基于CortexTM-M3 內(nèi)核的生物電信號處理算法研究與實現(xiàn)

仇 凱

（南京偉思醫(yī)療科技股份有限公司，江蘇 南京 210012）

基于CortexTM-M3 內(nèi)核的生物電信號處理算法研究與實現(xiàn)

仇 凱

（南京偉思醫(yī)療科技股份有限公司，江蘇 南京 210012）

基于Cortex-M3內(nèi)核，對生物電信號算法的研究與實現(xiàn)，作為生物電采集的核心部分，為顯示出準確的生物電信號，要通過不同功能的濾波算法，實現(xiàn)生物電信號“干凈化”。針對要實現(xiàn)的目標，主要完成以下幾個工作：首先要對生物電信號有所認識和了解，針對其波形特點和采集過程，通過對生物電信號采集前端的控制，達到獲取預(yù)處理后的生物電信號其次基于Cortex-M3內(nèi)核。通過數(shù)學(xué)濾波算法濾除主要干擾：滑動平均數(shù)濾波法濾除基線漂移；梳狀濾波法濾除50Hz工頻干擾。這兩個算法具有運算量小、系數(shù)整數(shù)化等特點，適合于Cortex-M3內(nèi)核的芯片上實現(xiàn)。最后經(jīng)過數(shù)字濾波后的生物電信號，數(shù)據(jù)可以存放于SD卡中，同時動態(tài)數(shù)據(jù)可以通過LCD進行顯示。

生物；電信號；Cortex-M3內(nèi)核；濾波算法

隨著邊緣學(xué)科生物學(xué)工程的蓬勃發(fā)展，在多種層次上研究生物體，特別是人體的結(jié)構(gòu)、功能和其他生命現(xiàn)象，用于研究防病、治病、人體功能輔助及衛(wèi)生保健的人工材料、制品、裝置和系統(tǒng)，越來越多的醫(yī)療儀器得以誕生。設(shè)計以高性能、低功耗的基于Cortex?-M3內(nèi)核的STM32為計算核心，設(shè)計一套低功耗、采集快、處理數(shù)度準確、攜帶方便等特點的心電圖儀器，使心臟病患者得到實時的監(jiān)護。另外本設(shè)計采用USB2.0總線接口與PC機進行通信，將數(shù)據(jù)存放到PC機中，解決了STM32芯片本身能存放的數(shù)據(jù)量的瓶頸。且本設(shè)計采用標準I導(dǎo)聯(lián)，僅需要3個肢體電極，無需用戶掌握專業(yè)的心電圖知識，也可完成測量[1]。

1 方案設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，本設(shè)計是基于Cortex?-M3的STM32F103VE設(shè)計的，是TI公司專門為生物電信號的采集而設(shè)計的集成芯片，是生物電信號采集的前端，然后通過SPI通信由STM32控制，并且將采集到的信號發(fā)送到STM32，最終再將ECG波形通過LCD顯示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

2 編程環(huán)境的簡介及使用

由于本次設(shè)計用的是基于ARM7的STM32芯片，所以選擇了MDK（或Keil4）軟件平臺[2]，此編程環(huán)境自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊，強大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，可將性能改善超過20%。具有啟動代碼生成向?qū)В卉浖M器，完全脫離硬件的軟件開發(fā)過程；性能分析器，看得更遠、看得更細、看得更潔；代碼更小、性能更高等突出性。

基于ARM Cortex?-M3的STM32F103VET6M，該處理器是行業(yè)領(lǐng)先的32位精簡指令處理器，高性能、低成本，以及其低功耗適用于具有高確定性的實時應(yīng)用，芯片工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)[3]。這塊芯片在醫(yī)療和手持設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

3 數(shù)據(jù)采集方法

生物電信號由STM32控制ADS1294進行采集，則利用SPI通信方式進行控制。SPI是高速同步串行口，3～4線接口，收發(fā)獨立，可以同步進行。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間[4]。是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳。

SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。本次設(shè)計SPI主要用于2個地方：ADS1294與STM32之間進行雙向通信；STM32控制TFT顯示的單向通信。

4 軟件結(jié)構(gòu)及算法設(shè)計

4.1 軟件架構(gòu)

軟件的編程包括STM32內(nèi)部各指令集的使用，以及如何在MDK平臺上使得STM32能夠靈活控制外設(shè)，設(shè)計的軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件架構(gòu)

