基于ARM和WIFI技術的心電信號實時檢測系統設計與研究

張 昊，孫 元，王志剛，王換換

(1.徐州市口腔醫院 信息科，江蘇 徐州 2210022.徐州醫科大學 醫學信息與工程學院， 江蘇 徐州 221000)

0 引言

社會的快速發展讓人們對自身健康狀況有了更高要求，而心血管疾病作為誘發患者死亡的主要原因[1]，對其進行預測和防治是研究人員及公眾關注的重點。因此，如何提前預測心臟疾病并進行有效防治成為當下研究熱點。

目前，國內外已存在多種類型的心電信息檢測設備，如普通心電圖機、動態心電圖機以及運動心電圖機。普通心電圖機作為應用最廣泛的心電圖檢查設備，檢查成本低，能夠在患者心臟病發時診斷出病理情形，但無法預測突發疾病，且易發生檢測遺漏的問題[2]；動態心電圖機可不間斷地記錄患者所有ECG信號，但在臨床使用中，該類設備限制了病人的活動，且檢查成本高[3]；運動心電圖機需在被測者運動時進行檢查，該方式對檢測早期冠心病有顯著效果，但對身體薄弱者及老年人并不友好[4]。

針對上述問題以及患者疾病檢測的需要，該文設計了一種基于Advanced RISC Machine(ARM)[5-6]和Wireless Fidelity(WIFI)技術的心電信號實時檢測系統。該系統通過對患者的心率數據、心電波形等信號進行采集，利用LCD將信號實時顯示，MCU將處理過的心電信息通過Simple Wi-Fi[7-8]技術上傳至PC端，PC端軟件對心電信息實時顯示并對被測者的心電數據進行分析，進而得出患者的心臟健康狀況，以改善現階段人們無法快速、準確了解本人心臟健康狀況的問題。相對于傳統的心電信息采集設備而言，該平臺及終端設備的設計能夠有效檢測出患者早期的心臟疾病，為患者盡早防治，降低死亡風險提供幫助。

1 系統整體設計方案

1.1 系統設計目標分析

為保證基于ARM和WIFI技術的心電信號實時檢測系統以及終端設備能夠不間斷地收集、分析用戶的心臟數據，給出用戶當前心臟健康狀況，系統及終端設備設計需實現以下幾點目標。

1)實時性：由于潛伏的或早期的心臟疾病不易被檢測，異常心電信號可能存在于某一不確定的時段。因此，智能終端對數據的收集傳輸以及平臺對數據的分析要具有實時性，為及時發現用戶心臟異常，并提前防治提供保障。

2)合理性：作為醫療類信息檢測分析設備，為降低用戶的患病風險，智能終端設備及平臺的設計要具有合理性，對數據的采集、傳輸及分析要嚴格按照國際規定，確保結果分析的準確性。

3)實用性：傳統心電信息檢測設備有多種類型，但各類設備均存在不足，不能廣泛適用于大眾。因此，智能終端設備及平臺的設計要具有實用性，確保該檢測裝置能夠廣泛適用于不同年齡段、不同身體健康狀況的人群。

1.2 系統設計功能分析

為保證智能終端設備對數據收集的實時性，系統平臺對數據分析結果的準確性，終端設備及平臺的設計需實現以下功能：

(1)終端設備及平臺需具有自檢功能，當設備或平臺出現故障時，能夠及時發出警報，并生成錯誤分析報告。

(2)系統能夠根據不同的用戶個人信息及心臟數據，自動匹配不同年齡段的心臟健康標準，實時生成檢測報告。

(3)系統能夠根據智能終端設備傳輸的實時數據進行分析，生成診斷報告。

1.3 系統模塊化設計

為滿足不同年齡段人群對心臟信息實時檢測的需求，降低用戶患病風險，該文依據模塊化原則，設計開發了一種基于ARM和WIFI技術的心電信號實時檢測系統，該系統由主控模塊、心電心率采集模塊、LCD顯示模塊以及通信模塊組成，各模塊具體功能介紹如下。

