stm32实现心电监测-数据传输、滤波、波形显示_基于stm32的心电监测

有一段时间因为一些事导致心脏不太好，偶尔出现砰砰重跳几下，这种情况不容易捕捉，一般需要心电监护，24小时记录心电波，这样可以判断早搏等。一般来说休息好能自己恢复，不用吃药，想想心电监测还是有点用处的，能看出点问题，值得开发研究。心电监护是综合性很强的电子项目，涉及到模拟电路、数字电路、数字信号处理、通信、波形显示等。心电监测前端硬件电路对信号进行放大滤波，单片机AD采集模拟信号转为数字信号，单片机对数字信号进行数字滤波，通过USB虚拟串口与上位机通信。上位机用C#编写，接收单片机的数字信号，进行波形绘制。

实物如下

上位机最终效果如下

项目中有如下几项关键技术值得研究

1、心电前端模拟电路

人体的心电信号幅度非常小，大概1mV左右，人体与心电电极的接触电阻比较大，需要前端电路有很高的输入阻抗，否则会因为接触电阻衰减信号。人体处在复杂的电磁环境中，相当于天线把各种信号耦合到心电电路中，其中最常见的是50Hz工频信号。

以前有人问我，示波器上的波形线这么粗呢，这个原因就是信号里叠加了很多噪声。上图是心电放大后的信号，可以看出信号上叠加了50Hz的噪声，幅度是三个心电波幅度的一半。从图中也可以看出这个心电信号的幅度是比较大的，大约几百毫伏，这是前端电路对心电信号放大的结果，电路原理图如下。

图中除了对信号放大以外还有两处关键的模拟滤波器，一处是C20和R22组成的高通滤波器，一处是R24和C22组成的低通滤波器。除此以外，C17、C18、C19、C21也有滤波的作用，总之，滤波的目的是把没有用的信号去除。但是，模拟滤波器的效果是有限的，需要结合数字信号处理，用数字滤波器去除噪声，数字滤波后面讲。

2、单片机采集及传输

单片机的采样和心电信号带宽有关，根据IEC规格,心电图的带宽要求从0.5Hz到150Hz。奈奎斯特抽样定理指若频带宽度有限的，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。抽样频率小于2倍频谱最高频率时，信号的频谱有混叠。抽样频率大于2倍频谱最高频率时，信号的频谱无混叠。程序里信号采集使用定时器触发，这样能保证采集间隔的准确或者说采样率。

void ADC_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
	ADC_InitTypeDef   ADC_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef			TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_OCInitTypeDef         TIM_OCInitStructure;
	DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1  , ENABLE );
	RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM2 , ENABLE);
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;//Ä£ÄâÊäÈë
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
 
	/* DMA channel1 configuration */
	DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address;	 //ADCµØÖ·
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)&AD_BUF;//ÄÚ´æµØÖ·
	DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
	DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 500;   //»º´æµ¥ÔªµÄ¸öÊý 
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//ÍâÉèµØÖ·¹Ì¶¨
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;   //ÄÚ´æµØÖ·¹Ì¶¨
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;	//°ë×Ö
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
	DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;		//Ñ­»·´«Êä
	DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
	DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
	DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
	DMA_ITConfig(DMA1_Channel1,DMA_IT_TC,ENABLE);//Æô¶¯ÖжϱêÖ¾
	DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
 
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;  
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;  
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; 
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2;  
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; 
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;  
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);  
	
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);
	
	ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);     //ʹÄÜDMA´«Êä
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);  
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);  
	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); 
	ADC_StartCalibration(ADC1);  
	while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); 
	
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); 
 
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 400;         //ÖØÔØʱµÄÖµ ´¥·¢Ê±¼ä2000us£¬ÆµÂÊ200Hz
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 480 - 1;  //·ÖƵϵÊý
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = 0;    //ʱÖÓ·Ö¸î
  TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //ÏòÉϼÆÊý
  TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStruct);   //µ÷Óÿ⺯ÊýдÈë¼Ä´æÆ÷
	
