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 ARM low-power 32-bit MCU STM32 controller, designed ARM-based ECG system, mainly by the main control circuit, power management circuits, display circuit, key circuits, alarm circuits, GSM circuit, ECG acquisition circuitmemory circuit. System circuit will be weak ECG signal after amplifying and filtering, with the diagnostic value of ECG the ECG waveform and heart rate displayed on the TFT LCD, alarm when the heart rate too fast and too slow and by the GSM module to send information to specified phone, TF card storage of ECG data and can return to rest assured that the waveform, thus completing that can be used in the home, portable, low cost ECG system. Keywords: GSM; STM32; ECG; TFT screen 摘要 1 Abstract 2 第1章引言 1 1.1背景 1 1. 2国内外研究动态及发展趋势 1 1. 3设计要求 2 第2章设计方案选择 3 2. 1心电信号医学基础 3 2. 1.1心电信号波形介绍 3 2. 1. 2心电信号形成原理 4 2. 2方案一 4 2. 3方案二 5 2. 3方案选择 6 第3章 主要器件介绍 7 3. 1主控制芯片STM32 7 3. 2锂电池和电源芯片 11 3. 2. 1锂电池 11 3. 2. 2 稳压芯片 ASM1U7 12 3. 2. 3负电压转换芯片LMC7660 13 3. 2. 4充电管理芯片TP4056 13 3. 3 GSM 模块 M12-D 14 3.4 LCD 控制芯片 ILI9325 15 3. 5仪用放大器AD620 16 3. 6 运放 0P07 16 第4章系统单元电路设计 18 4. 1主控器电路 18 4.2电源管理电路 19 4. 3按键电路 19 4. 4 液晶显示电路 21 4. 5心电采集电路 22 4. 5. 1右腿驱动电路 22 4. 5. 2前置放大电路 23 4. 5.3高通、低通滤波电路 23 4. 5.4 50Hz陷波电路 24 4. 5. 5主放大电路和电平抬升电路 24 4. 6存储电路 25 4. 7报警电路 25 4. 8 GSM 电路 25 第5章系统软件设计 26 5. 1软件结构 26 5. 2 GSM通信程序 26 5. 3液晶显示程序 28 5. 4心电数据处理程序 29 5. 5电源管理程序 30 第6章结束语 32 参考文献 34 附录 35 附录1：电路原理图 35 附录2： PCB板图 37 附录3： ECG波形图 39 附录4： 部分程序 40 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 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、Card Guard公司的Card Guard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CaliberTrigger Monito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 IS09002和欧洲CE等质量体系认证口 o 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［叫 (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 ① 锂电池供电，有电源管理 ② 心电检测电路频率范围：0.05〜100Hz ③ 存储采集的心电数据 ④ 通过液晶显示出心电波形 ⑤ 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回。 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O.lmV。基本测量参数包括心率 (RR间期)、P波时限、PR(PQ涧期、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-0.12so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-0.20so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ImV。 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，ARM 11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： ① 体积小、低功耗、低成本、高性能 ② 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集、能很好的兼容8位/16位器件 ③ 大量使用寄存器，指令执行速度更快 ④ 大多数数据操作都在寄存器中完成 ⑤ 寻址方式灵活简单，执行效率高 ⑥ 指令长度固定 AMR处理器完成的系统设计见图2-2所示。 TFT液晶显示 “ t 电源管 ARM —► GSM电路 理电路 处理器 按键电路一' A TF卡电路 I t 报警 心电采 电路 集电路 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