基于CortexTM-M3 內核的生物電信號處理算法研究與實現

仇 凱

（南京偉思醫療科技股份有限公司，江蘇 南京 210012）

基于CortexTM-M3 內核的生物電信號處理算法研究與實現

仇 凱

（南京偉思醫療科技股份有限公司，江蘇 南京 210012）

基于Cortex-M3內核，對生物電信號算法的研究與實現，作為生物電采集的核心部分，為顯示出準確的生物電信號，要通過不同功能的濾波算法，實現生物電信號“干凈化”。針對要實現的目標，主要完成以下幾個工作：首先要對生物電信號有所認識和了解，針對其波形特點和采集過程，通過對生物電信號采集前端的控制，達到獲取預處理后的生物電信號其次基于Cortex-M3內核。通過數學濾波算法濾除主要干擾：滑動平均數濾波法濾除基線漂移；梳狀濾波法濾除50Hz工頻干擾。這兩個算法具有運算量小、系數整數化等特點，適合于Cortex-M3內核的芯片上實現。最后經過數字濾波后的生物電信號，數據可以存放于SD卡中，同時動態數據可以通過LCD進行顯示。

生物；電信號；Cortex-M3內核；濾波算法

隨著邊緣學科生物學工程的蓬勃發展，在多種層次上研究生物體，特別是人體的結構、功能和其他生命現象，用于研究防病、治病、人體功能輔助及衛生保健的人工材料、制品、裝置和系統，越來越多的醫療儀器得以誕生。設計以高性能、低功耗的基于Cortex?-M3內核的STM32為計算核心，設計一套低功耗、采集快、處理數度準確、攜帶方便等特點的心電圖儀器，使心臟病患者得到實時的監護。另外本設計采用USB2.0總線接口與PC機進行通信，將數據存放到PC機中，解決了STM32芯片本身能存放的數據量的瓶頸。且本設計采用標準I導聯，僅需要3個肢體電極，無需用戶掌握專業的心電圖知識，也可完成測量[1]。

1 方案設計

系統總體設計如圖1所示，本設計是基于Cortex?-M3的STM32F103VE設計的，是TI公司專門為生物電信號的采集而設計的集成芯片，是生物電信號采集的前端，然后通過SPI通信由STM32控制，并且將采集到的信號發送到STM32，最終再將ECG波形通過LCD顯示。

圖1 系統總體設計圖

2 編程環境的簡介及使用

由于本次設計用的是基于ARM7的STM32芯片，所以選擇了MDK（或Keil4）軟件平臺[2]，此編程環境自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊，強大的Simulation設備模擬，性能分析等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，可將性能改善超過20%。具有啟動代碼生成向導；軟件模擬器，完全脫離硬件的軟件開發過程；性能分析器，看得更遠、看得更細、看得更潔；代碼更小、性能更高等突出性。

基于ARM Cortex?-M3的STM32F103VET6M，該處理器是行業領先的32位精簡指令處理器，高性能、低成本，以及其低功耗適用于具有高確定性的實時應用，芯片工作頻率為72MHz，內置高速存儲器（高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM），豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設[3]。這塊芯片在醫療和手持設備中得到廣泛應用。

3 數據采集方法

生物電信號由STM32控制ADS1294進行采集，則利用SPI通信方式進行控制。SPI是高速同步串行口，3～4線接口，收發獨立，可以同步進行。SPI接口主要應用在EEPROM，FLASH，實時時鐘，AD轉換器，還有數字信號處理器和數字信號解碼器之間[4]。是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節約了芯片的管腳。

SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設備和一個或多個從設備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設備共有的，它們是SDI（數據輸入），SDO（數據輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。本次設計SPI主要用于2個地方：ADS1294與STM32之間進行雙向通信；STM32控制TFT顯示的單向通信。

4 軟件結構及算法設計

4.1 軟件架構

軟件的編程包括STM32內部各指令集的使用，以及如何在MDK平臺上使得STM32能夠靈活控制外設，設計的軟件架構如圖2所示。

圖2 軟件架構

4.2 生物電信號濾波算法研究

傳統的濾波算法大多數使用繁瑣的計算公式，運算量比較大，不適合微處理器中。這里結合STM32、ADS1294和心電中存在的干擾類型和特點，研究數字濾波算法，然后在其他濾波算法的基礎上，通過插值法特出一種適合本系統的濾波算法。

（1）生物信號濾波原理。軟件濾波的功能就是通過一定的計算程序，對采集的數據進行處理，從而消除或減弱干擾噪聲的影響，也就是允許某一頻率或頻率段的信號順利通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制。

在濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶。反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率。本系統設計的濾波器主要是濾除心電信號中50Hz的頻率，保留其他頻段。

通過研究數字濾波器的設計方法，針對本系統要濾除的主要干擾，設計一個適合于本處理器的濾波算法，該算法既保證較少的運算量，又在濾除干擾的同時保留特征波形的有效信號[5]。因此，本系統所設計的濾波器具有良好的幅頻特性和嚴格的線性相位特征。

（2）濾除基線漂移。作為主要干擾因素之一的基線漂移，對其濾波是心電信號處理中一個重要的問題，當基線漂移很嚴重時，對波形的識別以及數值的測量造成了困難，有時候甚至無法記錄。這是因為ECG信號是非常微弱的（范圍是0.05Hz～2Hz）的信號，其本身含有豐富的低頻部分，基線漂移會對其造成顯而易見的影響，它掩蓋了ECG某些特征波形，使得后續步驟如QRS波的檢測和識別中增加了觀察分析的難度。本次采用滑動平均數濾除基線漂移。

