.6所示。

  图2.6 SPI通信接口

  2.3.3 JTAG仿真接口的设计

  为方便程序的下载和仿真,本文设计的最小单片机系统采用是JTAG接口进行程序的下载和调试。通过USB接口有微控制器的仿真器进行连接调试。接口电路设计如图2.7所示。

  图2.7 JTAG仿真接口电路

  2.4 蓝牙通信接口电路设计

  本系统采用的是TI公司提供蓝牙4.0芯片CC2541为基础的济南华茂科技提供的蓝牙串口模块 BT-05。该模块具有体积小集成度高并且其已经固化了蓝牙的传送协议,完全兼容RX232转串口协议。因此作为系统的前期设计调试部分使用该模块大大节约的系统的开发周期,并且由于其体积小功耗低基本不会影响系统的可穿戴式和低功耗特点。该模块的蓝牙设计电路如下图2.8所示。

  图2.8蓝牙设计电路

  2.5系统电源设计

  本文的硬件系统都是采用锂电池正单电源供电,给系统提供+5.0V电源和3.3V电源。并且设计了ADS1298的外部参考电压,以供编程选择使用。电源供电采用的是TI公司提供的REF50XX系列和TPS7323X系列。其中ADS1298外部参考电压电压设计如下图2.9所示,锂电池供电电路如下图2.10所示。

  图2.9 ADS1298外部参考电压设计电路

  图2.10 锂电池供电电路

  3 系统软件设计

  3.1系统软件结构

  本文设计的心电采集硬件系统的为控制器软件部分主要分为:ADS1298数据采集模块;STM32微控制器核心控制主程序部分;蓝牙4.0通讯部分。控制主程序通过响应中断以及对各功能模块子程序的调用来实现系统的整体功能,具体包括系统及各功能模块的初始化,8通道心电信号的采集,存储,传输,导联脱落检测报警等。终端控制程序流程图如图3.1所示。

  图3.1 系统软件终端控制图

  系统复位上电后,系统开始工作,首先完成STM32微处理器的初始化,包括时钟模块,通用I/O口,串行模块以及ADS1298模块的初始化和蓝牙模块的设置。初始化成功后,开启中断。主程序首先利用ADSl298的供电测量功能对锂电池的电量情况进行检测,若电量不足则向上位机报警。电量检测结束后,主程序进入主循环,接收ADSl298采集获得的心电数据。

  3.2 STM32主控制程序设计

  系统上电以后,首先配置STM32的系统时钟、配置引脚,SPI模块以及蓝牙模块部分程序的初始化。然后接收来自ADS1298的数字化心电数据,再依次传输至蓝牙模块。程序系统初始化包括:时钟初始化,引脚设定,SPI模块初始化和蓝牙模块通讯设置等,其简略流程图如下图3.2所示。

  图3.2 STM32系统初始化程序流程图

  ADS1298_COM_PORT_Init(); //ADS1298端口初始化函数

  SPII2_Init(); //SPII的初始化

  ADS1298_CMD_Operation(); //ADS1298命令操作函数

  MYDDMA_Config(DDMA31_CChanBnel7,(u32)&UUSART1->DR,(u32)dataetemp,37);//DMAA1通道0,外设为串口4,存储器为SendBBuff,长度

  if(USAART_RX_STA&0x8000)

  len=USAART_RX_STA&0x3FFF;//得到此次接收到的数据长度

  printf("采样率2为%s\r\n",USAART_RYX_BIUF);

  if(USARWT_RX_BUF[t]>'9'||USATRT_RX_BUF[t]<'0')

  USUART_RXY_STA=0;

  Prin1tf("输入错误,请重新输入采样率2:\r\n");

  3.3 ADS1298数据采集程序设计

  STM32微控制器通过SPI方式实现与ADS1298之间的通信和控制。SPI通讯是通过移位寄存器的方式将控制器写信号和ADS1298的数据读出,从而实现单片机与目标芯片之间的通讯。一般SPI接口会有四个接口:MISO,MOSI,SCLK和CS。

  ● MISO:主设备输入/从设备输出引脚。

  ● MOSI:主设备输出/从设备输入引脚。

  ● SCK:串口时钟,主设备的输出,从设备的输入。

  ● CS:片选信号。具体的程序流程图如下图3.3所示。

  图3.3 ADS1298系统初始化程序流程图

  ADS1298模块子程序包括两个函数:ADS1298初始化函数:ADS1298_COM_PORT_Init();ADS1298命令操作函数:ADS1298_CMD_Operation()。两个函数的具体实现如下:

  ADS1298_CMD_Operation()函数实现核心部分代码:

  SPI_FLASH_SendByte(0x11);

  ADS1298_Recieve_Data(0x20 + Addr_ID,1,d);

  d[0] = ads1298_rate; // Multiple readback+500SPS

  ADS1298_Send_CMD_Muti(0x40+Addr_CONFIG1,1,d); // 配置寄存器

  d[0] = 0x12; // INT_TEST内部测试信号+ (-2X测试信号)+Fclk/2.048M

  ADS1298_Send_CMD_Muti(0x40+Addr_CONFIG2,1,d); // 配置寄存器

  // 内部参考+2.4V+RLDREF(AVDD-AVSS)/2+RLD buffer允许+RLD检测允许

  d[0] = 0xCC;

  ADS1298_Send_CMD_Muti(0x40+Addr_CONFIG3,1,d); // 配置寄存器

  d[0] = 0x03; // (7.5%/92.5%)+Pull-up/pull-down mode+DC lead-off detection turned on

  ADS1298_Send_CMD_Muti(0x40+Addr_LOFF,1,d);

  //d[0]=0x10;d[1]=0X10;d[2]=0X10;d[3]=0X10;d[4]=0X10;d[5]=0X10;d[6]=0X10;d[7]=0X10;// 1倍增益+正常导联输入

  //d[0]=0x20;d[1]=0X20;d[2]=0X20;d[3]=0X20;d[4]=0X20;d[5]=0X20;d[6]=0X20;d[7]=0X20;// 2倍增益+正常导联输入

  //d[0]=0x30;d[1]=0X30;d[2]=0X30;d[3]=0X30;d[4]=0X30;d[5]=0X30;d[6]=0X30;d[7]=0X30;// 3倍增益+正常导联输入

  //d[0]=0x40;d[1]=0X40;d[2]=0X40;d[3]=0X40;d[4]=0X40;d[5]=0X40;d[6]=0X40;d[7]=0X40;// 4倍增益+正常导联输入

  //d[0]=0x50;d[1]=0x50;d[2]=0x50;d[3]=0x50;d[4]=0x50;d[5]=0x50;d[6]=0x50;d[7]=0x50;// 8倍增益+正常导联输入 d[0]=0X60;d[1]=0X60;d[2]=0X60;d[3]=0X60;d[4]=0X60;d[5]=0X60;d[6]=0X60;d[7]=0X60;

  // 12倍增益+正常导联输入

  ADS1298_Send_CMD_Muti(0x40+Addr_CH1SET,8,d);

  SPI_FLASH_SendByte(0x10);//RDATAC

  3.4 蓝牙数据传送程序设计

  本文设计采用BT-05蓝牙通信模块,STM32F103通过DMA方式将从ADS1298接收到的数据传送至串口(UART),再通过 UART接口与蓝牙模块进行连接,实现RS232通信协议与蓝牙通信协议的转换,最后将数据传送至智能手机终端,实现通信。

  蓝牙传送中断服务接收程序流程图如下图3.4所示。

  图3.4 蓝牙传送中断服务程序

  本部分包含的函数主要有串口初始化函数:void ua1art_ig1nit(u32 bo1und);串口中断处理函数:void USAART1_IRQGHan1dler(void);DMA开启传送函数:void MYDMMA_Enable(DUMA_Chca1nnfel_TypeDRef*DMA_CHx);

  蓝牙传送DMA传送中断核心部分代码如下:

  DMA_CEmd(DWMA_CHx, DISKABLE ); //关闭USAR1T1 TX1 DMA1 所指示的通道

  DMA_SRetCurrDHataCounter(DMA1_CHhannel7,DMA1_MEM_LEN);//DMA通道的DMA缓存的大小

  DMA_CYmd(DMA_CHx, ENKABLE); //使能USARYT1 TX DMA1 所指示的通道

  4 系统测试

  4.1 测试准备

  函数发生器,数字万用表,数字示波器,连接线若干

  4.2 测量方法与结果

  4.2.1输入阻抗测量

  1)测量标准:根据人体心电信号的高输入阻抗性,系统的输入阻抗至少应达到几兆欧姆以上,当输入一个10HZ的正弦波时,典型值一般应该大于3。

  2)测量方法:未串电阻时在系统输入端加上一个合适的输入电压,此时测得硬件系统输出端电压为;然后在系统两路输入端分别串入一个适当的电阻,此时测的硬件系统的输出端电压为。有,可得输入阻抗为。