4.2 生物電信號濾波算法研究

傳統(tǒng)的濾波算法大多數(shù)使用繁瑣的計算公式，運算量比較大，不適合微處理器中。這里結(jié)合STM32、ADS1294和心電中存在的干擾類型和特點，研究數(shù)字濾波算法，然后在其他濾波算法的基礎(chǔ)上，通過插值法特出一種適合本系統(tǒng)的濾波算法。

（1）生物信號濾波原理。軟件濾波的功能就是通過一定的計算程序，對采集的數(shù)據(jù)進行處理，從而消除或減弱干擾噪聲的影響，也就是允許某一頻率或頻率段的信號順利通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制。

在濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶。反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率。本系統(tǒng)設(shè)計的濾波器主要是濾除心電信號中50Hz的頻率，保留其他頻段。

通過研究數(shù)字濾波器的設(shè)計方法，針對本系統(tǒng)要濾除的主要干擾，設(shè)計一個適合于本處理器的濾波算法，該算法既保證較少的運算量，又在濾除干擾的同時保留特征波形的有效信號[5]。因此，本系統(tǒng)所設(shè)計的濾波器具有良好的幅頻特性和嚴格的線性相位特征。

（2）濾除基線漂移。作為主要干擾因素之一的基線漂移，對其濾波是心電信號處理中一個重要的問題，當基線漂移很嚴重時，對波形的識別以及數(shù)值的測量造成了困難，有時候甚至無法記錄。這是因為ECG信號是非常微弱的（范圍是0.05Hz～2Hz）的信號，其本身含有豐富的低頻部分，基線漂移會對其造成顯而易見的影響，它掩蓋了ECG某些特征波形，使得后續(xù)步驟如QRS波的檢測和識別中增加了觀察分析的難度。本次采用滑動平均數(shù)濾除基線漂移。

滑動平均濾波器的基本算法：輸出序列中第n個點為輸入序列中從第n-m+1個點到第n個點的平均值。即對帶有噪聲的原始信號以n個取樣點為一個窗口，取其平均值，窗口每次移一個取樣點，對整個信號作窗口重疊運算，原始信號經(jīng)過滑動平均濾波后，能將其突變值或峰值屏蔽，使原始信號變?yōu)檩^平緩的信號。如圖3所示，說明了滑動平均濾波后的波形情況。

圖3 滑動平均濾除基線漂移前后時序圖

（3）工頻（50Hz）陷波。50Hz工頻干擾在整個干擾信號中占了一大部分，而按照常規(guī)設(shè)計方法直接設(shè)計50Hz陷波器，要達到較好的濾波效果，設(shè)計濾波器的階數(shù)一般比較高，而且濾波器系數(shù)多為小數(shù)，不適合應(yīng)用于STM32中進行實時處理。本次設(shè)計采用梳狀濾波器。梳狀濾波器它是由許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號通過。經(jīng)過梳狀濾波前后的波形如圖4所示。

圖4 梳狀濾波前后時序圖

4.3 心率檢測

心電信號具有準周期性，根據(jù)心電信號重復(fù)的頻率可以計算出每分鐘心跳次數(shù)，即心率。心率算法有很多種。本系統(tǒng)最終采用帶通濾波器方法來計算心率參數(shù)，達到了預(yù)期目的。通過對原始信號頻譜分析了解到，ECG信號能量集中在低頻范圍內(nèi)，實際頻率1Hz～50Hz之間。其中接近直流的分量含有基線漂移，需要抑制，而高頻噪聲也需要濾除。因此，可以通過一個帶通濾波器取出ECG信號中能量較為集中的分量。這里設(shè)計的濾波器中心頻率設(shè)為17Hz（相對頻率為0.068）。該濾波器的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 帶通濾波器頻率響應(yīng)

經(jīng)過帶通濾波后，信號的形態(tài)發(fā)生了很大變化，突出表現(xiàn)為震蕩式的波峰和波谷。對濾波后的信號進行峰值檢測，就可以確定QRS波距離。