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //Ñ¡Ôñ¶¨Ê±Æ÷ģʽΪÂö³å¿í¶Èµ÷ÖÆģʽ1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; 
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 200;
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
	
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
 
	TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
	TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE);  //¿ØÖÆTIM2 PWMÊä³ö
}

程序用DMA自动转换ADC，并且用半中断传输技术，避免传输数据时，数据被DMA改写。关键在这两个量DMA1_FLAG_TC1，DMA1_FLAG_HT1，即DMA缓存到一半时，触发中断，把这一半数据处理并对发送。另一半缓存自动转换，不影响前面的一半。

if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1)==SET)	    //»ñÈ¡±ê־룬ÅжÏÊÇ·ñ´«ÊäÍê³É
	  {
      GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_SET);
			IIR_filter_H();                                 //Â˲¨Æ÷º¯Êý
			USB_USART_SendData('$');//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½,·¢Ë͸øUSB
			
			for(i=0;i<250;i++)
			{			
				Send_int_Data[i]=(int)(Send_float_Data[i+250]*1000);  //floatת»»Îªint
				//Send_int_Data[i]=0x0650;
				int_to_char(Send_int_Data[i],Send_char_data);     //intתcharÐÍÊý×é
				for(j=0;j<4;j++)
				{
					USB_USART_SendData(Send_char_data[j]);		
				}
			}
			USB_USART_SendData('*');//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½,·¢Ë͸øUSB
			USB_USART_RX_STA=0;
			GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_RESET);
		  DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);	                //´¦ÀíÍêÊý¾Ý,Çå³þ±ê־λ
	  }
		if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_HT1)==SET)	    //»ñÈ¡±ê־룬ÅжÏÊÇ·ñ´«ÊäÍê³É
	  {
      GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_SET);
			IIR_filter_L();                                 //Â˲¨Æ÷º¯Êý
			USB_USART_SendData('$');//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½,·¢Ë͸øUSB
			
			for(i=0;i<250;i++)
			{			
				Send_int_Data[i]=(int)(Send_float_Data[i]*1000);  //floatת»»Îªint
				//Send_int_Data[i]=0x0650;
				int_to_char(Send_int_Data[i],Send_char_data);     //intתcharÐÍÊý×é
				for(j=0;j<4;j++)
				{
					USB_USART_SendData(Send_char_data[j]);		
				}
			}
			USB_USART_SendData('*');//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½,·¢Ë͸øUSB
			USB_USART_RX_STA=0;
			GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_RESET);
		  DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_HT1);	                //´¦ÀíÍêÊý¾Ý,Çå³þ±ê־λ
	  } 		

3、单片机信号处理

数字信号处理发展很快，其中数字滤波器解决了模拟滤波器滤波效果差的缺陷，从前面图中可以看出，上位机显示的心电波形比示波器的波形要清晰很多，原因就是在单片机中加入了数字滤波器，滤除50Hz工频信号。程序里用的是IIR 50Hz陷波器，IIR滤波器是单片机数字信号处理中用的比较多的，对于IIR滤波器，冲激响应理论上应会无限持续，其输出不仅取决于当前和过去的输入信号值，也取决于过去的信号输出值。常用的工频陷波器主要有IIR和FIR两种，其中FIR具有良好的线性相位，但是在同等滤波效果的情况下，IIR的阶数要比FIR少很多，一个两阶的IIR滤波器的效果FIR要付出100多阶的代价，阶数大意味着运算量大，对于一个MCU单片机来说这是得不偿失的，所以采用IIR滤波器来实现工频滤波。滤波器设计不得不提到MATLAB，他是很好的软件，能很方便的制作数字滤波器。只需填入几个参数可以实现

