基于无线WiFi的十二导联心电采集系统设计_黄一清.pdf

|3电子电路设计与方案0 引言心血管疾病为影响人类健康的常见疾病，相关研究表示其患病率会随年龄呈现递增。作为无创检查手段，目前心电图检测已成为心血管疾病诊断领域中首要的检测方式，对于常见心律失常、房室病变、心肌梗死等病症有着极为重要的医学参考价值1。随着研究的深入，现如今心电检测设备更多地往结构紧凑化、插件模块化、交互灵活化和产品网络化等方向发展2。其中产品网络化更是随着无线技术的快速提升步入发展快车道，为远程医疗服务提供可能3。本文设计了一款十二导联心电采集系统，在采集人体心电信号的同时能够实现无线传输，具有移动便巧、传输稳定等特点。1 系统总体设计系统总体框架如图 1 所示，主要涉及按键控制、信号采集、主控模块、通信模块和显示打印用于实现心电信号的采集、处理和显示等。本设计通过标准 12 导心电导联线完成心电信号采集，由 STM32F401RCT6 构成主控模块、USR-C210 作为无线 WiFi 模块。根据信号流向，所采集的信号经导联选择、前置放大、定标设定、滤波处理、基线调整和灵敏选择后送至 32 位微控制器，并通过液晶或预定协议组包由 WiFi 传输至上位机两种方式进行显示。2 系统硬件设计 2.1 主控模块设计基于微型化、低功耗考虑，本系统采用 ST 公司基于ARM Cortex-M4 内核开发的 32 位微控制器 STM32F401RCT6作为硬件控制、数据处理及信号传输的核心部件。其工作电压为 1.73.6V，内含基础时钟模块、12 位 ADC、16 位/32位计时器以及通信接口外设等。如图 2 所示，系统中心电信号由 PA0/ADC0 管脚输入，采样率选择 512Hz，PB3PB8管脚用于键控扫描，PB12PB15 管脚作为步进电机驱动，PC0PC15 连接 3.5 英寸 TFT LCD 数据端。2.2 采集模块设计心电信号源于心脏活动过程中心肌与神经电活动的综合作用，其呈现信号频率低、随机性强、噪声背景大等特点。心电信号频率范围主要为 0.05100Hz，并多集中在0.0540Hz 频段4。因此信号处理电路设计对于整个心电采集系统显得尤为重要。本系统支持十二导联心电图采集，能完整反映心脏水平面和额面状况。2.2.1 输入缓冲电路如图3所示，所采集的心电信号首先经过输入缓冲电路，该电路由高压保护电路（A1A9）、高频滤波电路（R1R9、C1C9）、低压保护电路（D1D9）和电压跟随器（U1U9）构成，其中高压低压保护分别在 75V、0.7V 左右。2.2.2 导联选择电路导 联 选 择 电 路 主 要 由 U10U13 4 块CD4051 芯片构成，配合威尔逊网络实现心电导联切换。CD4051 为单端 8 通道多路开关，其输出受通道选择输入端（C、B、A）和禁止输入端（INH）控制，前者连接单片机 PB0PB2，后者连接 PB10 管脚，在单片机接受导联选择按键命令后通过上述管脚给出相应信号分别送至芯片通道控制端和禁止输入端。本系统中 U10、U11 实现标准、加压肢体和 V1 导联选择，U12、U13 则实现基于无线 WiFi 的十二导联心电采集系统设计黄一清（苏州高等职业技术学校（江苏联合职业技术学院苏州分院）电子工程系，江苏苏州，215009）摘要：针对心电检测在心血管疾病诊断中的应用需求，设计一款基于无线WiFi的心电采集系统。该系统通过标准12导心电导联线完成心电信号采集，由STM32F401RCT6构成主控模块、USR-C210作为无线WiFi模块，并设计有按键控制、打印显示等功能，具有采集速度快、数据准确度高、电路性能稳定等优点，同时可将用户心电采集数据上传至远程接收端用于医学研究和辅助诊断，为远程医疗奠定一定基础。关键词：无线WiFi；心电采集系统；十二导联图 1 系统总体框图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.11.0144|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案V2V6 导联选择。2.2.3 前置放大电路本系统由 INA118U 实现前置放大，该芯片为美国德州仪器公司生产的低功耗精密仪表放大器，共模抑制比可达 110dB，增益2324511GRR=+，为避免工作于饱和或截止区 G 设定为 20。定标电路可用于整机增益校准，主要由9014 管、TL431ACD 和可调电阻构成，通过调节 VR1 获得1mV 定标信号。2.2.4 滤波处理电路根据心电信号频率特点，本系统设计的滤波电路主要包括 50Hz 陷波器、二阶高通滤波器和二阶低通滤波器。50Hz 工频干扰滤除采用双 T 型有源陷波器，高通和低通滤波器选用压控电压源式，其中高通滤波截止频率设计为1314313210.032HfHzC C R R=，低通滤波截止频率为1516333411002LfHzC C R R=。2.2.5 增益调节电路增益调节电路由 U17 TL062ACD 构成的反相输入比例运算放大器构成，增益40335RVRGR+=，通过可调电阻 VR3可实现增益大小调整。电路中 VR2 为心电采集系统基线调节旋钮，可保障基线位于适当位置，且保证后续模数转换不出现负峰失真。