基于STM32 的心電和脈搏波監(jiān)測(cè)

陳飆，鄒遠(yuǎn)文

（四川大學(xué)，四川成都 610065）

隨著人們對(duì)于自身生理健康的日漸重視，在日常生活中能夠方便、實(shí)時(shí)地進(jìn)行生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)變得愈加重要。

人體的心電（ECG）和脈搏波含有豐富的生理信息，具有醫(yī)療和健康指導(dǎo)意義。利用心電波形可以進(jìn)行異常心跳的檢測(cè)與分類[1]，而利用脈搏波特別是光電容積描記脈搏波（PPG）可以進(jìn)行多種心血管疾病的診斷[2]，甚至可以結(jié)合ECG 和PPG 進(jìn)行血壓的預(yù)測(cè)[3]。因此，本文基于STM32 設(shè)計(jì)了一種生理信號(hào)監(jiān)測(cè)方案，可以實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)清晰穩(wěn)定的ECG 和PPG 波形。

1 總體設(shè)計(jì)與流程

方案總體上由信號(hào)的采集、處理和顯示3 個(gè)部分構(gòu)成。其中采集部分由STM32 的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）部分對(duì)心電模塊和脈搏波傳感器采集的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣從而轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，而處理部分則是由STM32對(duì)采樣的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波并實(shí)時(shí)提取信號(hào)波形的特征計(jì)算一些生理參數(shù)，顯示部分是STM32 將處理后的信號(hào)和特征參數(shù)通過LCD 屏和LabVIEW 上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

方案選用的器件包括用于采集模擬生理信號(hào)的AD8232 心電模塊、脈搏波傳感器，用作主控芯片的STM32F103C8T6，用于顯示的LCD 屏和運(yùn)行LabVIEW上位機(jī)的個(gè)人電腦（PC）。

2 信號(hào)采集

STM32F103C8T6 的信號(hào)采集部分工作流程如圖1所示，包括STM32 對(duì)ECG 和PPG 模擬信號(hào)的ADC采樣及采樣后數(shù)字信號(hào)的DMA（Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問）傳輸。

圖1 STM32 的模擬信號(hào)采集流程

2.1 ADC 采樣

由于需要同步采集ECG 和PPG，所以使用STM32的雙ADC 同步規(guī)則模式，即ADC1（主ADC）的外部觸發(fā)同時(shí)給ADC2（從ADC）提供觸發(fā)，這樣ADC1和ADC2 的2 個(gè)通道就能同時(shí)進(jìn)行ADC 采樣。主ADC的外部觸發(fā)源配置為通用定時(shí)器TIM3 的TRGO 觸發(fā)輸出信號(hào)，同時(shí)將定時(shí)器的TRGO 信號(hào)配置為定時(shí)器的更新事件，這里是定時(shí)器的計(jì)數(shù)器在向上計(jì)數(shù)模式下從0 計(jì)數(shù)到自動(dòng)重裝載值產(chǎn)生溢出時(shí)的更新事件。因此ADC 的采樣頻率實(shí)際上由計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率和自動(dòng)重裝載值決定，可由以下公式計(jì)算：

式中：fADC為ADC 的采樣頻率的數(shù)值，也是計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)溢出的更新頻率的數(shù)值；RARR為自動(dòng)重裝載寄存器的數(shù)值；fCNT為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率的數(shù)值；fPSC為定時(shí)器的時(shí)鐘頻率，由APB1 總線的時(shí)鐘頻率結(jié)合APB1的預(yù)分頻系數(shù)獲得，此處為72 MHz。

