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導聯(lián)同步檢測，大部門在醫(yī)院或體檢中心使用，存在設備體積大、不適合院外監(jiān)護等缺點。監(jiān)護心電圖采用三導聯(lián)檢測心電信號，主要有CCU、ICU監(jiān)護室的實時心電監(jiān)護儀，按次數(shù)收費，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，可檢測不同導聯(lián)心電信號，設備需要提前預約，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，設計了一種基于GD32F350R8的單導聯(lián)心電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單導聯(lián)的方式獲取心電信號，只需將導聯(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)采用藍牙的傳輸方式，將心電信號通過藍牙實時上傳至手機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，為進一步醫(yī)生確診提供詳細的參考依據(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、獨立按鍵、LED顯示燈、藍牙模塊、手機APP和服務器組成。其中，微控制器GD32F350R8、獨立按鍵和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，并通過藍牙傳輸至APP端進行算法處理和繪制。

GD32F350R8通過UART0與藍牙模塊（nRF52832）連接，通過外部中斷的方式判斷藍牙是否連接上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)成藍牙數(shù)據(jù)，傳輸至手機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，分各個模塊進一步詳細介紹。

3控制和開發(fā)流程

一、硬件設計

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。模擬看門狗允許應用程序來檢測輸入電壓是否超出用戶設定的高低閾值。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)設置ADC為12位分辨率，采用定時器設置采樣頻率，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置可以通過APP設置，APP通過藍牙下發(fā)指令，藍牙模塊將指令通過串口下發(fā)，如圖7所示，設置成功后，實時時鐘會顯示在TFT顯示屏上，并按秒更新計數(shù)。

3.4 藍牙模塊

圖8 nRF52832最小系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)采用nRF52832設計藍牙模塊，最小系統(tǒng)電路圖如圖8所示。上電后，nRF52832廣播藍牙連接消息，未與手機藍牙建立連接時，引腳STATUS為高電平，LED閃爍，建立藍牙連接時，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)，并通過藍牙傳輸至手機APP，手機APP繪制實時心電圖，如圖9所示。斷開藍牙連接后，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，保持當前狀態(tài)。

二、軟件設計

圖11 GD32F350軟件設計流程圖

GD32F350R8軟件設計流程圖如圖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。藍牙未連接時，STATUS引腳為高電平，當藍牙連接上，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；當藍牙斷開時，STATUS引腳由低電平變?yōu)楦唠娖剑|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藍牙模塊軟件設計流程圖

nRF52832藍牙模塊的軟件設計流程圖如圖12所示，其主要功能為將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成藍牙數(shù)據(jù)發(fā)送至APP手機客戶端，并通過STATUS輸出引腳通知GD32F350R8是否已經(jīng)連接上藍牙。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)的安全性和不可復制性。

4實驗圖片和視頻

本作品采用單導聯(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，便于使用者能夠更加方便快捷地獲取到準確的數(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，引導使用者堅持健康的生活方式。

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