基于ARM的心电检测系统设计.docx
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基于ARM的心电检测系统设计
基于ARM的心电检测系统设计
摘要
本文以ARM低功耗32位单片机STM32为控制器,设计了基于ARM的心电系统,系统主要由主控电路、电源管理电路、显示电路、按键电路、报警电路、GSM电路、心电采集电路、存储电路组成。
系统电路将微弱的心电信号经过放大滤波,得到具有诊断价值的心电信号,然后在TFT液晶上显示出心电波形和心率,当心率过快和过慢时报警并通过GSM模块发送信息到指定的手机,TF卡存储心电数据并可以回放心电波形,从而完成了能够在家庭使用的、便携式的、成本低的心电检测系统设计。
关键字:
GSM;STM32;心电波;TFT显示屏
Abstract
ARMlow-power32-bitMCUSTM32controller,designedARM-basedECGsystem,mainlybythemaincontrolcircuit,powermanagementcircuits,displaycircuit,keycircuits,alarmcircuits,GSMcircuit,ECGacquisitioncircuitmemorycircuit.SystemcircuitwillbeweakECGsignalafteramplifyingandfiltering,withthediagnosticvalueofECG,theECGwaveformandheartratedisplayedontheTFTLCD,alarmwhentheheartratetoofastandtooslowandbytheGSMmoduletosendinformationtospecifiedphone,TFcardstorageofECGdataandcanreturntorestassuredthatthewaveform,thuscompletingthatcanbeusedinthehome,portable,lowcostECGsystem.
Keywords:
GSM;STM32;ECG;TFTscreen
第1章引言
1.1背景
近些年来,随着社会的发展、科技的进步、生活水平的不断提高,人们的健康观念及保护健康的方式和途径都发生了深刻的变化,家庭医疗就是适应当前社会发展需要,将当代高新技术与临床医疗相结合的产物,并已成为当今世界医疗领域的研究热点。
家庭医疗实现医疗进入家庭,可以在家中对病人实施诊断、治疗、康复和保健。
家庭医疗符合现代社会日益老龄化、医疗费用日益高涨以及人们对身体健康标准不断提高的趋势,同时家庭医疗网络化可以提高边远地区的医疗水平。
因此,家庭医疗的发展具有强大的生命力。
心电图作为一种无创伤检查手段,经过大量的临床研究,证明对心脏肥大、心肌梗塞及其梗塞部位具有决定性的诊断价值,对某些心脏疾病,如心肌炎、心包炎、药物中毒等引起的心脏病变具有辅助诊断意义[7]。
1.2国内外研究动态及发展趋势
目前,国外一些发达国家己经在家庭式心电检测系统研究方面取得了卓越成就,并且还在以更高的速度进行改进和提高,例如SHAHAL公司的电话传输心电图监护系统、CardGuard公司的CardGuard系列心电监护系统、美国的HeartFAx、HeartMiror、HeartView系列心电监护系统、瑞典的CaliberTriggerMonito系统,这些设备己经投入市场使用多年。
我国在这个领域的研究是在90年代中期才刚开始起步,但经过近二十年的发展,在这方面的研究也已取得了很大进步,如珠海中立电子集团研究开发的院外心脏病集群监护系统、“护心神”电话传输心脏监护系统以及卡迪欧公司的“爱心”袖珍心电监护系统。
其中“爱心”袖珍心电监护系统还荣获第二届全国发明展览会金奖和第十五届日内瓦国际发明金奖和特别奖,并通过了ISO9002和欧洲CE等质量体系认证[7]。
综观当前心电检测仪器发展趋势,主要向以下几个方向发展[8]:
(1)数字化技术及其它先进技术的运用
运用先进的数字信号处理技术,使心电信号的处理速度及准确率得到充分保证。
(2)多导同步记录
多导同步记录心电检测设备,可以同步整体观察和测量多个导联在同一个心动周期的波形,从而提高分析各种测量参数的准确性,便于进行早搏定位,心律失常分析,预激综合症的分型、定位,宽QRS波心动过速的鉴别诊断。
现在真正同步12导联及正交变换18导联动态心电图机已应用于临床。
(3)自动测量和分析诊断功能的完善
目前市场上的心电图机种类较多,其中部分机型具有自动检测和分析诊断功能,但功能不是很完善。
因此,未来心电图机自动检测的内容将更详细、自动分析诊断功能也会更强大。
(4)远程医疗
