一種基于心率實(shí)時(shí)監(jiān)測的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

閆洋洋 毛君龍 李慶奧 袁久達(dá) 陳文鋼

摘要：提出了一種基于傅里葉變換的采用FIFO數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與處理的算法模型，并基于此搭建了硬件系統(tǒng)。首先介紹了硬件系統(tǒng)框架及各外圍電路組成，其次介紹了經(jīng)FIFO數(shù)據(jù)格式優(yōu)化后的傅里葉算法[1]的內(nèi)容原理。最終試驗(yàn)表明，硬件系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可實(shí)時(shí)接收心電信號，優(yōu)化后的算法在保證心率結(jié)果精準(zhǔn)度的同時(shí)切實(shí)縮短了心率計(jì)算周期，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速率，即提高了心率監(jiān)測的實(shí)時(shí)性。因此證明本心率實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞：心率實(shí)時(shí)監(jiān)測;嵌入式儀器;傅里葉變換

0引言

心臟類疾病已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪型{健康的最重大疾病之一。而心率監(jiān)測可以對此類疾病起到良好的預(yù)防和監(jiān)控作用。因此心率監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展對于中老年群體，孕婦，相應(yīng)患者以及亞健康群體的身體健康具有重要意義。由此市場上也出現(xiàn)了大量的包括可穿戴式的心率監(jiān)測設(shè)備，如運(yùn)動(dòng)手環(huán)等等。不少低價(jià)心率監(jiān)測設(shè)備只能人為觸發(fā)監(jiān)測而不能實(shí)時(shí)監(jiān)測，大部分的可實(shí)時(shí)的心率監(jiān)測設(shè)備在實(shí)時(shí)性方面存在一定的滯后性以及存在實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)致的明顯的精確性降低等問題。

根據(jù)以上技術(shù)方面的不足，本實(shí)驗(yàn)采用一種優(yōu)化后的基于FIFO數(shù)據(jù)處理的傅里葉變換算法。搭建硬件處理系統(tǒng)，對原始心電信號進(jìn)行抽樣檢測，對由A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)使用優(yōu)化后的算法進(jìn)行處理。通過實(shí)驗(yàn)論證，本系統(tǒng)在保證實(shí)時(shí)性提高的同時(shí)，保證了心率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并在一定條件下使誤差穩(wěn)定在5%的范圍內(nèi)。

1硬件電路實(shí)現(xiàn)

1.1硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，電路主要分為兩部分。第一部分為模擬前端電路，由心電監(jiān)護(hù)三導(dǎo)聯(lián)線將心電的原始電壓信號經(jīng)模擬前端芯片ADS1292轉(zhuǎn)化為24位的數(shù)字信號，可通過SPI兼容串行接口輸出。第二部分為圍繞STM32F103C8T6設(shè)計(jì)的MCU控制及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電路[2]，該系統(tǒng)的主要功能為驅(qū)動(dòng)模擬前端芯片ADS1292進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在接收到模擬前端的心電信號之后對心電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2單元電路介紹

模擬前端電路是心電采集電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，原理圖如圖2所示，本系統(tǒng)采用生物電傳感器，通過置于體表的多個(gè)測量電極收集心臟起搏所產(chǎn)生的微小電位變化，并在對該模擬信號進(jìn)行低通濾波器濾波[3]后傳導(dǎo)至模擬前端芯片ADS1292。由于此時(shí)模擬前端接收到的模擬信號十分微弱，信號幅值較小，可通過ADS1292內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA）進(jìn)行12倍的信號幅值放大。經(jīng)放大后的模擬信號通過24位的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。同時(shí)經(jīng)過PGA放大后的信號可明顯降低輸入?yún)⒖荚肼暎@在測量低電平生物勢信號時(shí)十分有效。

本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6作為系統(tǒng)的控制核心和數(shù)據(jù)處理核心，該單片機(jī)集成了高性能32位Cortex-M3的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，2個(gè)SPI兼容串行接口，足以滿足系統(tǒng)的外部通信和數(shù)據(jù)運(yùn)算需求，內(nèi)含DSP指令，可進(jìn)行基4的快速傅里葉變換。主控的HSE時(shí)鐘電路采用了8MHZ外部晶振作為系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)的時(shí)鐘源，該時(shí)鐘源經(jīng)過STM32F103C8T6內(nèi)部的鎖相環(huán)電路（PLL）倍頻后可以剛好達(dá)到72MHZ[4]。主控的LSE時(shí)鐘電路采用了32.768KHz的外部晶振作為系統(tǒng)的RTC時(shí)鐘。

