宋勐翔，陈兰岚
（华东理工大学信息科学与工程学院，上海200237）
摘要：提出一种以ADS1298芯片及STM32F407为基础的心电采集与显示系统设计思路。在介绍心电信号采集基本原理的基础上，构建系统的总体框架，阐述基于ADS1298的信号采集、放大电路以及STM32F407接口电路设计，最后应用μC/GUI实现了心电信号在LCD液晶屏上的实时显示。结果表明，该系统为疾病诊断和健康监护中能应用的高精度、便携式、低功耗心电信号采集分析系统奠定了很好的基础。
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关键词 ：心电信号采集；ADS1298芯片；STM32F407；μC/GUI
中图分类号：TN911.7?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0141?04
收稿日期：2015?01?30
基金项目：上海市大学生创新性实验计划资助项目（S13093）；
国家自然科学基金青年基金资助项目（61201124）；
中央高校基本科研业务基金资助项目（WH1414022）
0 引言
心电信号属于生物电信号，它是心脏无数心肌细胞电活动的综合反映，其中包含了大量的生理和病理信息。通过对心电信号的研究，可以对心血管疾病的诊断、治疗提供有效的辅助分析手段[1]。其在临床医学和认知科学领域具有重要的科学意义。心电信号具有以下几个主要特点：随机性较强，即信号无法用确定的函数式来描述；噪声背景强，预测的有用信号往往淹没在许多无用信号中；信号频率低。心电信号频率较低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要频率范围是0.05~100 Hz，大部分能量集中在0.05~40 Hz。
一般心电采集系统主要包括信号放大与调理、模/数转换、信号处理与传输等。由于信号的微弱性和干扰的复杂性，信号放大与调理的电路比较复杂，导致体积大、功耗高[2]。由TI公司研发的ADS1298高精度A/D转换芯片将信号的滤波及陷波等处理转移到数字端，并且集成了大部分生物电采集功能，实现了便携式心电信号的采集[3]。本文利用该芯片的高精度性能，以STM32F407 为主控芯片，设计一个高集成度的便携式心电采集显示系统。
1 系统原理与架构
1.1 系统原理
图1为心电采集原理图。根据国际标准，在人体上放置10个电极，分别是4个肢体电极：LA（左臂）、RA（右臂）、LL（左腿）、RL（右腿）和6个胸部电极：V1~V6。计算两肢体间的电位差，进而得到3个双极肢体导联Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。由于等边三角形的中心为心脏，并与三角形在同一平面上，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ导联能很好地反应心脏额面的运动状况，但它不能记录单个电极处的电位变化。为了探测心脏某一局部区域电位变化，Wilson提出了单极胸导联的连接方式[4]，将探查电极V1~V6安放在靠近心脏的胸壁上，参考电极置于Wilson中心电端（WCT），分别计算V1~V6与WCT之间的电位差，来反映心脏局部电位的变化。R 为平衡电阻，平衡三个肢体端与心脏间的电阻，阻值在5~300 kΩ之间。RLD为右腿驱动，是抑制电源及其他共模干扰的一种方式[5]，其本质上是一个负反馈，实现方法是将人体的共模干扰信号取出，并反向放大后施加到人体端。
1.2 系统架构
本采集系统支持8通道心电信号的采集，包括6通道胸导联信号。用于反映心脏水平面情况和2通道双极肢体导联信号用于反映心脏额面状况。为实现高精度、高可靠性的心电信号采集，在预处理电路之后，采用ADS1298 作为模拟采集前端并实现模/数转换，应用STM32F407平台实现心电信号在在LCD液晶屏上的实时显示，支持SD 卡存储并预留数据通信接口。系统架构如图2所示。
2 硬件设计
2.1 心电信号采集模块设计
心电信号采集模块主要包括心电信号的采集，放大和模/数转换等过程，具体结构如图3所示。
信号的预处理电路为一个二阶滤波电路，用于限幅和滤除高频电磁波。信号进入ADS1298 后，通过一个电磁干扰滤波器（EMI Filter）来有效抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。本芯片中EMI滤波器带宽为3 MHz。