以计算机技术和网络通信技术为基础,将心电数据进行远程传输,在远端对心电数据加以分析处理并提出诊断结果,从而实现远程医疗。
1.3设计要求
锂电池供电,有电源管理
心电检测电路频率范围:
0.05~100Hz
存储采集的心电数据
通过液晶显示出心电波形
通过GSM发送信息
第2章设计方案选择
2.1心电信号医学基础
心脏是循环系统中重要的器官,由于心脏不断地进行有节奏的收缩和舒张活动,血液才能在闭锁的循环系统中不停地流动。
心脏在机械性收缩之前,首先由心肌产生电激动,激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表,使体表不同部位产生不同的电位。
如果在体表放置两个电极,分别用导线连接到心电图机(即精密的电流计)的两端,那么就会按照心脏激动的时间顺序,将体表两点间的电位差记录下来,形成一条连续的曲线,这就是心电信号波形[9]。
2.1.1心电信号波形介绍
图2.1为正常心电图波形组成及测量示意图。
由图可见,在心电图纸上的每个小方格中,横格每小格代表0.04s,纵格每小格代表0.lmV。
基本测量参数包括心率(RR间期)、P波时限、PR(PQ)间期、QRS时限、QT间期、平均心电轴等。
除特殊要求外,振幅测量单位统一用毫伏(mV)表示,时间测量单位用毫秒(ms)或者秒(s)表示。
正常心电波形按顺序出现的是P波、QRS波及T波,其各波形间的间期有P-R间期、R-R间期、Q-T间期,分析各个波的幅值及各波形间间期的变化可为诊断各种心脏疾病或全身疾病提供依据。
P波:
最初产生的偏离基线的波被命名为P波,它反映心房除极过程的电位变化,代表了两个心房的去极。
QRS波:
是心室激活产生的最大的波,它反映心室肌除极过程的电位变化,其正常间隔是0.08s-0.12s。
典型的QRS波群是指三个紧密相连的波:
第一个为向下的Q波(这个波不一定总是出现),第二个为向上的R波,第三个为向下的S波。
QRS是广义的代表心室肌的除极波,并不是每一个QRS波群都具有Q、R、S三个波,一个单相的负QRS复合波被称为QS波。
P-R间期:
从P波开始到QRS复合波开始。
它反映心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限,正常间期是0.12s-0.20s。
测量是从P波的起点到QRS复合波的起点,P-R间期是房室传导时间的一种度量,因此在临床诊断上很有价值;
S-T段:
出现在QRS波群以后T波以前的一段平线,是左、右心室全部除极完毕到复极开始以前的一段时间。
其在诊断心肌梗塞(升高)和局部缺血(降低)方面的作用是非常重要的,S-T段可用作测量其它波形幅值的等电势线。
T波:
代表心室肌复极过程引起的电位变化,正常时T波的电压不超过0.4mV,临床上可根据其高度来诊断有无心室后壁心肌梗塞。
2.1.2心电信号形成原理
心脏由大量心肌细胞组成的一块心肌,整个心脏的退极化与复极化是许多心肌细胞退极化和复极化的结果。
心肌细胞除极和复极的电生理现象是心脏运动的基础,由于心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲,分别使心房、心室的肌肉细胞兴奋,令其有节律的舒张和收缩,这些运动导致在体表的不同部位呈现不同的电位差,通常从体表检测到的心电信号就是这种电位差信号。
为了研究方便和简化分析,可将心脏等效为处在容积导积中一个大小和方向都随时间变化的电极偶子,简称心电偶。
心电偶在某一个时刻的电矩就是所有心肌细胞在该时刻的电矩的矢量和,称为瞬时综合心电向量,简称心电向量。
人体内大小和方向不断改变的心电向量在体表各点均形成随时间变化的电势,这种变化的电势就是心电,其幅值范围是10uV-4mV,典型值是lmV。
2.2方案一
该方案是采用ARM芯片的控制方案,ARM芯片是基于RISC的32位的处理器采用的是哈佛结构,主要在嵌入控制、消费/教育类多媒体、移动领域使用,ARM处理器主要系列包括ARM7系列,ARM9系列,ARM10系列,ARM11系列,SecurCore系列、OptimoDE系列、StrongARM系列、XScale系列、以及Cortex系列。
ARM处理器的特点有:
体积小、低功耗、低成本、高性能
支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集、能很好的兼容8位/16位器件
大量使用寄存器,指令执行速度更快
大多数数据操作都在寄存器中完成
寻址方式灵活简单,执行效率高
指令长度固定
AMR处理器完成的系统设计见图2-2所示。
图2-2系统框图
2.3方案二
该方案是采用以8位的MCS-51单片机,它采用RISC和哈佛结构,主要资源包括:
CPU:
由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器。
RAM:
用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;ROM:
用以存放程序、一些原始数据和表格。
I/O口:
既可用作输入,也可用作输出。
T/C:
定时/记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式。
外部中断口:
来完成对外部事件的检测,提高系统的效率。
UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机与外部的通信。
片内振荡器和时钟产生电路,石英晶体和微调电容需要外接。
还有就是可以通过地址/数据口来完成扩展外部的RAM和ROM。
使用单片机(MCU)为主要的处理器件的系统设计框图见
图2-3所示。
图2-3系统框图
2.3方案选择
这两个方案在总体上是一样的,主要是使用的处理器不一样,但是实际处理的数据比较多,8位的单片机只能够勉强的完成功能,致使这个系统的性能下降;ARM控制类与MCS-51单片机在价格上相差并不大,同时ARM集成的资源能够很好完成相应功能,综合分析选择ARM来进行本次的设计。
第3章主要器件介绍
3.1主控制芯片STM32
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
按性能分成两个不同的系列:
STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz,是同类产品中性能最高的产品;基本型时钟频率为36MHz。
两个系列都内置32K到128K的闪存,不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时,从闪存执行代码,STM32功耗36mA,是32位市场上功耗最低的产品,相当于0.5mA/MHz。
STM32互连系列还提供与其它STM32微控制器相同的标准接口,这种外设共用性提升了整个产品家族的应用灵活性,使开发人员可以在多个设计中重复使用同一个软件。
新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s模数转换器(交错模式下2-Msample/s)、两个12位数模转换器、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口。
新产品外设共有12条DMA通道,还有一个CRC计算单元,像其它STM32微控制器一样,支持96位唯一标识码。
(1)复位和时钟
复位
STM32F10xxx支持三种复位形式,分别为系统复位、上电复位和备份区域复位。
系统复位,复位电路见图3-1所示。
时钟
三种不同的时钟源可被用来驱动系统时钟(SYSCLK):
HSI振荡器时钟
HSE振荡器时钟
PLL时钟
当不被使用时,任一个时钟源都可被独立地启动或关闭,由此优化系统功耗。
系统时钟(SYSCLK)选择
系统复位后,HSI振荡器被选为系统时钟。
当时钟源被直接或通过PLL间接作为系统时钟时,它将不能被停止。
只有当目标时钟源准备就绪了,从一个时钟源到另一个时钟源的切换才会发生。
在被选择时钟源没有就绪时,系统时钟的切换不会发生。
直至目标时钟源就绪,才发生切换。
时钟安全系统(CSS)
时钟安全系统可以通过软件被激活。
一旦其被激活,时钟监测器将在HSE振荡器启动延迟后被使能,并在HSE时钟关闭后关闭。
如果HSE时钟发生故障,HSE振荡器被自动关闭,时钟失效事件将被送到高级定时器TIM1的刹车输入端,并产生时钟安全中断CSSI,允许软件完成营救操作。
此CSSI中断连接到Cortex(TM)-M3的NMI中断。
(2)GPI0(通用和复用功能I/O)
每个GPI/O端口有两个32位配置寄存器(GPIOx_CRL,GPIOx_CRH),两个32位数据寄存器(GPIOx_IDR,GPIOx_ODR),一个32位置位/复位寄存器(GPIOx_BSRR),一个16位复位寄存器(GPIOx_BRR)和一个32位锁定寄存器(GPIOx_LCKR)。
所有端口都有外部中断能力。
为了使用外部中断线,端口必须配置成输入模式。
每个I/O端口位可以自由编程,然而I/0端口寄存器必须按32位字被访问(不允许半字或字节访问)。
GPIOx_BSRR和GPIOx_BRR寄存器允许对任何GPIO寄存器的读/更改的独立访问;这样,在读和更改访问之间产生IRQ时不会发生危险。
复位期间和刚复位后,复用功能未开启,I/O端口被配置成浮空输入模式。
下图3-2给出了一个I/O端口位的基本结构。
ADC(模拟/数字转换器)
STM32是12位ADC是一种逐次逼近型模拟数字转换器。
它有18个通道,可测量16个外部和2个内部信号源。
各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。
ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。
模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值值。
ADC主要特征:
12-位分辨率
转换结束,注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断
单次和连续转换模式
从通道0到通道n的自动扫描模式、自校准
带内嵌数据一致的数据对齐
通道之间采样间隔可编程
规则转换和注入转换均有外部触发选项
ADC转换时间:
STM32F103xx增强型产品:
ADC时钟为56MHz时为1μs(ADC时钟为72MHz为1.17μs)
ADC输入范围:
VREF-≤VIN≤VREF+
规则通道转换期间有DMA请求产生。
DMA(直接存储器)
直接存储器存取用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
无须CPU任何干预,通过DMA数据可以快速地移动。
这就节省了CPU的资源来做其他操作。
两个DMA控制器有12个通道(DMA1有7个通道,DMA2有5个通道),每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。
还有一个仲裁器来协调各个DMA请求的优先权。
DMA框图见图3-3所示。
DMA主要特性:
12个独立的可配置的通道(请求)DMA1有7个通道,DMA2有5个通道
每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求,每个通道都同样支持软件触发。
这些功能通过软件来配置。
在七个请求间的优先权可以通过软件编程设置(共有四级:
很高、高、中等和低),假如在相等优先权时由硬件决定(请求0优先于请求1,依此类推)。
独立的源和目标数据区的传输宽度(字节、半字、全字),模拟打包和拆包的过程。
源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。
支持循环的缓冲器管理
每个通道都有3个事件标志(DMA半传输,DMA传输完成和DMA传输出错),这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求。
存储器和存储器间的传输
外设和存储器,存储器和外设的传输
闪存、SRAM、外设的SRAM、APB1APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标。
可编程的数据传输数目:
最大为65536
USART(通用同步异步收发器)
通用同步异步收发器(USART)提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。
USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。
它支持同步单向通信和半双工单线通信,也支持LIN(局部互连网),智能卡协议和IrDA(红外数据组织)SIRENDEC规范,以及调制解调器(CTS/RTS)操作。
它还允许多处理器通信。
使用多缓冲器配置的DMA方式,可以实现高速数据通信。
3.2锂电池和电源芯片
3.2.1锂电池
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生,使用以下反应:
Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。
由于锂的化学特性非常活泼,使得锂的加工、保存、使用,对环境要求非常高。
所以,锂电池长期没有得到应用。
现在锂电池已经成为了主流。
锂电池的标称电压为3.7V,放电到3.0V时就要给电池充电,充电终止电压一般为4.2V。
其放电的曲线见图3-4所示。
3.2.2稳压芯片ASM1117
ASM1117是一个低压差电压调节器系列。
其压差在0.8V输出,负载电流为800mA时为1.2V。
ASM1117提供电流限制和热保护。
电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。
ASM1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252封装。
输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。
特性:
提供1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5V和可调电压的型号
节省空间的SOT-223和LLP封装
电流限制和热保护功能
输出电流可达800mA
