1項目介紹

傳統(tǒng)心電監(jiān)測常見有常規(guī)心電圖檢測、監(jiān)護(hù)心電圖檢測和動態(tài)心電圖檢測。常規(guī)心電圖檢測使用12導(dǎo)聯(lián)同步檢測，大部門在醫(yī)院或體檢中心使用，存在設(shè)備體積大、不適合院外監(jiān)護(hù)等缺點(diǎn)。監(jiān)護(hù)心電圖采用三導(dǎo)聯(lián)檢測心電信號，主要有CCU、ICU監(jiān)護(hù)室的實時心電監(jiān)護(hù)儀，按次數(shù)收費(fèi)，僅限于醫(yī)院。而常見的動態(tài)心電圖檢測配合不同數(shù)量的電極，可檢測不同導(dǎo)聯(lián)心電信號，設(shè)備需要提前預(yù)約，數(shù)據(jù)分析和報告獲取都必須前往醫(yī)院，且不夠便攜。

為了更加便捷高效地監(jiān)測人體的心律特征，設(shè)計了一種基于GD32F350R8的單導(dǎo)聯(lián)心電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單導(dǎo)聯(lián)的方式獲取心電信號，只需將導(dǎo)聯(lián)電極片安裝于使用者手上，即可隨時隨地查看自己的心電圖，無需前往醫(yī)院專門檢查自己的心臟健康情況。系統(tǒng)采用藍(lán)牙的傳輸方式，將心電信號通過藍(lán)牙實時上傳至手機(jī)APP端，APP端集成心電信號的濾波算法，實時繪制使用者的心電圖，同時，在測量結(jié)束后，給出測量報告。該系統(tǒng)不但解決了傳統(tǒng)心電監(jiān)測設(shè)備不方便的問題，還可以為使用者提供心電分析報告及心電圖，為進(jìn)一步醫(yī)生確診提供詳細(xì)的參考依據(jù)。

2方案框圖

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，系統(tǒng)主要由微控制器GD32F350R8、TFT顯示屏、心電信號處理電路、金屬電極片、獨(dú)立按鍵、LED顯示燈、藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP和服務(wù)器組成。其中，微控制器GD32F350R8、獨(dú)立按鍵和LED顯示燈集成于GD32F350R8開發(fā)板上，其他部分的硬件和軟件為自主設(shè)計。系統(tǒng)利用的GD32F350R8的資源包括RTC、定時器Timer0、串口USART0和串口USART1、ADC轉(zhuǎn)換、SPI總線、外部中斷EXTI和GPIO控制，融合心電信號處理算法，可以實現(xiàn)實時心電數(shù)據(jù)的采集，并通過藍(lán)牙傳輸至APP端進(jìn)行算法處理和繪制。

GD32F350R8通過UART0與藍(lán)牙模塊（nRF52832）連接，通過外部中斷的方式判斷藍(lán)牙是否連接上APP，通過GPIO控制LED指示燈，通過外部中斷的方式判斷獨(dú)立按鍵，通過SPI/UART1與TFT顯示屏連接，并將RTC實時時鐘顯示在屏幕上，接收心電信號處理電路的輸出信號，通過ADC采樣，利用TIMER0定時采樣，即設(shè)置采樣率。GD32F350R8的時鐘源采用外部高速晶振8MHz以及外部低速時鐘32.768KHz（自己焊接）。

藍(lán)牙模塊以nRF52832為主控芯片，通過串口與GD32F350R8連接，將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成藍(lán)牙數(shù)據(jù)，傳輸至手機(jī)APP實時顯示并給出評估報告。

TFT顯示屏主要顯示圖片、動態(tài)滾動字幕、動態(tài)實時時鐘、靜態(tài)文字等。

心電信號處理電路主要用于放大濾波穩(wěn)定微弱的心電信號，是整個系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)條件。

下面，分各個模塊進(jìn)一步詳細(xì)介紹。

3控制和開發(fā)流程

一、硬件設(shè)計

3.1 GD32F350R8最小系統(tǒng)（開發(fā)板）

圖2 GD32F350開發(fā)板

作為主MCU，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，調(diào)用內(nèi)部很多資源。該系統(tǒng)采用了GD32F350R8的以下功能：

異步通信接口UART0和UART1

外部高速時鐘HXAL，8MHz晶振（自己焊接）

GPIO 通用輸入輸出接口

軟件模擬I2C，SPI總線通信協(xié)議

RTC實時時鐘；

外部低速時鐘LXAL，32.768KHz晶振（自己焊接）

Timer0定時器捕獲高速輸入

12位ADC單次采樣連續(xù)模式

外部中斷，邊沿觸發(fā)

可以說，兆易創(chuàng)新推出的這款GD32F350R8芯片，無論是從高頻率的處理速度還是資源的配備上，都是能夠滿足絕大部分的應(yīng)用。

3.2 心電信號處理電路

圖3 心電信號處理電路

圖4 心電信號處理電路供電電路

如圖3所示，為心電信號處理電路（由于知識產(chǎn)權(quán)原因，具體參數(shù)不提供），該部分是整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最終功能的基礎(chǔ)，包括心電信號放大、濾波、穩(wěn)定。電路采用3.0V直流穩(wěn)壓電源供電，圖4為心電信號處理電路供電電路。心電信號處理電路輸出端信號傳入至GD32F350R8的通道11進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。GD32F350R8采用逐次逼近方式的12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，有 19 個多路復(fù)用通道，可以測量來自16個外部通道，2個內(nèi)部通道和電池電壓（VBAT）通道的模擬信號。模擬看門狗允許應(yīng)用程序來檢測輸入電壓是否超出用戶設(shè)定的高低閾值。每個通道的A/D 轉(zhuǎn)換可以配置成單次、連續(xù)、掃描或間斷轉(zhuǎn)換模式。如果GD32F350R8能夠支持差分輸入ADC就更好了。本系統(tǒng)設(shè)置ADC為12位分辨率，采用定時器設(shè)置采樣頻率，采樣頻率為250Hz。

