基于ARM和WIFI技术的心电信号实时检测系统设计与研究

张 昊，孙 元，王志刚，王换换

(1.徐州市口腔医院 信息科，江苏 徐州 2210022.徐州医科大学 医学信息与工程学院， 江苏 徐州 221000)

0 引言

社会的快速发展让人们对自身健康状况有了更高要求，而心血管疾病作为诱发患者死亡的主要原因[1]，对其进行预测和防治是研究人员及公众关注的重点。因此，如何提前预测心脏疾病并进行有效防治成为当下研究热点。

目前，国内外已存在多种类型的心电信息检测设备，如普通心电图机、动态心电图机以及运动心电图机。普通心电图机作为应用最广泛的心电图检查设备，检查成本低，能够在患者心脏病发时诊断出病理情形，但无法预测突发疾病，且易发生检测遗漏的问题[2]；动态心电图机可不间断地记录患者所有ECG信号，但在临床使用中，该类设备限制了病人的活动，且检查成本高[3]；运动心电图机需在被测者运动时进行检查，该方式对检测早期冠心病有显著效果，但对身体薄弱者及老年人并不友好[4]。

针对上述问题以及患者疾病检测的需要，该文设计了一种基于Advanced RISC Machine(ARM)[5-6]和Wireless Fidelity(WIFI)技术的心电信号实时检测系统。该系统通过对患者的心率数据、心电波形等信号进行采集，利用LCD将信号实时显示，MCU将处理过的心电信息通过Simple Wi-Fi[7-8]技术上传至PC端，PC端软件对心电信息实时显示并对被测者的心电数据进行分析，进而得出患者的心脏健康状况，以改善现阶段人们无法快速、准确了解本人心脏健康状况的问题。相对于传统的心电信息采集设备而言，该平台及终端设备的设计能够有效检测出患者早期的心脏疾病，为患者尽早防治，降低死亡风险提供帮助。

1 系统整体设计方案

1.1 系统设计目标分析

为保证基于ARM和WIFI技术的心电信号实时检测系统以及终端设备能够不间断地收集、分析用户的心脏数据，给出用户当前心脏健康状况，系统及终端设备设计需实现以下几点目标。

1)实时性：由于潜伏的或早期的心脏疾病不易被检测，异常心电信号可能存在于某一不确定的时段。因此，智能终端对数据的收集传输以及平台对数据的分析要具有实时性，为及时发现用户心脏异常，并提前防治提供保障。

2)合理性：作为医疗类信息检测分析设备，为降低用户的患病风险，智能终端设备及平台的设计要具有合理性，对数据的采集、传输及分析要严格按照国际规定，确保结果分析的准确性。

3)实用性：传统心电信息检测设备有多种类型，但各类设备均存在不足，不能广泛适用于大众。因此，智能终端设备及平台的设计要具有实用性，确保该检测装置能够广泛适用于不同年龄段、不同身体健康状况的人群。

1.2 系统设计功能分析

为保证智能终端设备对数据收集的实时性，系统平台对数据分析结果的准确性，终端设备及平台的设计需实现以下功能：

(1)终端设备及平台需具有自检功能，当设备或平台出现故障时，能够及时发出警报，并生成错误分析报告。

(2)系统能够根据不同的用户个人信息及心脏数据，自动匹配不同年龄段的心脏健康标准，实时生成检测报告。

(3)系统能够根据智能终端设备传输的实时数据进行分析，生成诊断报告。

1.3 系统模块化设计

为满足不同年龄段人群对心脏信息实时检测的需求，降低用户患病风险，该文依据模块化原则，设计开发了一种基于ARM和WIFI技术的心电信号实时检测系统，该系统由主控模块、心电心率采集模块、LCD显示模块以及通信模块组成，各模块具体功能介绍如下。

图1 系统设计思路

1)主控模块：该模块作为系统的主要控制模块，能够有效控制智能终端设备，通过WIFI无线通信技术实现数据的实时采集与传输功能，经过分析诊断，通过无线通信模块发送至LCD显示模块。

2)心电采集模块：心电采集模块提供生物电信号采集的功能，能够实时测量心脏的电活动信息，并用于心电图的绘制，帮助发现各类心脏疾病。

3)心率采集模块：该模块提供心率采集的功能，通过将简单的光学心率传感器与放大和噪声消除电路结合，快速简便地获取可靠的脉冲读数。

4)LCD显示模块：该模块具备显示人体心电数据以及系统生成的分析报告功能，通过无线通信协议连接主控模块，获取实时数据。

5)通信模块：该模块能够将带有串口的嵌入式设备连接到无线网络中，保证智能终端设备以及系统各模块的有效连接，确保各类数据的快速传输和显示。

图2 系统数据流图

2 系统硬件设计

心电信号实时检测系统包括主控模块、心电采集模块、心率采集模块、LCD显示模块以及通信模块。主控模块负责控制智能终端连接系统各模块；心电心率采集模块负责收集用户的各类心电信号；LCD显示模块负责显示用户心电数据以及系统分析报告；通信模块负责连接智能终端及各模块的无线通信，保证数据的传输与显示。系统总体硬件架构设计如图3所示。

