基于STM32的便携式心电监测系统设计

摘要

进行常规心电检查的holter系统是目前较为常见的心电监测设备，多用于医院传统心电监测，这种系统可以有效监测病人的实时心电数据，其功能强大，但设备庞大、价格较高、操作繁杂的缺点也比较明显，患者只能在医院内进行心电检查，大大限制了患者的活动空间。相比之下，目前发展迅速的便携式心电监测设备，充分利用了嵌入式系统技术，使心血管疾病患者在家庭或社区中即可进行心电监测，无需到医院就可以实现对心血管疾病的早期预防和中期诊治，既方便了患者的日常生活，又可及时获取疾病监测数据，提高心血管疾病的治愈率。
　　为此，本文对基于ARM微处理器的便携式动态心电监测系统进行了深入分析和研究。针对心电信号的相关理论进行研究，根据信号的主要特性，设计了满足测量者个体差异适应性的心电信号调理模块，模块分为上肢传导电路、右腿驱动电路、前置差分电路、带通滤波电路、主放大电路、工频陷波电路和信号偏置调节电路，实现对心电信号的增益放大、电路滤波和电平抬升，为后级心电信号数字处理模块提供了可靠的心电模拟信号。实测ECG波形峰峰值个体化差异较大，不利于信号的数字处理与分析，为了改善固定增益采集电路对ECG波形峰峰值个体差异的适应性较差的现象，本文专门设计了增益控制电路，电路选用VGA芯片AD603，实现了信号调理模块整体增益的智能控制，增益的可调节范围为862.6到2730倍。选用高性能、低功耗、高性价比的ARM微处理器STM32F103ZET6作为主控芯片，结合便携式心电监测系统的功能需求，对心电信号数字处理模块进行了主体设计。软件设计部分为基于STM32开发板的嵌入式软件开发，设计采用模块化编程思想，移植了μC/OS-Ⅱ操作系统和FATFS文件系统，编写了各部分外设驱动程序和系统工程主程序，实现了心电信号调理与采集，数据分析与处理，ECG波形显示以及心电数据SD卡存储和USB传输等功能。
　　论文对上述工作的完成过程进行了详细的论证和阐释，完成了信号调理电路电路板的制作，经测试，调理电路完全满足设计要求，嵌入式软件开发成功实现了系统各个设计的主要功能，系统界面操作简单，ECG波形显示清晰，数据保存与传输功能正常，论文为该类型产品的进一步设计、开发提供了良好的理论实践基础。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究发展状况及趋势

1．3 本文主要研究内容

1．4 系统主要设计指标

2 心电信号采集及调理模块设计

2．1 心电检测基础

2．1．1 心电产生机理及心电导联方式介绍

2．1．2 心电图波形

2．1．3 心电信号特征

2．2 信号采集及调理模块设计

2．2．1 电路设计总体要求设计

2．2．2 左右上肢传导电路设计

2．2．3 右腿驱动电路设计

2．2．4 前置差分放大电路设计

2．2．5 带通滤波电路设计

2．2．6 主放大电路设计

2．2．7 工频陷波电路设计

2．2．8 信号偏置调节电路设计

2．2．9 信号采集及调理模块的供电电路设计

2．2．10 信号采集及调理模块的接口设计

3 心电信号数字处理模块设计

3．1 系统需求

3．2 微处理器选型

3．2．1 STM32F103ZET6的特性

3．2．2 片内ADC和DAC

3．3 数字处理模块系统框图

3．4 STM32开发板

3．4．1 开发板板载资源简介

3．4．2 开发板与信号采集及调理模块的接口连接

4 心电信号的处理与分析

4．1 信号预处理

4．1．1 波形校准

4．1．2 50Hz抗工频干扰

4．2 R波检测

4．3 心电参数计算

4．4 心率变异性分析简介

5 心电监测系统软件设计

5．1 系统软件模块化分析

5．2 μC／OS-Ⅱ实时操作系统

5．2．1 操作系统简介

5．2．2 操作系统的移植

5．3 硬件驱动程序设计

5．3．1 系统时钟

5．3．2 普通IO驱动

5．3．3 通用定时器驱动

5．3．4 ADC驱动

5．3．5 DAC驱动

5．3．6 RTC实时时钟驱动

5．3．7 LCD驱动

5．3．8 SRAM驱动

5．3．9 EEPROM、FLASH总线驱动

5．3．10 触摸屏驱动

5．3．11 SD卡驱动

5．4 FATFS文件系统

5．5 系统界面

5．6 应用程序设计

5．6．1 开始任务start_task

5．6．2 LED任务led_task

5．6．3 蜂鸣器任务beep_task

5．6．4 按键扫描任务key_task

5．6．5 触摸屏任务touch_task

5．6．6 信号量集任务flags_task

5．6．7 RTC任务rtc_task

5．6．8 时间设定任务timeset_task

5．6．9 用户设定任务userset_task

5．6．10 采样任务adc_task

5．6．11 心率计算任务heart_task

5．6．12 采样计时任务tc_task

5．6．13 数据传输任务data_transmission

5．6．14 软件定时器trm1

5．6．15 系统任务概述

6 系统调试

6．1 信号采集及调理模块调试

6．2 系统软件调试

6．3 软硬件联调

7 结论

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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