  3)测试数据及测试结果

  表4.2.1 输入阻抗测量表格

  通道数Uout1(mV)Uout2(mV)Zin(MΩ)15.0014.7039.3225.0234.7109.2534.9984.6999.2245.0124.7068.8955.0214.7099.1564.9994.7018.9975.0114.7089.1785.0134.7099.18

  4.2.2共模抑制比测量

  测量标准:根据人体心电信号的特征,系统硬件的输入共模抑制比应至少达到80dB以上。

  测量方法:分别向各个输入通道输入一个Vin=2V,50Hz的共模测试信号,然后通过单片机得到数据信号通过DAC转化记录输出电压Vout,利用如下共模抑制比公式(1)计算结果:

  (1)

  表4.2.2共模抑制比测量表格

  通道数Vin(v)Vout(uv)CMRR(dB)123.28114222.05119321.97120423.29116521.64121621.34122721.26124821.01126

  4.2.3功耗测量

  测量方法:采用数字万用表,测量电池供电的电流。则可得硬件电路消耗功率为,单片机模块消耗功率为,即可得到消耗的总功率为。

  表4.2.3 功率测试表格

  测量模块电源电压(V) 测量值(mA)功耗总功耗测量值1(mA)测量值2

  (mA)测量值3

  (mA)测量平均值

  (mA)硬件模块供电电流电流

  2.4

  2.15

  2.14

  2.13

  2.14

  7.944

  27.13单片机模块的供电电流 3.65.335.325.345.3319.188

  5 总结与展望

  5.1 总结

  本设计在比较了其他心电信号的模拟前端采集设计方案和心电信号产生以及其本身特点基础的原理下,同时比较了传统心电信号采集的不足与优点,完成了一种基于ADS1298和以STM32微控制器为平台的心电信号前端采集和处理。实现了便携式,超低低功耗,可穿戴式系统的基本要求。该系统采用了TI公司提供的用于生物电势测量的低功耗8通道,24位模拟前端的ADS1298集成芯片进行ECG信号的前端数据采集,有效的减小了采集系统的模块体积以及功耗,同时使用STM32F103嵌入式平台,STM32微控制器的处理能力大大强于其他微控制器的处理能力。通过模拟信号的测试,该系统基本实现了预设的功能。

  本设计主要包含了如下三个关键的设计部分:

  采用TI公司提供的专门为采集人体生物电信号的前端模拟信号的集成芯片ADS1298,该芯片大大减小了传统心电信号采集所需的电路模块,从而实现了小体积便携式可穿戴式的基本要求,并且大大减小了系统的功耗,为电池供电以及系统的续航能力提供了有力的保障。

  采用一种基于ARM Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的STM32F103RCT微控制器[11]作为前端信号的处理器,大大加强了系统的处理的能力和处理速度,改微控制器的强处理能力为后续系统的升级改造奠定了一定的基础和空间。

  采用蓝牙4.0作为系统与手机通讯的无线传送模块。蓝牙4.0作为智能手机必备的通信方式,通过蓝牙的传送方式解决的心电信号移动终端信号的传送问题。为后续信号的处理与观察奠定了一定的基础。

  5.2 展望

  尽管本文设计基本完成了该系统设计的基本要求,但依旧还存在许多不足之处。比如心电信号前端采集数据的处理存储部分不足,心电信号蓝牙4.0传送的实时性不足,以及心电信号的数字滤波部分还有待完善以提高信号的洁净性等。由于设计时间有限,本系统还有许多不完善的地方有待提高:

  进一步优化系统PCB板的布局,进一步减少系统体积,并且预留出其他功能设计的接口,为后续系统的设计改造提供空间。

  设计加入前端的数据存储模块,提供历史回放数据,为医生诊断提供依据。

  进一步优化微控制器的处理代码,优化信号的数字滤波部分,以及优化蓝牙无线传送部分代码,以更好的提供心电信号传输的实效性。

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