图3 系统硬件架构图

2.1 主控模块

主控模块由上位机和下位机构成。为提高该心电信号检测系统的处理速度，增加更多外设，系统使用ARM处理器，MCU为ST公司的STM32F103VE芯片，Cortex-M3内核，处理频率为72MHz、USB连接器为Micro-B、具有64 kB/128 kB Flash、20 kB RAM、32 kHz实时时钟晶体，同时，电路板顶部带有ST-LINK接头，与传统8位AVR单片机相比，其性能更加优越、处理速度更快、外设(如ADC、GPIO、USB)数量更多、成本更低。

2.2 心电采集模块

由于本系统用于非医院场合，要求移动性强、体积适当，且成本合理，考虑上述因素，该模块采用AD8232芯片。AD8232作为一款经济高效的电路板，将带有一次性电极的ECG传感器直接连接到用户胸部，用于测量心脏的电气活动，把心跳模拟信号转换为电信号，绘制心电图，并作为模拟数据输出。相比于同类芯片，AD8232精巧准确、经济实用。AD8232仪表放大器参数及运算放大器参数如表1～2所示。

表1 仪表放大器参数

表2 运算放大器参数

2.3 心率采集模块

为提高心率检测准确性、方便用户使用、降低心率测量难度，系统使用Pulse Sensor为心率采集模块。Pulse Sensor上集成的脉搏传感器Amped可将简单的光学心率传感器与放大和噪声消除电路相结合，以快速便捷地获取可靠的脉冲读数。

2.4 LCD显示模块

显示模块选用4.3寸的LCD触摸显示屏，显示驱动芯片为SSD1963，是1215k字节帧缓冲显示控制器，支持864×480×24位图形内容，支持8位创兴RGB接口，可进行0,90,180的硬件旋转，带有背光控制，可与单片机相连，提供8至32位的单片机接口和4个GPIO引脚，内置时钟发生器，充分保证相关数据和报告的显示效果。

2.5 通信模块

通信模块作为连接智能终端以及系统各模块的主要工具，具有非常重要的作用。本系统使用Simple-Wi-Fi作为通信模块，其是一种10pcs工业级可移动串口Wi-Fi模块。USART作为微芯片，用于控制计算机并为其提供RS-232C数据终端设备(DTE)接口，便于与调制解调器和其他串行设备“数据传输”并交换数据，保证数据传输、命令发送等流程的稳定、快速进行。

3 系统软件设计

心电信号实时检测系统的软件系统由上位机端软件设计、下位机端软件设计以及心率电波算法实现三部分组成，本节将具体介绍三部分内容。

图4 系统程序整体框架图

3.1 下位机端软件设计

心电信号的采集主要靠STM32处理器处理，并将波形和数据在LCD上进行显示。下位机端软件设计包括GPIO口初始化、LCD初始化以及串口初始化三部分，主要负责心电数据的采集、加工与显示等工作。

3.1.1 GPIO口初始化

GPIO端口代表输入、输出，由于连接微控制器和其他电子设备的标准接口，允许提供外部电源、连接设备的远程控制、广播更多上下文数据或定义自定义蓝牙数据包。I/O配置过程为选择端口、选择输入输出并设置输入输出模式、设置端口最高速率。

3.1.2 LCD初始化

LCD使用4.3寸高清显示屏，SSD1963为驱动芯片，支持触摸功能，LCD控制是挂载在FSMC总线上的，初始化流程如图5所示。

图5 LCD初始化流程

3.1.3 串口初始化

串口通信是单片机与上位机交互的一种非常常见的方式，本系统使用RS-232串口用来发送心电信号给PC端，串口配置过程为设置串口波特率、设置传输位宽和停止位以及校验位、设置硬件流控制功能、设置工作方式为接收方式、初始化串行口、打开接收和发送完成中断。

3.2 上位机端软件设计

上位机端软件设计由平台选择以及程序设计两部分组成，本节将具体介绍。

3.2.1 平台选择

上位机获取下位机发送的心电信号必须使用某种数据传输方式，考虑到数据传输的速度和设备的可扩展性，使用USART串口更为合适。上位机端接收数据选择.NET平台，利用WINFORM的SERIALPORT控件，对USART进行配置、打开关闭、数据接收以及数据发送。

3.2.2 程序设计

该部分主要包括串口数据接收程序设计和波形显示程序设计两部分，心电数据最直观的显示方式是心电图，其可将人体心电信号的每个区域直观的显示出来，该控件将串口接收到的数据进行分析、滤波、放大，实时显示在上位机端的显示屏上。程序设计流程如图6～7所示。

