基于STM32芯片和TFT-LCD的便携式心电图仪设计

2017-12-27 20:00:16编辑:鲁迪 关键字:心电图  STM32  lcd

便携式心电图设备的出现使心电信号能够在更多场合进行采集,它既可以实现可移动化,又可以实时的对心电信号进行分析。通过内置大容量存储器件能够对患者进行长时间的实时监护,并记录患者的心电数据,通过USB接口与PC机进行数据传输,以提交到专业医疗机构做进一步分析和诊断。

1、系统整体设计概述

系统原理框图可以用图1表示。心电信号由电极获取,送入心电采集电路,经前置放大、主放大、高低通滤波、电平抬升后,得到符合要求的心电信号,并送入到STM32的ADC进行AD转换。为了更好地抑制干扰信号,在电路中还引入了右腿驱动电路。系统控制芯片采用STM32,TFT-LCD的触摸功能加上少量按键可以建立良好的人机交互环境,可以通过LCD实时显示和回放,采用SD卡可以存储24h的心电数据,数据通过USB可靠地传输到PC机,以便对心电数据做进一步的分析。

图1 心电图仪原理框图

2、系统主要硬件结构及电路

系统主要划分为三大部分:心电采集电路,主要完成心电信号的提取;带通滤波及主放大电路,用于调理采集到的信号,使之符合处理要求;STM32处理电路,完成心电信号的显示、分析、存储和数据传送功能。

2.1、心电采集电路

心电采集电路是整个便携式心电图仪的核心,直接决定整个系统性能的好坏。心电采集电路主要包括:输入缓冲及前置放大、右腿驱动、高低通滤波器、主放大和电平抬升。

体表心电信号的频率主要集中在0.05~100Hz,幅度为10μV~4mV,典型值为1mV,是一种低频率的微弱双极性信号。而STM32的ADC输入端电压范围是0~3.3V,因此需要对心电信号进行放大和电平抬升,总体放大倍数约为1000倍,然后再通过电平抬升电路抬高1V左右。心电测量中,实际的电极不可能完全对称,这样将会引起基线漂移现象,还有无处不在的电源工频干扰(50Hz),肌电干扰等,这些都要求心电前置放大器必须有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80dB以上。心电前置放大电路及右腿驱动电路如图2。(未画出放大器的正负电源)

图2  心电前置放大电路及右腿驱动电路

本设计选用INA118仪表放大器作为系统前置放大器,它具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输入阻抗等特点,它的增益可达1000倍,计算公式为G=1+50k/Rg。电极极化电压最大可达300mV,为了防止前置放大器进入截止或饱和状态,必须限制其放大倍数,这里增益取10,由G=1+50/Rg得出Rg=5.6kΨ,外部电阻Rg选用阻值为5.6kΨ的精密线绕电阻。由于人体的阻抗和心电电极阻抗非常大,所以在前置放大前设计了一级跟随作为信号缓冲。为了更好地抑制50Hz干扰,采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连,以降低人体的共模电压。

2.2、带通滤波及主放大电路


心电信号频带主要集中在0.05~100Hz,因此带通滤波器设计的带宽为0.03~110Hz以滤除干扰信号。带通滤波器用高低通滤波器来构成,如图3所示,基于小型化和成本考虑,硬件滤波只用一阶高通滤波器和一阶低通滤波器,虽然设计了右腿驱动电路,但是仍然有50Hz干扰进入电路,本文不再设计50Hz陷波器,而改为用软件的方法通过设计数字滤波器来滤除工频干扰。

图3  高、低通滤波电路

图3中高通滤波器由U5A、C4、R6组成,设置其截至频率为f=0.03Hz,低通滤波器由U5B、C5、R7组成,设置其截止频率为f=110Hz。

主放大电路要放大100倍左右,为更好地适应实际应用加入滑动变阻器使其倍数可调。心电采集电路处理后的波形如图4所示。

图4  示波器采集到的波形

从图4看出示波器采集到的心电波形比较干净,符合心电波形的特征,同时看到该波形还有一些波纹,即50Hz干扰存在,经过软件滤波可以消除这些干扰。

2.3、STM32处理器及主要接口电路


2.3.1、TFT-LCD液晶接口设计


选用320*240TFT液晶来显示波形,而用STM32的FSMC模块来控制液晶就非常合适。FSMC即灵活的静态存储控制器,它能够与同步或异步的存储器和16bit的PC存储器卡接口,其一大特色是访问外部设备的时序可编程:等待周期可编程、总线恢复周期可编程、输出使能和写使能延迟可编程、独立地读写时序和协议。这样就可以把液晶当做外部存储设备来使用,配置好读写及控制信号时序,只要指定指针就可以实现对液晶的读写访问。