圖1 系統設計思路

1)主控模塊：該模塊作為系統的主要控制模塊，能夠有效控制智能終端設備，通過WIFI無線通信技術實現數據的實時采集與傳輸功能，經過分析診斷，通過無線通信模塊發送至LCD顯示模塊。

2)心電采集模塊：心電采集模塊提供生物電信號采集的功能，能夠實時測量心臟的電活動信息，并用于心電圖的繪制，幫助發現各類心臟疾病。

3)心率采集模塊：該模塊提供心率采集的功能，通過將簡單的光學心率傳感器與放大和噪聲消除電路結合，快速簡便地獲取可靠的脈沖讀數。

4)LCD顯示模塊：該模塊具備顯示人體心電數據以及系統生成的分析報告功能，通過無線通信協議連接主控模塊，獲取實時數據。

5)通信模塊：該模塊能夠將帶有串口的嵌入式設備連接到無線網絡中，保證智能終端設備以及系統各模塊的有效連接，確保各類數據的快速傳輸和顯示。

圖2 系統數據流圖

2 系統硬件設計

心電信號實時檢測系統包括主控模塊、心電采集模塊、心率采集模塊、LCD顯示模塊以及通信模塊。主控模塊負責控制智能終端連接系統各模塊；心電心率采集模塊負責收集用戶的各類心電信號；LCD顯示模塊負責顯示用戶心電數據以及系統分析報告；通信模塊負責連接智能終端及各模塊的無線通信，保證數據的傳輸與顯示。系統總體硬件架構設計如圖3所示。

圖3 系統硬件架構圖

2.1 主控模塊

主控模塊由上位機和下位機構成。為提高該心電信號檢測系統的處理速度，增加更多外設，系統使用ARM處理器，MCU為ST公司的STM32F103VE芯片，Cortex-M3內核，處理頻率為72MHz、USB連接器為Micro-B、具有64 kB/128 kB Flash、20 kB RAM、32 kHz實時時鐘晶體，同時，電路板頂部帶有ST-LINK接頭，與傳統8位AVR單片機相比，其性能更加優越、處理速度更快、外設(如ADC、GPIO、USB)數量更多、成本更低。

2.2 心電采集模塊

由于本系統用于非醫院場合，要求移動性強、體積適當，且成本合理，考慮上述因素，該模塊采用AD8232芯片。AD8232作為一款經濟高效的電路板，將帶有一次性電極的ECG傳感器直接連接到用戶胸部，用于測量心臟的電氣活動，把心跳模擬信號轉換為電信號，繪制心電圖，并作為模擬數據輸出。相比于同類芯片，AD8232精巧準確、經濟實用。AD8232儀表放大器參數及運算放大器參數如表1～2所示。

表1 儀表放大器參數

表2 運算放大器參數

2.3 心率采集模塊

為提高心率檢測準確性、方便用戶使用、降低心率測量難度，系統使用Pulse Sensor為心率采集模塊。Pulse Sensor上集成的脈搏傳感器Amped可將簡單的光學心率傳感器與放大和噪聲消除電路相結合，以快速便捷地獲取可靠的脈沖讀數。

2.4 LCD顯示模塊

顯示模塊選用4.3寸的LCD觸摸顯示屏，顯示驅動芯片為SSD1963，是1215k字節幀緩沖顯示控制器，支持864×480×24位圖形內容，支持8位創興RGB接口，可進行0,90,180的硬件旋轉，帶有背光控制，可與單片機相連，提供8至32位的單片機接口和4個GPIO引腳，內置時鐘發生器，充分保證相關數據和報告的顯示效果。