图6 数据接收程序流程图

图7 波形显示程序流程图

3.3 心率电波算法实现

该部分要充分考虑ECG噪声来源，并设计50HZ陷波滤波器，具体内容如下。

ECG噪声来源：

ECG信号由大约0.5 Hz至100 Hz的低频信号组成(P波、QRS波群、T波)，此类参数的任意偏差都表明心脏存在异常，因此必须避免如电极接触噪声、电源干扰以及肌电噪声等对ECG信号噪声的干扰，下面对几种ECG噪声进行分析。

1)基线漂移：噪声产生的原因通常为电极皮肤阻抗的变化以及患者运动、呼吸等活动导致的基线漂移。去除该噪声最简单快捷的方法是使用线性不变的高通滤波器并切断较低频率的分量。频率截止的选择应保证ECG信号不失真，该频率的选择取决于最慢心率，在心动过缓期间心率可降至4 bpm，此时截止频率为0.67 Hz。由于心率不完全规律，截止频率选择0.5 Hz更为合适。

2)50 Hz陷波滤波器设计:

ECG噪声中对心电图像干扰最大的是频率为50 Hz的噪声，因此需设计过滤50 Hz的滤波器进行噪声过滤。该滤波器设计的关键是使用线性相位滤波器，防止相位失真，进而改变心动周期的各种波特性。该文在考虑MCU功耗的情况下选用IIR滤波器，对50 Hz的噪声进行过滤。该设计使用matlab实现，具体方法为首先设置IIR滤波器采样频率fs=1 000 Hz。其次设置PHz的正弦信号f=50。再次设置时间长度为4，采样间隔为1/fs，ADC采样频率为250 Hz。然后使用FDATOOL工具中生成的IIR滤波系数得出传递函数,其中Ni与Di为不同的滤波系数。最后通过代码生成IIR滤波器实现对50 Hz噪声的过滤。

(1)

响应频率为：

(2)

其中:

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

(3)

4 实验结果与分析

在系统设计完成后，为保证系统能在实际环境中应用，该文对系统软件及智能终端进行严格地测试，以发现整个系统中潜在的问题。针对本系统的测试内容主要为软件和智能终端测试，即针对ECG噪声滤波器、上位机以及下位机进行测试。

4.1滤波器测试

本节具体测试内容是根据系统需求，生成IIR滤波器系数，根据所生成的滤波系数得到转移函数，并进一步翻译成计算机语言转录到主控MCU中运行。

4.2 滤波结果测试

为保证滤波器具有良好的滤波效果，需设计算法提前实现50 Hz滤波器，用于了解滤波的实际效果。本次实验选择采样频率为1 000 Hz，正弦信号为50，ADC采样频率为250 Hz，经过试验，结果如图8。

图8 仿真结果

4.3 平台测试

上位机端以Visual Studio2016位编译环境，C#为编程语言，设计了串口接收数据程序和波形显示程序，通过MATLAB仿真设计了50 Hz陷波滤波器，完成对心电信号的滤波处理。经过试验，上位机可正常工作。

4.4 智能终端测试

下位机部分，采集模块将采集到的心电信号进行传输后转换为电平信号，通过算法将数字信号滤波、放大，并在LCD上显示。经过试验，下位机端可正常工作。

5 结束语

随着物联网技术和互联网技术的发展，智能化的便携式医疗产品逐渐成为医疗器械领域的领头羊，智能化心电信号检测系统也愈加受到人们的青睐。该文根据当前人们对心脏疾病的关注以及现有检测设备存在的检测数据易遗漏、易限制病患活动范围、检测成本高及对部分人群不友好等问题，设计了一套基于ARM平台和WIFI技术的心电信号实时检测系统。该系统以模块化、低功耗、高性能为设计原则，首先使用智能终端将所需的心电信号进行采集作为模拟信号；其次将模拟信号上传至平台，使用ARM处理器进行处理，以提高系统性能、降低能耗、减少开发成本；最后通过WIFI无线通信技术将数据传输至LCD上，减少通信成本。实验结果表明，整个系统实现了对心电信号的采集、分析、数据传输以及波形显示等功能，能够适用于不同年龄段和不同身体健康状况的人群，可有效检测出用户早期的心脏疾病，为用户提前防治，降低患病率和死亡风险提供帮助。此外，该系统的可扩展性和实用性强，对于便携式心电检测仪的研究开发具有一定借鉴意义。

该系统设计研究过程中仍存在不足，首先在硬件方面可增加一个存储卡以保存用户信息，便于对用户心电信息的二次发掘；然后在软件方面可继续研究开发一个智能移动端app，便于用户及时了解自身心脏健康状况；最后在通信方面，可在智能终端上增设有线网口，便于更快地与PC端进行数据交互。