4.4 數(shù)據(jù)存儲

對于龐大的采集數(shù)據(jù)，對與存儲容量有限的STM32根本無法滿足，所有得用到SD卡進行存儲。本系統(tǒng)采用容量為2G的SD卡，可以保證連續(xù)記錄的數(shù)據(jù)量。使用前需要先在PC上格式化為FAT32文件系統(tǒng)，然后再將其插入本系統(tǒng)硬件電路板上的SD卡座內(nèi)。系統(tǒng)上電后自動在根目錄下建立ECG文件夾，在實時采集模式下，系統(tǒng)每隔一定時間就會將采集到的心電數(shù)據(jù)建立一個文件，保存至ECG文件夾內(nèi)。文件長度固定為4KB，剛好為SD卡一簇的大小。文件的建立日期、時間分別對應(yīng)采集結(jié)束時刻。這樣便于事后查看相應(yīng)時刻的心電圖。

5 結(jié)論

文章通過基于Cortex-M3 內(nèi)核的STM32控制ADS1294對生物電信號采集，經(jīng)過算法處理，最終存儲和顯示。完成了生物電信號采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計和算法軟件實現(xiàn)，最終做成一個產(chǎn)品系統(tǒng)。攜帶方便、性價比高。主要具有以下成果：①針對通常心電圖儀體積大，攜帶不方便等，做出了一個適合于家庭個人心電監(jiān)護的作用，具有采集、存儲、顯示等功能，達到預(yù)期效果；②在MDK編程平臺上，同過C語言編程，實現(xiàn)了STM32對外設(shè)的控制，達到預(yù)期效果；③本設(shè)計軟件3.3 能夠優(yōu)化課堂教學(xué)組織形式

運用數(shù)字化媒體輔助教學(xué)，使課堂的形式向多樣化發(fā)展。除了集體教學(xué)和小組討論之外，還有基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作教學(xué)形式。學(xué)生可以通過基于網(wǎng)頁的交流工具（如聊天室、論壇和視頻會議）進行上機操作，實現(xiàn)人機對話，進行個別輔導(dǎo)；提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，發(fā)揮創(chuàng)造性，充分體現(xiàn)了素質(zhì)教育的主體性和發(fā)展性。

3.4 能夠組織時空融合的協(xié)作學(xué)習(xí)

由于知識的多樣性，僅靠在課堂上的學(xué)習(xí)是遠遠不夠的。基于數(shù)字校園的教學(xué)模式，有利于學(xué)生進行課前與課后，線上與線下的學(xué)習(xí)活動的整合，形成一個良好的循環(huán)系統(tǒng)。除了老師在課堂上進行授課，學(xué)生還可以利用非固定的時間進行網(wǎng)絡(luò)上課前與課后的協(xié)作學(xué)習(xí)。對在校園數(shù)字資源平臺下老師制作的微課以及視頻教學(xué)等內(nèi)容，學(xué)生可以進行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，加深認識。對于課前和課后學(xué)習(xí)的數(shù)字化微課，由于學(xué)生不能與教師及同學(xué)進行面對面的討論，因此其結(jié)構(gòu)化程度要求較高；而對于課中的微課，如果學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程遇到了疑難問題和困惑時，教師是可以及時地進行答疑解惑，所以其結(jié)構(gòu)化程度要求相對較低[3]。

4 數(shù)字化校園的其他方面

數(shù)字化校園不僅僅體現(xiàn)在數(shù)字化的教學(xué)，在其他方面也隨處可見。比如學(xué)生的興趣小組的選擇，傳統(tǒng)的方法是采用紙質(zhì)稿進行填寫，這在一定程度上加重了老師的工作任務(wù)，通過網(wǎng)絡(luò)選課不僅僅便于統(tǒng)計，而且學(xué)生能根據(jù)自己的興趣愛好選擇自己喜歡的課程選項及學(xué)校開設(shè)的各項校本課程，等大大的方便了師生。

5 結(jié)束語

總之，數(shù)字化校園能有效整合學(xué)校、家庭、社會教育資源，建構(gòu)新型的教學(xué)模式和教學(xué)環(huán)境，為師生聯(lián)系創(chuàng)建了一個快速、有效的互動平臺。

[1]胡鐵生.微課的內(nèi)涵理解與教學(xué)設(shè)計方法[J].廣東教育(綜合版),2014,(4):33-35.

[2]胡鐵生.“微課”:區(qū)域教育信息資源發(fā)展的新趨勢[J].電化教育研究,2011,(10):61-65.

[3]韓燕,汪一鳴.微課概念及教學(xué)應(yīng)用的解析[J].科教導(dǎo)刊,2015,(32):29-30.

G633.91

A

2096-2789（2016）11-0207-03

文章受到江蘇省教育學(xué)會“十二五”教育科研規(guī)劃課題資助（SJ-228）。