线性调整率:
0.2%(Max)
负载调整率:
0.4%(Max)
温度范围:
ASM1117:
0℃~125℃
3.2.3负电压转换芯片LMC7660
LMC7660是小功率极性反转电源转换器, LMC7660的静态电流典型值为200μA,输入电压范围为1.5-10V,工作频率为10kHz只需外接10kHz的小体积电容,只需外接10μF的小体积电容效率高达96%合输出功率可达700mW(以DIP封装为例),符合输出100mA的要求,LMC7660引脚图见表3-1。
表3-1LMC7660引脚图
引脚号
引脚符号
引脚功能
1
NC
空脚
2
CAP+
储能电容正极
3
GND
接地
4
CAP-
储能电容负极
5
VOUT
负电压输出端
6
LV
输入低压电压控制端,输入电压低于3.5V时,该脚接地,输入电压高于5V时,该脚必须悬空。
7
OSC
时钟输入端
8
V+
电源输入端
3.2.4充电管理芯片TP4056
TP4056是一款完整的单节锂电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器。
其底部带有散热片的SOP8/MSOP8封装与较少的外部元件数目使得TP4056成为便携式应用的理想选择。
TP4056可以适合USB电源和适配器电源工作。
特点:
高达1000mA的可编程充电电流
无需MOSFET、检测电阻器或隔离二极管
恒定电流/恒定电压操作,并具有可在无过热危险的情况下实现充电速率最大化的热调节
精度达到±1%的4.2V预设充电电压
用于电池电量检测的充电电流监控器输出
自动再充电
充电状态双输出、无电池和故障状态显示
C/10充电终止
软启动限制了浪涌电流
待机模式下的供电电流为55uA
电池温度监测功能
采用8引脚SOP-PP/MSP-PP封装。
3.3GSM模块M12-D
M12-D模块是双频段GSM/GPRS模块,它的工作频段是:
GSM900MHZ和DCS1800MHZ。
M12-D支持GPRSmulti-slotclass12和GPRS编码格式CS-1,CS-2,CS-3和CS-4。
要了解。
M12-D是贴片式模块,机械尺寸为:
29mmx29mmx3.6mm,有64个管脚焊盘。
M12-D专为M2M应用设计,内嵌TCP/UDP,FTP,HTTP,SMTP等数据传输协议及扩展的AT命令,可以很方便地应用至M2M产品中,包括追踪器,智能仪表,无线POS机,安防,M2M,电信通讯,远程控制等等。
M12-D模块采用了低功耗技术,电流功耗在睡眠模式DRX=5下,低至1.1mA。
该模块完全符合RoHS标准,M12-D模块主要性能见表3-2。
表3-2模块主要性能
特色
说明
供电
VBAT3.4V–4.5V
省电
SLEEP模式下耗1.1mA@DRX=50.7mA@DRX=9
频段
·双频:
GSM900,DCS1800
·模块可以自动搜寻这些频率
·频段选择可以通过AT命令来设置
·符合GSMPhase2/2+
发射功率
·Class4(2W):
GSM900
·Class1(1W):
DCS1800
GPRS连接特性
·GPRSmulti-slotclass12(默认)
·GPRSmulti-slotclass1~12(可配置)
·GPRSmobilestationclassB
温度范围
·正常工作温度:
-35°C~+75°C
·受限工作温度:
-45°C~-35°C+75°C~+80°C1)
·存储温度:
-45°C~+85°C
GPRS数据传输特性
·GPRS数据下行传输:
最大85.6kbps
·GPRS数据上行传输:
最大85.6kbps
·编码格式:
CS-1,CS-2,CS-3和CS-4
·支持通常用于PPP连接的PAP(密码验证协议)协议
·支持通常用于CHAP(询问握手认证协议)协议
·内嵌协议:
TCP/UDP/FTP/HTTP/MMS/SMTP
·支持分组广播控制信道(PBCCH)
电路交换(CSD)
·CSD传输速率:
2.4,4.8,9.6,14.4kbpsnon-transparent
·支持非结构化补充数据业务(USSD)
短消息(SMS)
·MT,MO,CB,Text和PDU模式
·短消息存储设备:
SIM卡
传真(FAX)
Group3Class1和Class2
SIM卡接口
支持SIM卡:
1.8V,3V
天线接口特性阻抗
50欧姆
音频特性
语音编码模式:
·半速率(ETS06.20)
·全速率(ETS06.10)
·增强型全速率(ETS06.50/06.60/06.80)
·自适应多速率(AMR)
·回音消除
·回音抑制
·噪声抑制
串行接口
主串口:
·全功能串口
·用于AT命令,GPRS数据和CSD数据传输
·多路复用
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