2.3.2、SD卡接口与USB数据传输设计


SD卡有存储容量大、成本低、读写速度快的优点,正逐渐成为存储设备的主流。其访问方式有两种:SPI模式和SDIO模式。STM32有这两种模式的接口,本文选用SPI模式。接口电路如图5。

图5  SD卡接口电路

心电数据的存储对便携式心电图仪来说是必要的,本文在存储设计上实现了两个功能:一是支持24h心电数据存储;二是建立基于SD卡的文件系统,把心电数据存储为TXT文件格式。这样处理有一个优点,既可以用心电图仪的USB接口与PC机进行数据传输,也可以把SD卡拔下来用读卡器把数据读入PC机。

STM32内含USB模块,因此省去了外扩USB芯片,另外ST公司还提供了大量USB的实例,只需稍加修改就可应用到实际工程中,加快了开发进程。图6是USB读取SD卡中的数据截图。

图6 SD卡存储的心电数据

3、软件设计

软件采用功能模块化设计方法,通过分析,可以得到控制系统主程序和ADC中断程序的软件流程图,主程序主要完成图形菜单和波形绘制。ADC中断服务子程序完成电压的采集和标志位的传递。图7为绘制心电波形流程图,图8为ADC中断程序流程图。ADC设置为外部触发。DrawEcgflag是画图标志位,Savefalg是存储标志位。

图7  绘制心电波形程序流程图

图8  ADC中断子程序流程图

4、测试结果分析

将三个电极的一端分别接到人体的左右臂和右腿,令一端接入采集电路的三个输入端,在采样频率200Hz时的波形如图9所示。

图9  采样频率200Hz时液晶显示的波形

从图9中TFT液晶显示的波形看出,该心电图仪显示波形清晰、稳定,波形特征明显,能够满足实际应用的需要。

5、小结

采用STM32作为主控芯片,其内部包含丰富的功能模块,拥有标准和先进的通信接口,无需外扩芯片即可完成心电信号的采集、存储和数据通信。使得整个心电图仪具有体积小、功耗低的特点。满足了便携式设备的基本要求。实验表明该系统达到了预期效果。随着心血管疾病的发病率不断地逐年上升,这种便携式心电图仪具有很高的应用价值和良好的市场前景。


关键字:心电图  STM32  lcd

来源: 互联网 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_201712278352.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:超微创技术!软体机器人问世,用处超出你想象
下一篇:不只嗅探粪便样本味道,电子鼻还可检测肠道疾病

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

吴恩达进军AI医疗领域:通过心电图可判断患者是否心律不齐

  近来,一组由吴恩达博士带领的斯坦福研究人员开发了一个新的机器学习模型,通过心电图来判断患者是否心律不齐,其效果甚至已经超过了人类专家。下面就随网络通信小编一起来了解一下相关内容吧。  这一可自动作出诊断的新方法对于日常医疗意义重大,它可以帮助人们对可能致死的心律不齐的症状做出更好的判断,防患于未然。此外,它还能够在医疗资源较为匮乏的地区提供良好的医护服务。  看来吴恩达从百度离职以后加入Drive.ai,也对人工智能在医疗上的应用产生了兴趣。吴恩达进军AI医疗领域:通过心电图可判断患者是否心律不齐  近年来,科学家们已经发现了通过分析医疗影像,机器学习在治疗诸多疑难杂症中所发挥的宝贵价值,如皮肤癌、眼科疾病和乳腺癌。  “看到
发表于 2017-07-17 14:49:31
吴恩达进军AI医疗领域:通过心电图可判断患者是否心律不齐