2.5 通信模塊

通信模塊作為連接智能終端以及系統各模塊的主要工具，具有非常重要的作用。本系統使用Simple-Wi-Fi作為通信模塊，其是一種10pcs工業級可移動串口Wi-Fi模塊。USART作為微芯片，用于控制計算機并為其提供RS-232C數據終端設備(DTE)接口，便于與調制解調器和其他串行設備“數據傳輸”并交換數據，保證數據傳輸、命令發送等流程的穩定、快速進行。

3 系統軟件設計

心電信號實時檢測系統的軟件系統由上位機端軟件設計、下位機端軟件設計以及心率電波算法實現三部分組成，本節將具體介紹三部分內容。

圖4 系統程序整體框架圖

3.1 下位機端軟件設計

心電信號的采集主要靠STM32處理器處理，并將波形和數據在LCD上進行顯示。下位機端軟件設計包括GPIO口初始化、LCD初始化以及串口初始化三部分，主要負責心電數據的采集、加工與顯示等工作。

3.1.1 GPIO口初始化

GPIO端口代表輸入、輸出，由于連接微控制器和其他電子設備的標準接口，允許提供外部電源、連接設備的遠程控制、廣播更多上下文數據或定義自定義藍牙數據包。I/O配置過程為選擇端口、選擇輸入輸出并設置輸入輸出模式、設置端口最高速率。

3.1.2 LCD初始化

LCD使用4.3寸高清顯示屏，SSD1963為驅動芯片，支持觸摸功能，LCD控制是掛載在FSMC總線上的，初始化流程如圖5所示。

圖5 LCD初始化流程

3.1.3 串口初始化

串口通信是單片機與上位機交互的一種非常常見的方式，本系統使用RS-232串口用來發送心電信號給PC端，串口配置過程為設置串口波特率、設置傳輸位寬和停止位以及校驗位、設置硬件流控制功能、設置工作方式為接收方式、初始化串行口、打開接收和發送完成中斷。

3.2 上位機端軟件設計

上位機端軟件設計由平臺選擇以及程序設計兩部分組成，本節將具體介紹。

3.2.1 平臺選擇

上位機獲取下位機發送的心電信號必須使用某種數據傳輸方式，考慮到數據傳輸的速度和設備的可擴展性，使用USART串口更為合適。上位機端接收數據選擇.NET平臺，利用WINFORM的SERIALPORT控件，對USART進行配置、打開關閉、數據接收以及數據發送。

3.2.2 程序設計

該部分主要包括串口數據接收程序設計和波形顯示程序設計兩部分，心電數據最直觀的顯示方式是心電圖，其可將人體心電信號的每個區域直觀的顯示出來，該控件將串口接收到的數據進行分析、濾波、放大，實時顯示在上位機端的顯示屏上。程序設計流程如圖6～7所示。

圖6 數據接收程序流程圖

圖7 波形顯示程序流程圖

3.3 心率電波算法實現

該部分要充分考慮ECG噪聲來源，并設計50HZ陷波濾波器，具體內容如下。

ECG噪聲來源：

ECG信號由大約0.5 Hz至100 Hz的低頻信號組成(P波、QRS波群、T波)，此類參數的任意偏差都表明心臟存在異常，因此必須避免如電極接觸噪聲、電源干擾以及肌電噪聲等對ECG信號噪聲的干擾，下面對幾種ECG噪聲進行分析。

1)基線漂移：噪聲產生的原因通常為電極皮膚阻抗的變化以及患者運動、呼吸等活動導致的基線漂移。去除該噪聲最簡單快捷的方法是使用線性不變的高通濾波器并切斷較低頻率的分量。頻率截止的選擇應保證ECG信號不失真，該頻率的選擇取決于最慢心率，在心動過緩期間心率可降至4 bpm，此時截止頻率為0.67 Hz。由于心率不完全規律，截止頻率選擇0.5 Hz更為合適。

2)50 Hz陷波濾波器設計:

ECG噪聲中對心電圖像干擾最大的是頻率為50 Hz的噪聲，因此需設計過濾50 Hz的濾波器進行噪聲過濾。該濾波器設計的關鍵是使用線性相位濾波器，防止相位失真，進而改變心動周期的各種波特性。該文在考慮MCU功耗的情況下選用IIR濾波器，對50 Hz的噪聲進行過濾。該設計使用matlab實現，具體方法為首先設置IIR濾波器采樣頻率fs=1 000 Hz。其次設置PHz的正弦信號f=50。再次設置時間長度為4，采樣間隔為1/fs，ADC采樣頻率為250 Hz。然后使用FDATOOL工具中生成的IIR濾波系數得出傳遞函數,其中Ni與Di為不同的濾波系數。最后通過代碼生成IIR濾波器實現對50 Hz噪聲的過濾。

(1)

響應頻率為：

(2)

其中:

g-njw=cos(nw)-jsin(nw)

(3)

4 實驗結果與分析

在系統設計完成后，為保證系統能在實際環境中應用，該文對系統軟件及智能終端進行嚴格地測試，以發現整個系統中潛在的問題。針對本系統的測試內容主要為軟件和智能終端測試，即針對ECG噪聲濾波器、上位機以及下位機進行測試。

4.1濾波器測試

本節具體測試內容是根據系統需求，生成IIR濾波器系數，根據所生成的濾波系數得到轉移函數，并進一步翻譯成計算機語言轉錄到主控MCU中運行。

4.2 濾波結果測試

為保證濾波器具有良好的濾波效果，需設計算法提前實現50 Hz濾波器，用于了解濾波的實際效果。本次實驗選擇采樣頻率為1 000 Hz，正弦信號為50，ADC采樣頻率為250 Hz，經過試驗，結果如圖8。

圖8 仿真結果

4.3 平臺測試

上位機端以Visual Studio2016位編譯環境，C#為編程語言，設計了串口接收數據程序和波形顯示程序，通過MATLAB仿真設計了50 Hz陷波濾波器，完成對心電信號的濾波處理。經過試驗，上位機可正常工作。

4.4 智能終端測試

下位機部分，采集模塊將采集到的心電信號進行傳輸后轉換為電平信號，通過算法將數字信號濾波、放大，并在LCD上顯示。經過試驗，下位機端可正常工作。

5 結束語

隨著物聯網技術和互聯網技術的發展，智能化的便攜式醫療產品逐漸成為醫療器械領域的領頭羊，智能化心電信號檢測系統也愈加受到人們的青睞。該文根據當前人們對心臟疾病的關注以及現有檢測設備存在的檢測數據易遺漏、易限制病患活動范圍、檢測成本高及對部分人群不友好等問題，設計了一套基于ARM平臺和WIFI技術的心電信號實時檢測系統。該系統以模塊化、低功耗、高性能為設計原則，首先使用智能終端將所需的心電信號進行采集作為模擬信號；其次將模擬信號上傳至平臺，使用ARM處理器進行處理，以提高系統性能、降低能耗、減少開發成本；最后通過WIFI無線通信技術將數據傳輸至LCD上，減少通信成本。實驗結果表明，整個系統實現了對心電信號的采集、分析、數據傳輸以及波形顯示等功能，能夠適用于不同年齡段和不同身體健康狀況的人群，可有效檢測出用戶早期的心臟疾病，為用戶提前防治，降低患病率和死亡風險提供幫助。此外，該系統的可擴展性和實用性強，對于便攜式心電檢測儀的研究開發具有一定借鑒意義。

該系統設計研究過程中仍存在不足，首先在硬件方面可增加一個存儲卡以保存用戶信息，便于對用戶心電信息的二次發掘；然后在軟件方面可繼續研究開發一個智能移動端app，便于用戶及時了解自身心臟健康狀況；最后在通信方面，可在智能終端上增設有線網口，便于更快地與PC端進行數據交互。