ADS1298为每一路信号都提供了一个输入复用器（MUX）。除将输入信号传递给放大器这一基本功能外，大部分功能用于对重要设备和子系统进行故障诊断、校准和配置。具体功能有：测量内部噪声，提供测试信号，测量芯片温度，测量供电电压，测量导联脱落信号和测量右腿驱动信号[6]。
信号从输入复用器进入PGA，ADS1298芯片有8个可编程的运算放大器，实际为差分放大器。由于芯片是24位高精度A/D转换器，在参考电压VREF = 2.4 V时，分辨率可以达到0.023 8 μV，考虑到心电信号的典型值为1 mV，故放大增益设为1即可进行信号的放大。
模/数转换器最重要的参数是转换精度与转换速率，为了获得较高的频率分辨率，在每一路通道上使用了24位Σ?Δ调制器，它利用反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声，使信号带宽内的噪声大大减小，而放大了信号带宽外的噪声。相当于将噪声能量从低频段推到了高频段，而对信号本身不起整形作用。此外，ADS1298芯片使用数字抽取滤波器来去除调制后产生的高频噪声，该滤波器由一个三阶的sinc滤波器构成，是可变采样速率的低通滤波器。
2.2 信号处理、显示及存储模块设计
该模块以STM32F407 为控制和处理的核心，其内部资源完全满足心电采集系统的需求，图4 为信号处理、显示及存储模块结构图。
STM32F407 通过SPI 接口读取ADS1298 处理转换的数字信号，将其处理后进行储存和显示。存储部分选用SD 卡，高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。SD 卡的接口可以支持两种操作模式：SD 卡模式和SPI模式。为了简化主机的设计，使用SPI的传输模式，该模式的不足之处是丧失了速度性能。显示部分选用ALIENTEK提供的240×320 TFT显示屏，它的驱动芯片选择ILI9328，主要以列为单位控制屏幕的点亮和刷新，以行为单位控制灰度。所有的数据存在GRAM（Graph?ics RAM）中以减少数据传输工作，只有必须更新的数据才被传送。门驱动有320 个，与列数相同，所送出的波形可以依次将每一行的TFT打开。源驱动有720个，每3个控制1个点的灰度。门驱动与源驱动相配合，即在屏幕上生成了不同颜色的点和图像。
3 软件设计
根据系统功能要求，将基于主控STM32F407 芯片的软件功能设计分为：SPI功能模块、μC/GUI功能模块以及SD功能模块。
3.1 SPI功能模块
SPI 接口作为基于ADS1298 前置放大电路与基于STM32F407数字信号处理模块的传输媒介，是至关重要的环节。ADS1298芯片提供了两种读数据的模式[7]。一种为RDATAC 模式，即连续读数据模式，在该模式下，芯片会按照预先设定的速率不停地采集并转换数据，直到系统收到STOP命令或SDATAC命令。该模式为默认模式，如果需要进入别的模式，比如RREG读寄存器模式，必须首先使用SDATAC命令退出连续读数据模式，否则命令无效。第二种为RDATC模式，即命令读数据模式。在此模式下，每发送一个RDATC 命令，系统转换一次数据。一般用于经常变动寄存器设置的场合，为了方便计算和控制数据个数，本系统采用第二模式。ADS1298芯片有26 个寄存器，需要使用RREG 和WREG 命令来配置诸如转换速率、复用器功能、SPI模式和右腿驱动等功能。图5给出了本系统中SPI的时序。
如图5 所示，片选信号变为低电平后，首先要发送SDATAC命令，接着使用RREG和WREG命令查看和修改寄存器配置。完成后，使START变为高电平，开始转化数据，系统每完成一次数据转换，会发出一个DRDT信号，将该信号作为中断，在中断中发送RDATA命令，取回当前数据，并做一定的处理。
3.2 μC/GUI功能模块
使用的TFT?LCD 利用薄膜晶体管（TFT）产生电压来控制液晶分子转向。μC/GUI的所有命令其实是对驱动芯片寄存器的读/写操作，通过写入多个寄存器的值来控制特定像素点的颜色，形成需要的图像[8]。