图 2 心电采集系统主控及相关电路图 3 信号处理电路|5电子电路设计与方案2.2.6 灵敏选择电路本系统灵敏度可选择 1/2、1、2，同样由反相输入比例运算放大器构成。灵敏度选择按键按下时单片机 PA5、PA6管脚产生GAIN1、GAIN2信号给到U18芯片。U18为双单刀单掷开关，当GAIN1、GAIN2为“00”时，仅R42电阻接进电路增益42412RGR=；“10”时，增益424341/1RRGR=；“11”时，增益42434441/12RRRGR=。2.3 通信模块设计WiFi 是一种基于 IEEE802.11 系列协议标准实现的无线通信技术，可实现个人电脑、手持设备等终端无线互联，相较蓝牙等技术具备覆盖范围广、传输距离长等优势5。本系统选用 USR-C210 实现数据传输，该模块内置低功耗运行机制，支持 WiFi2.4GHz 802.11b/g/n 无线标准，可 AP、STA 和 AP+STA 三种方式配网，实现 UART 转 WiFi双向透传功能。系统采用 STA 模式 TCP-Client 通信，由STM32F401RCT6 单片机通过串口发送 AT 指令完成通信模块初始化，其中 USR-C210 芯片 UART_TX、UART_RX 管脚与单片机 PA2/U2_TX、PA3/U2_RX 管脚交叉连接。3 系统软件设计 3.1 总体程序设计心电采集下位机软件系统采用 ARM 公司所推的Keil MDK 平台进行开发，主要实现心电数据的模数转换和数字滤波。软件总流程如图 4 所示，初始化设备，开机工作后进行键盘扫描，然后采用 TIME1 定时器周期启动 ADC，每采集 10s 开启中断进行滤波用以滤除肌电干扰和低频漂移等，最后将心电波形实时显示于液晶屏。上位机 GUI 则使用 C#平台编写，主要负责通信监听、协议解析、波形绘制、心率计算和数据存储等，具体流程如图 5 所示。3.2 主要功能实现这里重点介绍构建通信连接、波形绘制与心率计算的实现方式。心率显示否通信连接成功存储波形数据心电波形数据界面初始化开始否发送开始监听是否是开启波形绘制结束接收到数据数据协议解析符合不符合根据波形计算心率判断波形是否异常计算绘制参数心电状态显示波形绘制是 图 5 上位机软件流程图3.2.1 构建连接实现首先由服务端开启套接字监听服务，然后根据服务器IP、端口进行连接。private void button_Start_Click(object sender,EventArgs e)/开启监听 IPEndPoint serverIpe=new IPEndPoint(IPAddress.Any,8899);serverSock.Bind(serverIpe);serverSock.Listen(10);listenerThread=new Thread(new ThreadStart(ListenerThread);listenerThread.IsBackground=true;listenerThread.Name=Listeren;listenerThread.Start();button_Start.Enabled=false;label_ServiceStateFlag.Text=服务器开始监听;否是键盘扫描键值处理开始系统初始化开机工作？是开启模数转换采集完成中断否数字滤波处理数据实时显示结束图 4 下位机软件流程图6|电子制作 2023 年 6月电子电路设计与方案public string GetLocalIp()/获取本地的 IP 地址string AddressIP=string.Empty;foreach(IPAddress _IPAddress in Dns.GetHostEntry(Dns.GetHostName().AddressList)if(_IPAddress.AddressFamily.ToString()=Inter Network)AddressIP=_IPAddress.ToString();return AddressIP;protected void ListenerThread()/开启监听客户端连接的线程Socket socketConnect=null;socketConnect=serverSock.Accept();ParameterizedThreadStart pts=new ParameterizedThreadStart(ServerRec);Thread thread=new Thread(pts);thread.IsBackground=true;thread.Start(socketConnect);3.2.2 波形绘制与心率计算实现首先将接收到的原始数据解包并转换为坐标轴点，在C#平台定义画笔，然后循环结构下调用 Draw_Graphics.DrawLine（myPen,PointX1,PointY1,PointX2,PointY2）语句完成所有点的图像绘制呈现出连续心电波形。心率的计算一般选用基于极值的动态自适应阈值法，通过阈值提取进行 R 波特征点的标注，根据两次 R 波间隔实现心率换算6。本系统选择 matlab 实现心率计算，利用matlab function 函数将相关代码封装并打包成 dll，最后在 C#中调用动态链接库。