這里將PSC 預(yù)分頻值設(shè)置為71，ARR 自動(dòng)重裝載值設(shè)置為1 000，從而得到1 kHz 的ADC 采樣頻率。

2.2 DMA 傳輸

在完成一次ADC 采樣后，ADC1 和ADC2 同時(shí)轉(zhuǎn)換的2 個(gè)12 位ADC 值分別存儲(chǔ)在32 位的ADC1 數(shù)據(jù)寄存器的低16 位和高16 位中，為了避免連續(xù)轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)據(jù)被覆蓋丟失，需要及時(shí)讀取。另外，為了避免CPU（中央處理器）頻繁響應(yīng)中斷，選擇DMA 來進(jìn)行外設(shè)ADC 到內(nèi)部存儲(chǔ)器的高速數(shù)據(jù)傳輸。STM32 的DMA1 通道1 在內(nèi)部直接與ADC1 相連，除了基本的數(shù)據(jù)傳輸方向（從外設(shè)讀）、外設(shè)數(shù)據(jù)寬度（32 位）等配置，還需要注意在內(nèi)存中預(yù)先分配一個(gè)數(shù)組作為緩沖區(qū)，緩沖區(qū)的大小也是DMA 通道的CNDTR 傳輸數(shù)量寄存器的值，進(jìn)一步將DMA 通道配置為循環(huán)模式，存儲(chǔ)器地址執(zhí)行增量操作，這樣DMA 就能自動(dòng)搬運(yùn)數(shù)據(jù)填滿數(shù)組緩沖區(qū)，并且下一次自動(dòng)從數(shù)組基地址重頭開始向內(nèi)存搬運(yùn)數(shù)據(jù)。

為了避免緩沖區(qū)數(shù)據(jù)被覆蓋，需要及時(shí)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，但同時(shí)不應(yīng)影響DMA 的高速連續(xù)傳輸，因此需要采用類似乒乓緩存的雙緩沖區(qū)[4]，并且使能DMA 的HT 傳輸過半中斷和TC 傳輸完成中斷。每當(dāng)DMA 傳輸50%的數(shù)據(jù)后，CPU 通過HT 中斷將緩沖區(qū)數(shù)組的前50%數(shù)據(jù)讀出處理（此時(shí)DMA 仍在繼續(xù)向后50%填充數(shù)據(jù)），并且關(guān)閉HT 中斷；當(dāng)DMA 傳輸完成時(shí)，再通過TC 中斷將緩沖區(qū)的后50%讀出處理，再開啟HT 中斷。如此交錯(cuò)反復(fù)，實(shí)現(xiàn)ADC 的連續(xù)采樣和周期性及時(shí)處理。中斷處理的時(shí)間間隔取決于緩沖區(qū)的大小，這里緩沖區(qū)數(shù)組長(zhǎng)度設(shè)置為200，這樣DMA 每傳輸100 個(gè)數(shù)據(jù)也就是每隔100 ms 觸發(fā)一次中斷，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取與信號(hào)處理。

3 信號(hào)處理

3.1 平滑濾波

原始的ECG 和PPG 信號(hào)最主要的噪聲是隨機(jī)噪聲，需要采用平均濾波來平滑曲線。這里采用滑動(dòng)窗口數(shù)組來進(jìn)行平均濾波，即每次接收1 個(gè)新的信號(hào)點(diǎn)，就將數(shù)組的首項(xiàng)數(shù)據(jù)去除，數(shù)組整體數(shù)據(jù)左移1 位，將新數(shù)據(jù)放入到數(shù)組的尾項(xiàng)，然后對(duì)這個(gè)窗口數(shù)組里的所有數(shù)據(jù)求平均值。這樣在不損失采樣點(diǎn)數(shù)量或采樣頻率的情況下很好地消除尖銳噪聲，提取了一定區(qū)間內(nèi)的波形變化趨勢(shì)。

另外，滑動(dòng)窗口越大，平均濾波后的曲線越平滑，但波形的特征越容易丟失，因此需要平衡好噪聲與波形特征的取舍，選擇合適的數(shù)組大小。EGG 和PPG 的原始含噪聲波形和濾波后波形如圖2 所示。

圖2 ECG 和PPG 波形的滑動(dòng)平均濾波

3.2 特征檢測(cè)

ECG 和PPG 的波形特征蘊(yùn)含著豐富的生理信息，這里考慮心率和血壓這2 種常見的生理參數(shù)。首先，ECG 的R 波間隔或者PPG 的波峰間隔都可以作為一個(gè)心跳周期，從而得到每分鐘的心跳次數(shù)即心率。其次，目前一種有潛力的無袖式血壓測(cè)量方法是通過脈搏波在人體動(dòng)脈中的傳播速度來關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)血壓，這種速度可以體現(xiàn)為脈搏波從動(dòng)脈近端到遠(yuǎn)端的傳輸時(shí)間，一般通過ECG 的R 波與PPG 的某些特征點(diǎn)的時(shí)間差來計(jì)算，這里常用的特征點(diǎn)包括PPG 的峰值、足部、最大斜率/導(dǎo)數(shù)處等。