圖5 心電信號處理電路實物圖

圖6 金屬導(dǎo)聯(lián)電極片

如圖5所示，為心電信號處理電路實物圖。電路的輸出為一路模擬信號輸入至GD32F350R8的ADC通道，電路的輸入為三個金屬導(dǎo)聯(lián)電極片，分別接人體任意三個部位，但不能兩兩短路，如圖6所示，為三個金屬導(dǎo)聯(lián)電極片。

3.3 TFT顯示屏和RTC實時時鐘

圖7 TFT顯示屏顯示內(nèi)容及實時時鐘

TFT顯示屏主要顯示圖片、靜態(tài)文字、滾動字幕、實時時鐘以及繪制心電圖波形。

RTC實時時鐘的初始化設(shè)置可以通過APP設(shè)置，APP通過藍(lán)牙下發(fā)指令，藍(lán)牙模塊將指令通過串口下發(fā)，如圖7所示，設(shè)置成功后，實時時鐘會顯示在TFT顯示屏上，并按秒更新計數(shù)。

3.4 藍(lán)牙模塊

圖8 nRF52832最小系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用nRF52832設(shè)計藍(lán)牙模塊，最小系統(tǒng)電路圖如圖8所示。上電后，nRF52832廣播藍(lán)牙連接消息，未與手機(jī)藍(lán)牙建立連接時，引腳STATUS為高電平，LED閃爍，建立藍(lán)牙連接時，引腳STATUS為低電平，LED常亮，觸發(fā)GD32F350R8外部下跳沿中斷，GD32F350R8開啟定時中斷和ADC采樣，nRF52832通過串口接收心電數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙傳輸至手機(jī)APP，手機(jī)APP繪制實時心電圖，如圖9所示。斷開藍(lán)牙連接后，引腳STATUS為高電平，LED閃爍，觸發(fā)GD32F350R8外部上升沿中斷，GD32F350R8關(guān)閉定時中斷和ADC采樣，手機(jī)APP結(jié)束繪制心電圖，并給出心電圖綜合評估報告，如圖10所示。

圖9 實時心電圖

圖10 心電圖綜合評估報告

3.5 獨(dú)立按鍵和LED顯示燈

這兩個部分的硬件在GD32F350R8的開發(fā)板上有，主要用于按鍵事件觸發(fā)及工作指示功能。當(dāng)開始心電采集時，LED顯示燈呈流水燈式變化，否則靜止不動，保持當(dāng)前狀態(tài)。

二、軟件設(shè)計

圖11 GD32F350軟件設(shè)計流程圖

GD32F350R8軟件設(shè)計流程圖如圖11所示。首先，系統(tǒng)初始化，包括GPIO輸入輸出、外部中斷、ADC初始化、SPI初始化、串口UART0和UART1初始化、定時器初始化、系統(tǒng)參數(shù)初始化等等。藍(lán)牙未連接時，STATUS引腳為高電平，當(dāng)藍(lán)牙連接上，STATUS引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)GD32F350R8的外部下跳沿中斷事件，則開啟ADC和定時器，LED燈開始流水燈式閃爍，系統(tǒng)開始正常工作；當(dāng)藍(lán)牙斷開時，STATUS引腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)GD32F350R8的外部上升沿中斷事件，則關(guān)閉ADC和定時器，LED停止閃爍；

圖12 nRF52832藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計流程圖

nRF52832藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計流程圖如圖12所示，其主要功能為將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成藍(lán)牙數(shù)據(jù)發(fā)送至APP手機(jī)客戶端，并通過STATUS輸出引腳通知GD32F350R8是否已經(jīng)連接上藍(lán)牙。串口數(shù)據(jù)遵循數(shù)據(jù)格式，若不是定義的數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)，將被視為無效數(shù)據(jù)丟棄，目的是保證系統(tǒng)的安全性和不可復(fù)制性。

4實驗圖片和視頻

本作品采用單導(dǎo)聯(lián)采集人體心電信號，通過算法提高心電測量的精確度和準(zhǔn)確度，為使用者提供心電相關(guān)聯(lián)的生理健康參數(shù)指標(biāo)，便于使用者能夠更加方便快捷地獲取到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為身體感到異常時提供就醫(yī)參考數(shù)據(jù)及病歷，同時間接改變使用者的生理作息，引導(dǎo)使用者堅持健康的生活方式。

本作品可以應(yīng)用于智慧養(yǎng)老，提供心電監(jiān)測及改善產(chǎn)品和集成軟件API接口。還可以應(yīng)用于智慧醫(yī)療，基于心電診療醫(yī)院等單位/機(jī)構(gòu)推出的心電監(jiān)測及改善服務(wù)。