滑動平均濾波器的基本算法：輸出序列中第n個點為輸入序列中從第n-m+1個點到第n個點的平均值。即對帶有噪聲的原始信號以n個取樣點為一個窗口，取其平均值，窗口每次移一個取樣點，對整個信號作窗口重疊運算，原始信號經過滑動平均濾波后，能將其突變值或峰值屏蔽，使原始信號變為較平緩的信號。如圖3所示，說明了滑動平均濾波后的波形情況。

圖3 滑動平均濾除基線漂移前后時序圖

（3）工頻（50Hz）陷波。50Hz工頻干擾在整個干擾信號中占了一大部分，而按照常規設計方法直接設計50Hz陷波器，要達到較好的濾波效果，設計濾波器的階數一般比較高，而且濾波器系數多為小數，不適合應用于STM32中進行實時處理。本次設計采用梳狀濾波器。梳狀濾波器它是由許多按一定頻率間隔相同排列的通帶和阻帶，只讓某些特定頻率范圍的信號通過。經過梳狀濾波前后的波形如圖4所示。

圖4 梳狀濾波前后時序圖

4.3 心率檢測

心電信號具有準周期性，根據心電信號重復的頻率可以計算出每分鐘心跳次數，即心率。心率算法有很多種。本系統最終采用帶通濾波器方法來計算心率參數，達到了預期目的。通過對原始信號頻譜分析了解到，ECG信號能量集中在低頻范圍內，實際頻率1Hz～50Hz之間。其中接近直流的分量含有基線漂移，需要抑制，而高頻噪聲也需要濾除。因此，可以通過一個帶通濾波器取出ECG信號中能量較為集中的分量。這里設計的濾波器中心頻率設為17Hz（相對頻率為0.068）。該濾波器的幅頻響應曲線和相頻響應曲線如圖5所示。

圖5 帶通濾波器頻率響應

經過帶通濾波后，信號的形態發生了很大變化，突出表現為震蕩式的波峰和波谷。對濾波后的信號進行峰值檢測，就可以確定QRS波距離。

4.4 數據存儲

對于龐大的采集數據，對與存儲容量有限的STM32根本無法滿足，所有得用到SD卡進行存儲。本系統采用容量為2G的SD卡，可以保證連續記錄的數據量。使用前需要先在PC上格式化為FAT32文件系統，然后再將其插入本系統硬件電路板上的SD卡座內。系統上電后自動在根目錄下建立ECG文件夾，在實時采集模式下，系統每隔一定時間就會將采集到的心電數據建立一個文件，保存至ECG文件夾內。文件長度固定為4KB，剛好為SD卡一簇的大小。文件的建立日期、時間分別對應采集結束時刻。這樣便于事后查看相應時刻的心電圖。

5 結論

文章通過基于Cortex-M3 內核的STM32控制ADS1294對生物電信號采集，經過算法處理，最終存儲和顯示。完成了生物電信號采集系統的硬件設計和算法軟件實現，最終做成一個產品系統。攜帶方便、性價比高。主要具有以下成果：①針對通常心電圖儀體積大，攜帶不方便等，做出了一個適合于家庭個人心電監護的作用，具有采集、存儲、顯示等功能，達到預期效果；②在MDK編程平臺上，同過C語言編程，實現了STM32對外設的控制，達到預期效果；③本設計軟件3.3 能夠優化課堂教學組織形式

運用數字化媒體輔助教學，使課堂的形式向多樣化發展。除了集體教學和小組討論之外，還有基于網絡的協作教學形式。學生可以通過基于網頁的交流工具（如聊天室、論壇和視頻會議）進行上機操作，實現人機對話，進行個別輔導；提高學生的自主學習能力，發揮創造性，充分體現了素質教育的主體性和發展性。

3.4 能夠組織時空融合的協作學習

由于知識的多樣性，僅靠在課堂上的學習是遠遠不夠的。基于數字校園的教學模式，有利于學生進行課前與課后，線上與線下的學習活動的整合，形成一個良好的循環系統。除了老師在課堂上進行授課，學生還可以利用非固定的時間進行網絡上課前與課后的協作學習。對在校園數字資源平臺下老師制作的微課以及視頻教學等內容，學生可以進行預習和復習，加深認識。對于課前和課后學習的數字化微課，由于學生不能與教師及同學進行面對面的討論，因此其結構化程度要求較高；而對于課中的微課，如果學生在學習的過程遇到了疑難問題和困惑時，教師是可以及時地進行答疑解惑，所以其結構化程度要求相對較低[3]。

4 數字化校園的其他方面

數字化校園不僅僅體現在數字化的教學，在其他方面也隨處可見。比如學生的興趣小組的選擇，傳統的方法是采用紙質稿進行填寫，這在一定程度上加重了老師的工作任務，通過網絡選課不僅僅便于統計，而且學生能根據自己的興趣愛好選擇自己喜歡的課程選項及學校開設的各項校本課程，等大大的方便了師生。

5 結束語

總之，數字化校園能有效整合學校、家庭、社會教育資源，建構新型的教學模式和教學環境，為師生聯系創建了一個快速、有效的互動平臺。

[1]胡鐵生.微課的內涵理解與教學設計方法[J].廣東教育(綜合版),2014,(4):33-35.

[2]胡鐵生.“微課”:區域教育信息資源發展的新趨勢[J].電化教育研究,2011,(10):61-65.

[3]韓燕,汪一鳴.微課概念及教學應用的解析[J].科教導刊,2015,(32):29-30.

G633.91

A

2096-2789（2016）11-0207-03

文章受到江蘇省教育學會“十二五”教育科研規劃課題資助（SJ-228）。