μC/GUI将最底层的读写寄存器的函数封装起来，形成画点、画线和画矩形等底层驱动函数。在此基础上，对驱动函数做二次封装，形成适合μC/GUI的核心函数。对于复杂任务，μC/GUI设计了一套基于消息的机制，即所有操作是通过发消息方式实现。为了方便用户使用，μC/GUI 定义了视窗（类似于Windows 的窗口）的概念，并设计了一些窗口控件。在本系统中使用了TEXT、BUTTON和GRAPH窗口控件，其中TEXT控件用于显示特定文字，BUTTON组件及相应的回调函数实现不同通道间数据的切换，GRAPH 组件用于绘制图形及图形坐标。
μC/GUI 是应用消息驱动的，以BUTTON 组件为例。观察BUTTON_Create→ BUTTON_CreateEx 中的WM_CreateWindowAsChild、WIDGET__Init等函数，并没有对LCD 屏的操作，大部分是对参数的记录及赋值。
这些函数并不涉及操作，只是将要做的事情以消息的形式发送，称为μC/GUI 消息的收集机制，通过该机制，μC/GU“I 明白”要做什么。真正的显示是在GUI_Exec函数中，GUI_Exec（）→GUI_Exec1（）→WM_Exec（）→WM_Exec1（）→_DrawNext（）→_Paint（）→WM__Paint?WinAndOverlays（）→_Paint1（）一系列函数负责剪切，即根据收到的消息，确定LCD 需要重新绘制的区域。_Paint1（）→WM_SendMessage（）将所有信息发到对应于BUTTON组件的_Paint函数，_Paint函数接收此信息，调用核心函数完成最后的绘制。
图6是基于μC/GUI的LCD屏实时显示的通道二采集到的心电信号，即I导联信号。
3.3 SD卡功能模块
SD 卡的主要功能是记录采集到的数据，以便做进一步的分析，包含读SD 卡和写SD 卡两个功能。SD 卡的读/写等操作是以命令形式来控制的，可根据命令对多块或单块进行读/写操作。
4 结论与展望
基于ADS1298芯片及STM32F407设计的心电采集及显示系统体积小、采集速度快、数据精度高，完全可用于医学研究和辅助诊断。
系统还可以在以下三个方面改进：一是针对采集到的数据，在单片机中添加算法，对数据进行分析，达到对心血管疾病自诊断的目的[9]。二是充分利用ADS1298芯片内置的起搏信号检测功能和呼吸阻抗测量功能等，将系统的功能多样化、全面化。三是可以扩展一个无线接口[10]，把采集的数据和处理的结果以无线的方式传送到远程接收端，通过无线采集方式，在医院里可以很容易实现远程动态存储和实时监控。
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参考文献
[1] 杨凯华.浅谈心电图临床应用价值[J].医药前沿，2014（7）：346?347.
[2] 谢宏，谢涛.基于ADS1298与FPGA的高性能脑电信号采集系统[J].现代电子技术，2013，36（11）：95?97.
[3] 魏厚杰，官金安，方浩.ADS1298 模拟前端的便携式生理信号采集系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（2）：36?39.
[4] 谢宏，颜林，姚楠，等.基于ADS1298的新型脑电信号采集前端设计[J].电子技术应用，2013（4）：75?78.
[5] 郭继鸿.EASI 导联衍生12 导联的原理[J].临床心电学杂志，2008（3）：163?167.
[6] TI. ADSl298 datasheet [EB/OL]. [2012?12?24]. http：//www.ti.com/lit/ds/sbas459j/sbas459j.pdf.
[7] 刘志峻，靳薇，郭坚.基于体域网的便携式监护系统设计[J].现代科学仪器，2014（1）：35?40.
[8] 刘勇，王学俊，孔新伟，等.基于μC/GUI的触摸屏显示设计[J].液晶与显示，2014（5）：739?744.
[9] 罗旻晖.心电图机自动分析算法的研究与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.
[10] 谢宏，董洋洋，姚楠，等.基于ADS1298与WiFi的脑电信号采集与传输系统设计[J].现代电子技术，2013，36（6）：150?153.
作者简介：宋勐翔（1991—），男，在读硕士研究生。主要从事仪表自动化的研究。陈兰岚，女，副教授。主要从事脑电信号处理的研究。