心率计算核心代码如下：Threshold=(max(wavedata)-min(wavedata)*0.4+min(wavedata)；/R 波峰值阈值设置pks,locs=findpeaks(wavedata,500,MinPeakDistance,0.5,MinPeakHeight,Threshold);/捕获 R 波波峰Rwave_time=diff(locs);/计算两次 R 波间隔时间差Heart_rate=60/mean(Rwave_time);/计算心率4 系统功能测试本系统直接采用 220V 交流市电供电，为测试其是否能实时准确采集显示数据功能，选用珺淼 JM-203 型心电信号模拟仪产生 1mV、100Hz 标准正弦信号以十二导联方式接进心电采集系统，接入方式与心电采集系统 ECG 测试点显示波形如图 6 所示。按下本系统导联选择按键能正常进行不同导联间切换，灵敏度按下能在“1/2”、“1”、“2”之间转换，定标调节旋钮调节后也能正常产生 1mV 标准脉冲波，其他走纸速度、显示方式及波形打印等功能均正常。性能测试方面，通过对输入阻抗、噪声电平、共模抑制比等项目检测，相关结果见表 1 显示该心电采集系统性能方面完全达成预期设计目标。图 6 心电采集系统表1 心电采集系统主要性能参数序号测试项目测试结果1输入阻抗100M2输入功耗15W3噪声电平25Vp-p4共模抑制比110dB5频率响应0.03100Hz6漏电流100A7灵敏度1/2、1、2将心电采集系统 WiFi 端短路，远程接收端 PC 搜索并连接到该 WiFi，配置 WiFi 参数设置 WiFi 模式为 STA，STA参数包括网络名和密码可通过路由器查询得到。设置完成后进行透传参数设置，将串口参数设定为 115200、None、8、1，SocketA 协议选择 TCP-Client，服务器地址查询无线网ivp4，设置完毕重启心电采集系统。打开远程接收端上位机软件，心电信号模拟仪输出标准心电信号，此时点击开始监听按键，上位机连接状态显示“服务器开始监听”，波形绘制区域能实时显示采集端发送过来的心电信息，如图 7所示。通过实测本系统心率显示信息和标准平均误差小于 1次/分钟，功能上充分实现十二导联心电数据的采集与传输。（下转第 92 页）92|电子制作 2023 年 6月电子基础4 现状与前景紫外线消毒在国内外应用比较广泛且技术相对成熟，而在列车消毒方面，采用此技术的国家是极少或没有的，因此本系统的设想与实现在消毒和防疫方面是一个新的突破和尝试。在我国，火车、地铁等是人民出行的主要方式，有人口流量大、接触密切等特点，因此车厢环境的防疫措施更需要完善。本智能消杀系统的设计，考虑到硬件成本、消毒效果、车厢空间及紫外线对人体有害等问题，提出如下解决方案：硬件采用低成本传感器及紫外线灯管；设置最适消杀温度及预警提示程序；实物制作简约化，减少占用空间；采用远程控制等。基于成熟的单片机技术及紫外线消毒技术，采用二值化对监控图像进行处理，自动完成环境监测与高温预警，实现了智能化操作且提高了工作效率，应用前景广阔。5 结论本文通过对整个系统软硬件的设计及联调，实现了集智能监控、智能检测、智能控制于一体的智能化控制系统，此系统不仅能应用于列车车厢，在地铁车厢及其他运营车辆中也可应用。本系统选用的紫外线消毒灯管，经过医疗卫生、饮用水消毒等前身行业的试验，确有很大的消毒效果。智能消杀系统的设计与实现，将为当下疫情防控做出一定的贡献。参考文献 1 陈洪，宋丽涵，陈莉莉等.基于 STM32 的智能控制型智能消杀 J.科技与创新.2017，(22):120-123.2 徐鑫秀，赵士原.基于 DHT11 传感器的机房温湿度控制系统设计 J.现代信息科技.2020，04(14):57-59.3 徐江坤，王仪昭，魏吉平.基于 STM32 的智能环卫工装系统的研制 J.物联网技术.2020,10(08):59-62.4 黄学飞、桂艳、邝卫华等.基于视觉识别技术的智能垃圾机器人设计 J.自动化与仪表.2018,33(11):52-55.5 胡慧之.基于 STM32 和 OV2640 的智能车位锁控制系统设计J.信息与电脑(理论版).2020,32(24):68-70.6 熊雪,艳梁光胜,赖程鹏等.基于 OV2640 模块的网络视频监控系统设计 J.单片机与嵌入式系统应用.2015,15(12):23-26.7 严诗恬,聂沐晗,李后飞.医疗建筑中紫外线消毒灯的设计与应用 J.建筑电气.2021，40(08):63-67.8 薛健、祖央、岑丹.基于云计算的智能人脸识别借阅系统研究 J.吉林大学学报(信息科学版).2019,37(04):450-456.9 阳欣、魏可、宋宇鲲等.图像二值化处理硬件加速引擎的设计J.合肥工业大学学报(自然科学版).2021,44(11):1495-1499.图 7 上位机界面5 结语近年来心血管疾病备受关注，作为该疾病的常规检查手段之一，心电图检测应用日益广泛。本研究设计了一种基于无线 WiFi 的十二导联心电采集系统，综合设计信号采集处理模块、STM32F401RCT6 主控模块、USR-C210 通信模块和显示打印模块等，具有采集速度快、数据准确度高、电路性能稳定等优点，同时可将用户心电采集数据上传至远程接收端用于医学研究和辅助诊断，一定程度上为远程医疗奠定基础。参考文献 1 魏珑.便携式心电监护仪采集系统设计 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