特征檢測(cè)算法需要對(duì)每個(gè)新的濾波后信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，從而及時(shí)地跟蹤并記錄波形變化。首先設(shè)定波形的峰值、谷值、周期及閾值初值，并且在連續(xù)判斷信號(hào)點(diǎn)的過程中不斷更新。具體來說，在更新過程中，閾值被不斷調(diào)整為波形峰值和谷值的平均值，因此每當(dāng)出現(xiàn)大于閾值的信號(hào)點(diǎn)，就意味著波形此時(shí)正處于上升階段即將到達(dá)波峰，也標(biāo)志著新的心跳節(jié)拍的開始；當(dāng)出現(xiàn)小于閾值的點(diǎn)時(shí)，則說明處于波峰的下降階段，標(biāo)志著當(dāng)前一拍的結(jié)束。需要注意避免ECG 的T 波和PPG 的重搏波干擾，即判斷時(shí)不僅僅依賴于信號(hào)點(diǎn)的數(shù)值大小，還要注意信號(hào)點(diǎn)的時(shí)間距離上一拍的時(shí)間間隔是否大于1/2～3/5 個(gè)心跳周期。因此，ECG 的R 波和PPG 的波峰都可以通過一拍結(jié)束后更新的最大值來確定。PPG 的足部也就是波峰的山腳，則應(yīng)在舊的一拍結(jié)束后新的一拍開始前這個(gè)時(shí)間段對(duì)信號(hào)點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行更新。當(dāng)信號(hào)點(diǎn)首次出現(xiàn)超過5%～10%閾值（具體數(shù)值根據(jù)總體信號(hào)幅度確定）的上升幅度后，就停止更新，表示剛好從底部平緩的變化轉(zhuǎn)為向波峰快速爬升，表明已經(jīng)找到了足部。而在檢測(cè)到峰值之前，出現(xiàn)最大上升幅度的點(diǎn)則被認(rèn)為是最大斜率處。對(duì)本方案中某次實(shí)時(shí)采集的波形和特征數(shù)據(jù)保存后進(jìn)行離線處理，繪制的圖像如圖3 所示。可以看到波形非常穩(wěn)定而且細(xì)節(jié)十分清晰，并且各個(gè)特征都被清晰地用虛線標(biāo)注了出來，不僅說明提取算法有效，也體現(xiàn)了波形質(zhì)量良好。

圖3 ECG 和PPG 的波形及特征

3.3 數(shù)據(jù)通信

STM32 需要與外部設(shè)備建立通信，再將濾波后的信號(hào)點(diǎn)和生理特征等數(shù)據(jù)傳輸給外接設(shè)備進(jìn)行顯示。首先考慮小巧便攜的顯示方案，這里選用了分辨率為240×240 的1.3 英寸TFT-LCD 顯示模塊，其內(nèi)核是一塊單片機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)芯片ST7789V3，支持8 位/9 位的并行輸入控制。

STM32 選擇串行外設(shè)接口SPI 進(jìn)行與LCD 的通信，有助于節(jié)省I/O（輸入輸出接口）資源，同時(shí)可以通過軟件模擬SPI的方式來自由地使用任意I/O進(jìn)行通信。因?yàn)橹恍栾@示，所以只用向屏幕寫入數(shù)據(jù)，4 線制SPI 寫時(shí)序如圖4 所示。

圖4 LCD 的SPI 寫時(shí)序圖

每次寫入時(shí)需要將CS 片選引腳拉低，然后將數(shù)據(jù)引腳SDA 設(shè)置為要發(fā)送的字節(jié)的每位的高低電平，然后將時(shí)鐘引腳SCL 時(shí)鐘先設(shè)為低電平再設(shè)為高電平，這樣SDA 就會(huì)在SCL 時(shí)鐘的上升沿被采樣從而將該位電平發(fā)送出去，依次發(fā)送8 位就剛好完成1 個(gè)字節(jié)的發(fā)送。另外，在發(fā)送字節(jié)時(shí)還需要設(shè)置D/CX 引腳的高低電平，因?yàn)樾酒瑫?huì)在SCL 的第8 個(gè)上升沿對(duì)D/CX引腳電平進(jìn)行采樣，從而確定寫入的是數(shù)據(jù)還是命令。

由于LCD 的屏幕尺寸較小，所以也考慮了引入大尺寸的屏幕來同時(shí)進(jìn)行ECG 和PPG 波形的監(jiān)測(cè)，而且也便于觀察波形細(xì)節(jié)。這里采用LabVIEW 設(shè)計(jì)了一款PC 端上位機(jī)軟件，可以實(shí)時(shí)接收STM32 從串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析與顯示。這里選用STM32 的通用同步異步收發(fā)器USART1 作為串口，其波特率可以通過波特比率寄存器BRR 進(jìn)行配置，而通過配置控制寄存器CR1 的PCE 檢驗(yàn)控制使能位和M 字長(zhǎng)位以及CR2 的停止位，可將USART1 設(shè)置為無校驗(yàn)、8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位，然后使能USART1。另外，需要使能發(fā)送和接收。發(fā)送一幀數(shù)據(jù)（一個(gè)字節(jié)）時(shí)，需要向數(shù)據(jù)寄存器DR 寫入數(shù)據(jù)，在硬件上實(shí)際是數(shù)據(jù)被送到發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器TDR 或者直接送到移位寄存器，當(dāng)1 幀數(shù)據(jù)發(fā)送完成后狀態(tài)寄存器SR 的TC 傳輸完成標(biāo)志位被置1，通過讀一次SR 寄存器和寫一次DR 寄存器來清除TC 位并同時(shí)寫入下一幀。當(dāng)一個(gè)字符被接收時(shí)，SR 寄存器的讀數(shù)據(jù)寄存器非空RXNE 位被硬件置1，通過使能RXNE 中斷來及時(shí)讀取數(shù)據(jù)。

4 生理參數(shù)顯示

在LCD 或上位機(jī)進(jìn)行顯示的時(shí)候涉及CPU 對(duì)LCD 的頻繁寫操作或者向串口連續(xù)收發(fā)數(shù)據(jù)的操作，為了避免還未讀取處理的數(shù)據(jù)被后續(xù)DMA 中斷送來的新數(shù)據(jù)覆蓋，同樣也需要設(shè)置緩沖區(qū)。這里通過緩沖數(shù)組和讀、寫雙指針的交替移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出環(huán)形緩沖區(qū)FIFO 的設(shè)計(jì)[5-6]，如圖5 所示。讀、寫指針一開始都是緩沖數(shù)組的基地址，DMA 每次中斷處理時(shí)就進(jìn)行寫指針的自增，并根據(jù)指針地址進(jìn)行緩沖數(shù)組新數(shù)據(jù)的填充，如果指針超過數(shù)組大小就回到數(shù)組開頭的基地址，如此循環(huán)反復(fù)，構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)。讀指針也是如此，當(dāng)LCD 和上位機(jī)每次取數(shù)據(jù)時(shí)，讀指針根據(jù)讀取數(shù)據(jù)的數(shù)量進(jìn)行移動(dòng)。因此，緩沖區(qū)中讀指針和寫指針之間的數(shù)據(jù)就是待讀取的新數(shù)據(jù)，而2 個(gè)指針重合則表明暫時(shí)沒有有效的數(shù)據(jù)可讀取，等待DMA 中斷填充新的有效數(shù)據(jù)。

圖5 緩沖數(shù)組模擬環(huán)形緩沖區(qū)讀寫示意圖

4.1 LCD

ECG 或PPG 波形數(shù)據(jù)在LCD 顯示的時(shí)候需要進(jìn)行刷新作畫，這里選擇波形從右往左的滾動(dòng)刷新方式。由于軟件模擬SPI 的速率不是太高，為了保證刷新的流暢性，在DMA 中斷里除了滑動(dòng)平均濾波外，還進(jìn)行了簡(jiǎn)單的平均濾波，即將100 個(gè)新的信號(hào)點(diǎn)每隔10 個(gè)點(diǎn)求平均值，這樣在濾除噪聲且基本保留波形變化趨勢(shì)的情況下，LCD 每次需要刷新的點(diǎn)數(shù)就降低到了10 個(gè)。每次刷新前類似于滑動(dòng)窗口的思想，存放屏幕波形數(shù)據(jù)的舊數(shù)組（大小等于屏幕分辨率240）會(huì)集體左移10 個(gè)位置，新的10 個(gè)數(shù)據(jù)被放到數(shù)組最后面產(chǎn)生新的波形數(shù)組。刷新時(shí)會(huì)從左到右逐點(diǎn)擦除舊的波形點(diǎn)連線，同時(shí)每擦除一條連線就在同樣位置畫新數(shù)組2 個(gè)信號(hào)點(diǎn)的連線，這種方式有利于顯示幀的平滑過渡，即使在刷新幀數(shù)較低時(shí)人眼也不會(huì)感覺到波形平移的明顯卡頓。LCD 波形監(jiān)測(cè)界面如圖6 所示。

圖6 LCD 波形監(jiān)測(cè)界面

4.2 LabVIEW 上位機(jī)

LabVIEW 上位機(jī)的前面板如圖7 所示，程序流程如圖8 所示。程序主體是個(gè)狀態(tài)機(jī)，本質(zhì)上是包含在while 循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)的條件結(jié)構(gòu)，通過枚舉類型條件和移位寄存器進(jìn)行各個(gè)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。程序運(yùn)行時(shí)，首先在“init”分支里對(duì)一些變量進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入最主要的“wait”分支，通過事件結(jié)構(gòu)進(jìn)行各類事件的檢測(cè)，比如檢測(cè)到串口操作按鈕開啟時(shí)就打開相應(yīng)的串口，并且將數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)進(jìn)行與STM32 的串口同樣的配置，通過下拉列表選擇相對(duì)應(yīng)的波特率。另外還有保存圖像、退出程序等事件。當(dāng)“wait”分支沒有檢測(cè)到事件時(shí)就會(huì)跳轉(zhuǎn)“send”分支，如果“開始采集”按鈕開啟即上位機(jī)處于采集狀態(tài)且布爾型變量“處理完成標(biāo)志位”為真表明當(dāng)前數(shù)據(jù)已處理顯示完畢，此時(shí)會(huì)向STM32 發(fā)送一個(gè)特定命令字節(jié)，表示準(zhǔn)備好接收下一批數(shù)據(jù)，STM32 的串口中斷檢測(cè)到命令后就會(huì)讀取環(huán)形緩沖區(qū)中的有效數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī)；如果不滿足條件，程序就會(huì)跳回“wait”分支繼續(xù)進(jìn)行事件檢測(cè)。

圖7 LabVIEW 上位機(jī)波形監(jiān)測(cè)界面

圖8 LabVIEW 上位機(jī)程序流程圖

在成功向STM32 串口發(fā)送了讀取命令后程序就會(huì)跳轉(zhuǎn)到“getdata”分支，對(duì)串口接收的字節(jié)數(shù)進(jìn)行判斷，如果數(shù)量達(dá)到規(guī)定的數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù)就表示接收完畢，進(jìn)入下個(gè)分支“deal”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理顯示，否則回到“wait”分支繼續(xù)進(jìn)行等待。在“deal”分支中，首先是根據(jù)協(xié)議對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行字節(jié)的拆分與合并，從而提取波形采樣值、心率及其生理參數(shù)；其次將這些信息保存為CSV 文件，同時(shí)利用波形圖表進(jìn)行ECG 和PPG 的波形滾動(dòng)顯示，另外在前面板里還顯示了心率（BPM）和心跳周期（IBI）。

5 結(jié)論

人們對(duì)日常健康的監(jiān)測(cè)需求愈加強(qiáng)烈，而類似STM32 這樣低成本、低功耗的MCU（微控制單元）芯片非常適合用在可穿戴設(shè)備或其它醫(yī)療電子設(shè)備，能夠使人們隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)自己的生理狀態(tài)。本文提出了一種基于STM32 的ECG 和PPG 監(jiān)測(cè)方案，能夠方便實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)ECG 或PPG 波形，另外除了LCD 式的便攜監(jiān)測(cè)方案外，還演示了使用PC 等大屏設(shè)備進(jìn)行多個(gè)波形及波形細(xì)節(jié)與生理特征的監(jiān)視，為類似醫(yī)院的心電圖機(jī)、血氧儀等設(shè)備提供了一種簡(jiǎn)便的替代思路。最后，本文對(duì)方案的整體流程及具體算法都進(jìn)行了詳細(xì)討論，為此類裝置從理論向?qū)嵺`的轉(zhuǎn)化提供了一個(gè)較好的示例。