2算法設(shè)計(jì)

2.1對直流分量的處理

在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行FFT變換時(shí)，由于直流分量占較大比重，直接傅里葉變換后某些低頻分量會(huì)受其較大影響產(chǎn)生誤差。并且采樣得到的AD轉(zhuǎn)換值都含有較大直流恒定成分，在計(jì)算機(jī)以及嵌入式設(shè)備中直接傅里葉變換極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)太大而溢出，產(chǎn)生重大錯(cuò)誤。所以在實(shí)際FFT變換之間，應(yīng)提前濾除直流分量。

2.2一種基于FIFO數(shù)據(jù)處理格式的傅里葉優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)

在對連續(xù)信號進(jìn)行傅里葉變換與譜分析時(shí)，有三個(gè)重要參量：采樣點(diǎn)數(shù)（N）、采樣頻率（Fs）、最小頻率分度值（F）。在采樣點(diǎn)數(shù)保持一定的情況下（本實(shí)驗(yàn)N=1024）：如果采樣頻率越高，則每次采集點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)所用的時(shí)間就越短，實(shí)時(shí)性就越高，但頻率分辨率會(huì)降低，導(dǎo)致誤差變大。如果在符合采樣定律的情況下采樣頻率越低，則最小頻率分度值會(huì)提高，結(jié)果越精確。但會(huì)使采樣周期時(shí)間延長，降低實(shí)時(shí)性。

采樣頻域的大小與頻率精確度是一對矛盾。本實(shí)驗(yàn)采取一種基于FIFO的優(yōu)化算法[5]：在內(nèi)存中定義一個(gè)1024*8bit的FIFO數(shù)據(jù)。規(guī)定一個(gè)變量，并令A(yù)=α*N。稱α為采樣深度，A為數(shù)據(jù)采入量。在第一次采集后將1024點(diǎn)的AD值載入FIFO，當(dāng)做最初數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行1024點(diǎn)的FFT。從第二次采集開始，可以每次采集A數(shù)量的采樣點(diǎn)數(shù)，并將此時(shí)將FIFO中的前A點(diǎn)的數(shù)據(jù)移出FIFO，將后（1024-A）點(diǎn)數(shù)據(jù)移至FIFO前端，再將新采集的A點(diǎn)數(shù)據(jù)加載到FIFO后端，再進(jìn)行FFT變換。由此可以通過更改采樣深度的大小，改變每次傅里葉變換的數(shù)據(jù)采入量，進(jìn)而改變實(shí)時(shí)性。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

由于真人的心電信號變化范圍小且不方便準(zhǔn)確測量實(shí)際對照值，所以實(shí)驗(yàn)以心電信號發(fā)生器為輸入源產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需心電信號，通過硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)如下：

4結(jié)語

本設(shè)計(jì)搭建的硬件處理系統(tǒng)切實(shí)可行，效果良好。同時(shí)硬件系統(tǒng)的可行性也說明了本設(shè)計(jì)提出的算法模型是合理可行的，這也為其他心率監(jiān)測產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性問題的解決提出了一種思路，尤其是本算法有占用內(nèi)存小，計(jì)算量適中，反應(yīng)速度快，對硬件性能要求低等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于采用32位通用MCU為主控芯片的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]劉華龍，阮宜菁.傅里葉算法暫態(tài)特性以及微機(jī)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間[J].機(jī)電設(shè)備，2020，37（06）：75-78.

[2]葉蓓，何強(qiáng).基于國產(chǎn)MCU的電流輸出裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2020，43（02）：15-20.

[3]高建民.一種基于STM32的智能準(zhǔn)同期裝置的研制[J].天津科技，2019， 46（08）：48-51.

[4]紀(jì)峰，林郁兆.基于單片機(jī)PIC18F87J11的FIR數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子世界，2017（10）：175-176.

[5]陳堅(jiān)，盛慶華，毛禮建，翟依依.基于STM32的音頻信號分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（03）：19-21+34.

作者簡介

閆洋洋（2000—），男，山東省人，本科生。

通訊作者

陳文鋼（1977—），男，山東省人，副教授，研究方向：信號處理與嵌入式。