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1个回答
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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。
上位机最终效果如下 项目中有如下几项关键威廉希尔官方网站 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,并且用半中断传输威廉希尔官方网站 ,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; //ÊäÈëÐźŠw0[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 ***.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威廉希尔官方网站 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); } |
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