单片机程序如下

ADC_ConvertedValueLocal =(float) (AD_BUF[i+250]>>2)/4096*3.3;   // ¶Áȡת»»µÄADÖµ
	  x0=ADC_ConvertedValueLocal;     //ÊäÈëÐźŠ
 
	  w0[0]=IIR_50Notch_A[0]*x0-IIR_50Notch_A[1]*w0[1]-IIR_50Notch_A[2]*w0[2];
	  y0=IIR_50Notch_B[0]*w0[0]+IIR_50Notch_B[1]*w0[1]+IIR_50Notch_B[2]*w0[2];
 
	  Send_float_Data[i+250]=y0;	 	
	  w0[2]=w0[1];
	  w0[1]=w0[0];
	  w1[2]=w1[1];
	  w1[1]=w1[0];

4、C#解析单片机上传的数据

C#解析单片机上传的数据用列表的方法解决数据包连包的问题。C#接收一包数据SerialPort事件有事要产生一次或者多次事件，导到一包数据分成两包数据。这里用List型变量，每次通知有数据到来，就把数据加入list，处理完移除list。

 private void serialPort1_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
        {
            int num = serialPort1.BytesToRead; 
            byte[] received_buf = new byte[num];
            byte[] nreceived_buf = new byte[1002];
            int[] show_buf = new int[1002];
            float show_data = 1;
            int i;
            serialPort1.Read(received_buf, 0, num);           
            m_buffer.AddRange(received_buf);
            
 
            if (m_buffer.Count != 0)
            {
                int HeadIndex = m_buffer.FindIndex(o => o == '$');
 
                if (HeadIndex == -1)
                {
                    m_buffer.Clear();
                }
                else if (HeadIndex != 0) //不为开头移掉之前的字节
                {
                    if (HeadIndex > 1)
                        m_buffer.RemoveRange(0, HeadIndex);
                }           
                if ((HeadIndex == 0) &&(m_buffer.Count > 1002))
                {
                    m_buffer.CopyTo(0, nreceived_buf, 0, 1002);
                    m_buffer.RemoveRange(0, 1002);
                    uart_count = uart_count + 1000;
                    for (i = 0; i < 1000; i++)
                    {
                        show_data =  (((long)(((nreceived_buf[i+1]-0x30)*1000)+ (nreceived_buf[i + 2] - 0x30) * 100) + ((nreceived_buf[i + 3] - 0x30) * 10) + (nreceived_buf[i +4] - 0x30))/1);
                        show_buf[0] = (int)show_data-300;
                        DataList.Add(show_buf[0]);//链表尾部添加数据
                        i++; i++; i++;
                    }
                    Invalidate();            //刷新显示
                    sb.Clear();
                    try
                    {
                        //因为要访问UI资源，所以需要使用invoke方式同步ui
                        this.Invoke((EventHandler)(delegate
                        {
                            textBox1.Clear();
                            textBox1.AppendText(uart_count.ToString("F2"));
                            listBox1.Items.Add(DateTime.Now.ToString() +"   " +uart_count.ToString() + "   " + System.Text.Encoding.Default.GetString(nreceived_buf));
                            listBox1.SelectedIndex = listBox1.Items.Count - 1;
                            listBox1.SelectedIndex = -1;
                        }
                           )
                        );
 
                    }
                    catch (Exception ex)
                    {
                        //响铃并显示异常给用户
                        System.Media.SystemSounds.Beep.Play();
                        MessageBox.Show(ex.Message);
 
                    }
                }
            }                                                 
        }

5、C#波形绘制

C#波形绘制用到双缓冲技术

public Form1()
        {
            this.SetStyle(ControlStyles.DoubleBuffer | ControlStyles.UserPaint |
                           ControlStyles.AllPaintingInWmPaint,
                           true);//开启双缓冲
            this.UpdateStyles();
            InitializeComponent();
            System.Windows.Forms.Control.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
            TablePen.DashStyle = System.Drawing.Drawing2D.DashStyle.DashDotDot;
            SearchAndAddSerialToComboBox(serialPort1, comboBox1);
        }