疑似三星下代Gear S2手表曝光 可检测心电图

    今日上午,专注手机科技和性能分析的知名微博爆料人士@I冰宇宙刚刚在微博上曝光了三星下一代Gear S2智能手表,并称搭载三星独家的生物处理器,可检测心电图、体脂肪等。 疑似三星下代Gear S2手表曝光 可检测心电图   虽然目前尚不清楚三星下一代Gear S2智能手表的其他配置信息和功能,但三星下一代Gear S2智能手表将兼容iOS平台。 疑似三星下代Gear S2手表曝光 可检测心电图 疑似三星下代Gear S2手表曝光 可检测心电图 疑似三星下代Gear S2手表曝光 可检测心电图 疑似三星下代Gear S2手表曝光 可检测心电图     值得一提的是
发表于 2016-01-20 11:55:25

基于LabView编程实现的胎儿心电图仪系统

  1 前言   虚拟仪器是机技术与仪器相结合产生的一种新型仪器模块,它通常是由计算机、模块化的功能硬件与带有数据处理、过程控制的可视化软件构成。本系统使用NI公司出品的LabView6.1图形语言编程实现。LabView采用图标代替传统的文字代码实现编程,图标代表的程序模块都是NI公司开发的成熟程序模块,因此,采用LabView编程可以大大提高系统开发效率。   胎儿监护及围产期监护是产科中一项重要的监护措施。常用的胎儿监护方法有:超声多普勒监护、胎心音监护和胎心电监护。其中,胎儿心电监护因其从母体腹部提取胎儿心电信号,对母体和胎儿无创,特别是能同时观察胎儿心电图,其优点明显,是产科常用的诊断方法。   虽然腹部心电
发表于 2015-04-21 10:25:49

用于最新动态心电图仪制造

希腊研究与技术中心(CERTH)的科研人员Katsigiannis与帕特雷的计算机技术研究所科研人员Hatziyannaki最近共同研发出一种新型测录电子卡,可用于制造超小型动态心电图仪(Holter)。根据这项技术所研制的新型动态心电图仪将具有许多突出优点。它不但体积小、重量轻、消耗电力很少,而且信号质量优异,具有良好的保真度和无线传感功能。它将具有GPS功能,可通过Wi-Fi手机或PC无线通信设备即时向医疗团队或医生自动报警。在检测心脏节律时,它只捕捉心律异常情况而不是正常心率。该仪器重量只有90克,便于携带,不影响病人的活动。无需显示器和打印机,获取的心电图可通过 USB连接到任何一台计算机进行测量阅读、存储、处理或者发送给
发表于 2013-12-14 10:16:33
用于最新动态心电图仪制造

心电图机USB借口的热敏打印控制系统

    心电图机是描记心脏组织活动所产生的生物电信号以及现代医学科学研究和l临床诊断中使用非常广泛的一种精密电子医疗仪器。由于它诊断可靠,操作简便,对病人无损伤,故在临床上得到广泛的应用,而作为心电图检测结果直观的输出方式和手段,心电图机微型打印机是必不可少的。    目前,医院中使用的多为传统机械式心电打印机,存在着打印效率低、噪声污染严重、心电波形失真等缺点。近年来uSB技术有了飞速的发展,很多台式打印机已经应用了该技术。但是采用USB接口技术的心电图机热敏打印机却很少。本系统就采用了USB接口与心电图机相连,同时也可以与PC心电图机进行连接打印。 1 心电图
发表于 2013-11-08 12:02:10
心电图机USB借口的热敏打印控制系统

基于单片机的便携式心电图仪的研究

1 引言       随着我国城市人口老龄化程度的加快,随着物质生活的改善,心血管、心脏病一类疾病也在不断的增长,人们对这一类疾病的预防和诊断的需求也在增长。因此,人们希望有一种医疗仪器,能够在家里随时随地进行心电图信号的测量,并且把心电图信号记录下来,做大概的判断,在方便的时候到医院让医生作进一步的诊断。对于情况严重的患者或行动不便的人,希望能够利用网络通信的先进技术,立即把测量的心电图信号通过远程传送的方式,传送到指定的医院由医生进行诊断。作为一个医生,在门诊和查病房时,也希望有一个可以随身携带的心电图仪器,方便疾病的快速诊断。    
发表于 2013-09-29 14:49:10
基于单片机的便携式心电图仪的研究

小广播

About Us 关于我们 客户服务 联系方式 器件索引 网站地图 最新更新 手机版

站点相关: 医学成像 家庭消费 监护/遥测 植入式器材 临床设备 通用技术/产品 其他技术 综合资讯

北京市海淀区知春路23号集成电路设计园量子银座1305 电话:(010)82350740 邮编:100191

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved