基ARM家ECG检测设备研究设计
家型心电监测系统
摘
文设计实现种心电信号检测系统硬件该系统基医心电监测仪简化利心电电极片三输入屏蔽导线通标准导线收集体心电信号利级放滤波电路模块心电信号进行处理软件采集数进行数字滤波实现位机实时存储显示功出详细电路设计方案完成相关数测试实现心电信号效输出显示测试结果表明该仪器准确反应心电波形运动干扰识率达百分八十够较效排运动干扰获取心电数文研制心电信号检测系统具响应讯速简单性牢成低廉等特点户家庭心电监护等微弱信号采集方面提供帮助
关键词：微弱信号 心电信号 标准导联 滤波放
Small household ECG monitoring system
Abstract
This paper introduces the design of ECG signal detection system which uses ECG electrode piece and three input shielded lead to collect human ECG signal by standard lead and then processes the ECG signal by multistage amplification and filtering circuit module gives the specific circuit design scheme completes the relevant data test and realizes the effective output and display of ECG signal In software the collected data is filtered by digital filter and the upper computer＇s realtime storage and display functions are realized by LabVIEW software The developed ECG signal detection system has the characteristics of fast response reliable performance convenient use and low cost It can provide help for the majority of ordinary users and families in ECG monitoring and other weak signal acquisition
At present the domestic electrocardiograph on the market is based on the simplification of medical electrocardiograph In order to reduce the volume the complex functions and complex operations are simplified Aiming at this situation this paper designs a small home ECG instrument with the necessary functions and simple operation
The test results show that the instrument can accurately reflect the ECG waveform and the recognition rate of motion interference is more than 80 It can effectively eliminate the motion interference and obtain ECG data
Keywords weak signal ECG signal standard lead filter amplification
目 录
1 前言 1
11家心电检测系统目意义应达技术求 1
2家心电监测系统 6
21设计原理 6
22方案选择 7
221分析问题 7
222设计程 8
3总结 14
31设计工作总结 14
32设计足 14
参考文献 15
谢 辞 15
附 录 17
1 前言
家心电检测系统供患者家居实时检测记录心电信号设备具体积巧机时间长监控数准确等特点设计目标想患者动情况进行心电检测帮助者做帮助性诊断时检查血氧浓度代医学防治预防程中越越开始尝试家式心电仪系统研制起医疗行业病着非常关键作
床医学中医生通检查心电图诊断心血疾病心血疾病预防治疗提供客观指标医疗场应十分普反映心脏生物电产生传导恢复程变化ECG种重心电信号技术
11家心电检测系统目意义应达技术求
111研究意义
心电检测系统肩负着预防治疗心血疾病千钧重负预防方面家心电检测系统家庭中潜心血疾病风险遁形方面治疗医院型心电检测系统体积较庞然数准确优点法掩盖住缺点庞体积限制走者家中法守护延伸者家中家心电监测系统样者者家中享受全方位保护者撑起结实保护伞掌握者实时心率
查阅类文献资料发现实防治心血疾病重帮助手段时锻炼预防老年患者术病需稳定期长期进行心电图检测时发现心电图医生诊治提供极利制定更效康复计划室外急救程中时解救者患者体征助制定效抢救方案限度挽救伤员生命医学界专业士通研究心电信号特点规律早期预测诊断疾病医学实践表明突发性心律失常患者果早发现心律失常时采取抢救措施7080患者避免死亡准确心电图提取分析医生提供效辅助诊断方式方法
心脏病常见发性慢性病病情隐蔽发展缓慢发病风险高特点长期直体健康构成威胁特老年患者危害极时发现治疗预防减少心血疾病危害患者治疗康复具重意义心电图心脏病发现改善重手段传统心脏检查医院进行两问题：
1 心电图检查费高病时做心电图检查
2 患者医院容易产生心理压力导致心电图异常导致误诊
研究开发家庭心电检测系统具价格低廉操作简单等优点家庭患者具重意义家庭心电检测系统患者家中完成传统心电检测实现波形参数检测心率测量动诊断功分析前患者身体状况提出诊断意见家庭心电图检测系统适术家康复先天性心脏病患者老年健康家庭健康检查
112防治意义
根世界卫生组织（WHO）2019年统计报告全世界年约1650万死心血疾病均天超45万心血疾病丧命中国心血病报告2019指出国心血疾病病患现存约305亿年约400万死心血疾病着庞口基数心血病逐年增高态势心血疾病提前防控医治国显重中老年说效防止心血疾病出现减轻国医疗保健体系负担说非常重着国越越严重老龄化形势越越家中独生活老年患者导致种非常怕情形老年患者出现心血疾病预兆时没够帮助导致难时效救治
着科技快速发展生活水快速提高心血疾病普遍认知然生病做项检查医疗保健常识没正确认知日常生活中存种样危险知家心电检测系统意义——生活中心电图排查常态化致力令潜风险处遁形
113市场意义
90年代心电检测仪庞身躯日渐缩原正科技发展单片机技术日新月异技术发展心电监测仪逐步走入家家户户中价格压缩普通逐渐够承担时代变化心电检测仪仅医院千家万户家中实现提前预知身体状况着时代步步发展着ARM单片机功越越强样化天心电监测仪迎全新变化具完善网络功智诊断服务心电检测系统市场宠
早90年代国际心电监测系统早已发展成熟发达国家市场长期垄断国国产心电监测系统发展较晚缓慢着均gdp提高民生活逐渐走康走富裕越越市场需求国产医疗仪器21世纪第二10年发展势头迅猛国医疗仪器市场2012年年增长223规模高达
4101亿元数中占达部分型家医疗仪器部分市场规模仅仅2013年便超176亿元2012年规模足足增加252007~2012年年年均复合增长率高达2720142018年期间维持着急速增加中国医疗器械市场规模更飞天根2019年新中国医疗器械蓝皮书报告2017年中国医疗器械市场规模达4450亿元增速2032018年规模进步突破5000亿元预计2019年国医疗器械市场规模6500亿元
图11 中国医疗器械市场规模情况
国医疗仪器市场跨越式发展原素构成口问题推动全球老龄化问题迫眉睫根世界健康医疗基金组织推测全球均老龄化率已达百分10推测全球2050年升5中1中国老龄化率时高达百分30国面着前未挑战根数显示国老龄化口截止2019年底25亿占总口百分178口老龄化固然挑战时产业机遇国养老方案目前旧老年宅家养老作老年家心电检测仪成稳妥安全方案
二济发展外带动查阅资料出2019年中国gdp接100万亿元增长率稳中进年增加百分61年国城镇居民均支配收入实际增长98农村居民均纯收入实际增长113均高全年78GDP增速逐渐增加居民收入表现出种现象居民购买力日渐增加逐渐增强普通家医疗仪器承受起支出
着时代加速发展承受工作压力起增加快速城市化程增加类生存质量种情况满意
样带类市生活病根查阅世卫组织（WHO）详细报告知目前国际世界中部分处类亚健康情况仅仅否病问题市关心越越关心健康状态家医疗器械帮助足出户便获知身体项指标否正常免医院排队垃圾时间种时方便特性市乐投入资金购买家庭医疗器械
114 设计目
读心电图目前常心血病诊断中普遍方法读心电图非常清晰反馈心电信号者身体情况种心电数较全面法查阅式样文献
研究资料出结发生非常明显心电信号异常时定处心脏病猝死早期果病发病早期时发现挽狂澜倒扶厦倾病说效提前防止心血疾病出现性减少死亡率
图12 心电图
目前流心电监测仪然床心电监测仪床心电监测仪通常情况医学环境求病患处较安静情况进行心电监测方便受制病医院时否效顾病否足够资金支持医院监测否足够时间等等利素影响病患方便进行心电检测时心血疾病潜伏期长发病难预测医生难第时间病患心电图
家型心电监测仪出现解决种种问题者说具场占体积较较方便进行监测购买价格非常便宜公司说非常简单轻松进行保养维修市场前景极广阔钱低廉等特点设计目支持病患非医学环境进行心电监测仅实时查病患身心电图患者身体情况解认知
图13 普通医心电仪
12家心电检测系统国外发展概况存问题
1903年荷兰生理学家爱托芬（William Einstein）根光学放原理发明历史第台心电检测机心电监测仪已110年历史该检测仪医疗场广泛应成重仪器
着时代进步普遍检测方式中心电检测方面说项研究已积攒足够验教训心电监测仪简单机电式发展具定功心电监测仪中国发达国家普遍采智高新技术产品产品造福广者者健康做出许帮助突出贡献
时间1958年美国科学家Norman J Holter发明动态心电仪（holter心电仪）两年开始医院试1965年推出改进holter心电仪商业时全世界先进心电仪仅长时间检测病患工作生活环境心脏状况甚够非常清楚显示储存患者心电图
13家心电监测系统应解决问题
目前限制家心电监测系统功问题家心电监测系统重量价格定限制普通者说操作简单方便心电监测仪定成首选样苛刻前提模块处理器心电测量模块等等选择必定较关注轻便性作开发者必须着者减少成降低难度目保证基功齐全前提研发出者百分百放心产品
2家心电监测系统
类怕病魔日益伤害着身体健康天型心电检测仪作种辅助设备时检测出者身体状况适活动然家保持身免遭受疾病痛苦方式越越选择种方式锻炼身体提高免疫力种型心电监测仪便者运动进行监测通种数分析时效诊断查明身体项指标着想社会献出份微薄力朴素思想广泛查阅心电数检验测试项数传输方资料材料根源研发源ARM芯片心电检测系统
心电信号质低频弱信号检测心电信号般步骤：信号采集信号放信号处理信号显示等等组成
21设计原理
普通脉搏测试度量方法般种：第种方式心电信号中检测出数第二更方法通血压测定数波动算出脉率第三光电容积法通光电方法细胞中检验测试血液容积数变动第第二种方法提取信号需病静态状态时间长会病舒服第三种方法测量脉搏中常见普遍种方法较简单较方便
通血液细胞通体血时心脏跳动产生透光率开始血氧饱度脉搏测定方法做光电容积法阅读资料材料发现家般会两种传感器种检测光源种光电变换器两种传感器长时间固定者身体部位检测光源话普遍种非常分外特发光极样清晰检测出血细胞中血红蛋白氧合血红蛋白发出特殊波长光什光线透光率会出现变化心脏跳动时导致血充血容积变化光电变换器作收血液细胞发射出光束发射光束变换成电信号信号进行快速扩数传心肌跳动周期性变动脉搏产生变动产生变动体血容积结光电变换器电信号周期变化便脉搏率血氧饱度计算公式：
（式 21）
图21 血红蛋白吸收光谱
22方案选择
咨询做项目验通式样繁杂方案发现通手现材料进行项目研发然疫情原法实验室进行调试系统进行定精简研发项目时许层面思考结合市场户需求系统户省心放心方发展项目变简单耐方便快捷整项目硬件部分心电数采集模块stm32微处理器模块显示模块通信模块等部分
221分析问题
实验程中遇许问题连接模块出现位机心电检测仪法通信情况种情况非常少见令非常疑惑组员系列实验查阅量资料文献通种渠道获取种信息基础通坚持懈分析出意想结果原波特率没调整正确系列调整终克服种种困难披荆斩棘终问题突破
问题获解决遇外问题oled模块出现奇怪图案没正确显示心电测量模块反馈回种数开始艰难查找问题程行行检查代码遍遍脑海中反复推理逻辑次次开调试模式断点反反复复检查程中终检查出问题原数组变量输入错误oled屏幕出现问题重新优化部分代码简洁代码风格重新写部分代码
222设计程
硬件方面：
组四模块中stm32f103c8t6核心板作控制模块OLED12864显示屏作显示模块心电测量模块某公司开发芯片改装usb转ttl模块作位机进行数交换通信模块
根查阅文献资料表明占位置少携带性功耗较低型医疗仪器优点般采嵌入式处理器较市面数嵌入式处理器发现现选择处理器般armatom386exMotorola 68K等等Motorola 68K实太老供查阅资料十年前386ex市面供查找资料实太少领域航空发动机方面较Atom耗方面处理器差距较难缺点阻碍商业发展arm综合性非常优点功耗方面流重资料非常容易找市场占绝优势
作RISC微处理器ARM公司研发早期arm架构处理器款处理器仅具非常极高代码密度拥非常错性价科技快速发展天时代淘汰arm架构发展出良中断响应速度工业领域非常注重耗arm架构方面着卓越出众表现电子消费品应领域玩具机器蓝牙音箱 手机种样常见产品年ARM公司规模愈发壮
ARM公司国国产手机龙头公司华公司合作伙伴时高通离开arm公司开发架构ARM公司通技术授权世界国际知名oem企业半导体企业进行合作公司拥种样ARM公司关相关技术服务ARM公司变成世界非常RISC标准引领者原现许半导体公司ARM公司建立合作关系签订种技术合作协议韩国LG日sony公司等等ARM公司1991年英国成立历年风风雨雨天授权芯片设计技术盈利方式arm架构授权微处理器仅仅工业领域展拳脚更面消费者市场消费电子领域遍开花许许种类产品市场占领部分市场足惊叹基ARM微处理器衍生出应足足占领高达百分七十市场21世纪天生活中方面arm公司产品已孔入意想仅仅久前90年代实公司表现实般类产品发货量维持低
数量种状态ARM公司积极求变尝试种新商业模式做芯片架构设计芯片交公司生产正种模式ARM芯片迅速成芯片市场巨头封闭式设计公司Intel失导位进入二十世纪益手机行业迅速膨胀ARM公司芯片出货量增加ARM处理器占领全球手机市场仅2006年年ARM全球疯狂销售少20亿片芯片商业合作伙伴销售量ARM公司销售量三倍余Arm公司家基RISC芯片设计开发公司5
作知识产权供应商ARM公司身直接参芯片生产通设计许证生产芯片转合作公司获取利润：ARM公司购买独ARM微处理器核根应方添加相应外部电路集成芯片中推市场ARM公司授权囊括全球数十家巨型半导体公司仅ARM公司降低整芯片系统成获更第三方工具软件支持更具市场竞争力更容易广消费群体接受ARM公司全球拥高达百家合作企业商业优势ARM家设计公司身直接生产芯片采专利转制度允许合作伙伴生产芯片2007年ARM已成拥千六百项专利（中九百项正申请中）超三十全球分支机构雇佣两千名员工两百合作伙伴年收入超两亿英镑巨型公司
处理器谨慎选择arm公司CortexM3处理器核Cortexm3arm公司开发哈佛架构32位处理器拥存接口寄存器部数路径较先进32位实现边取址边进行数访问采独立数指令总线达成样效果必须CM3部集成数总线接口实现行工作单独优化接口方面指令总线数总线享相存空间
CortexM3提供MPU应需更存储系统功复杂应程序CortexM3仅支持端模式端模式外部缓存
CM3提供许调试组件支持硬件级调试操作包括限数观察点指令断点等外选组件支持更高级调试包括指令踪种类型调试接口
控制模块文选ST（STMicroelectronics）半导体公司开发stm32f103c8t6意法半导体集团前身意利SGS微电子集团法国汤姆逊半导体集团两电子领域巨头1987年6月合十年更名意法半导体公司成愧世
界级半导体公司成立ST增长速度已超整半导体行业增长速度1999年ST半导体直全球十半导体公司根新行业统计数意法半导体已成全球第五半导体制造商许市场远超行业意法半导体全球模拟功率转换专芯片制造商全球机顶盒芯片工业半导体供应商离散设备手机摄模块汽车集成电路领导者
意法半导体集团拥5万名员工高达16先进研发设施39设计应中心15制造工厂78销售办事处分布36国家拥st公司总部设立瑞士日瓦总部设欧洲新兴市场
STM32F103C8T6款基ARM CortexM3 核属STM32系列32位单片机存64KB需工作电压2V~36V工作温度40°C ~ 85°C设备STM32F103C8T6系统板SWD模式载带安卓接口带复位电路晶振电路电源稳压电路电源滤波电路指示灯电路图22
图22 stm32f103c8t6开发板
显示模块128X64行点阵组成OLED12864模块模块包含64×64显示数RAM中位数会应0LED屏点亮暗状态拥较简单接口电路操作指令8位行数接口读写时序适配6800系列时序直接8位微处理器相连需注意Intel8080时序MCU连接时需进行时序转换图23
图23 OLED12864
心电测量模块拥心率血氧采集功iic总线控制模块显示模块进行数通信图24
图24 HXDZ30102心电测量模块
软件方面：
keil5作程序开发软件现市面Keil款软件实C语言软件开发系统款软件Kell Software公司开发C语言语言相言非常方面着显著优势非常容易Keil软件提供许功里面包含种非常功种芯片类型提供选择提供编译仿真等等功款软件C语言非常方便选择汇编语言款软件问世已全球微处理器开发软件市场中站稳脚
作家领先全球微处理器软件开发工具供应商根查阅资料显示实两家企业营着Keil公司两家企业中仅着鼎鼎名Keil Elektronik 公司实听雷贯耳Keil Software 公司许开发工具Keil公司制造销售中ANSI C编译器宏汇编程序调试器连接器库理器固件实时操作系统核心（realtime kernel）种业界认解决方案超10万名开发员正中中Keil C51编译器1988年引入市场行业标准支持超500种8051变种
代码方面样：
#include ledh
#include delayh
#include sysh
#include usarth
#include max30102h
#include myiich
#include algorithmh
#include oledh
uint32_t aun_ir_buffer[500] IR LED sensor data
int32_t n_ir_buffer_length data length
uint32_t aun_red_buffer[500] Red LED sensor data
int32_t n_sp02 SPO2 value
int8_t ch_spo2_valid indicator to show if the SP02 calculation is valid
int32_t n_heart_rate heart rate value
int8_t ch_hr_valid indicator to show if the heart rate calculation is valid
uint8_t uch_dummy
#define MAX_BRIGHTNESS 255
void dis_DrawCurve(u32* datau8 x)
int main(void)
{
variables to calculate the onboard LED brightness that reflects the heartbeats
uint32_t un_min un_max un_prev_data
int i
int32_t n_brightness
float f_temp
u8 temp_num0
u8 temp[6]
u8 str[100]
u8 dis_hr0dis_spo20
NVIC_Configuration()
delay_init() 延时函数初始化
uart_init(115200) 串口初始化115200
LED_Init()
OLED
OLED_Init()
OLED_ShowString(00 initializing 16)
OLED_Refresh_Gram()更新显示OLED
max30102_init()
printf(＼r＼n MAX30102 init ＼r＼n)
un_min0x3FFFF
un_max0
n_ir_buffer_length500 buffer length of 100 stores 5 seconds of samples running at 100sps
read the first 500 samples and determine the signal range
for(i0i {
while(MAX30102_INT1) wait until the interrupt pin asserts
max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATAtemp)
aun_red_buffer[i] (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) |
(long)temp[1]<<8 | (long)temp[2] Combine values to get the actual number
aun_ir_buffer[i] (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) |(long)temp[4]<<8 | (long)temp[5] Combine values to get the actual number
if(un_min>aun_red_buffer[i])
un_minaun_red_buffer[i] update signal min
if(un_max un_maxaun_red_buffer[i] update signal max
}
un_prev_dataaun_red_buffer[i]
c
3总结
31设计工作总结
现阶段国农村城市生活压力增空巢老留守童增心血防治越越注意需求间接直接促进家心电监测系统蓬勃发展ARM单片机技术成熟成家心电检测系统助推器正文抓住社会趋势医心电监测系统基础加改进型化简易化操作性增强成减低等围绕心电监护系统缩略展开研究
设计工作分两部分：
第部分搜集完整必备硬件stm32f103c8t6核心板OLED12864显示屏心电测量模块usb转ttl模块等基础加整合调试符合软件需求
第二部分描述家心电检测仪软件方面设计实现心电监测仪采目前市面常见ARM处理器市面流行C语言编写软件系统成功实现数显示异常警告血氧浓度脉搏信号测量等重功文介绍功实现方法运作流程
设计程中出现许问题HXDZ30102法传输数段时间排查问题软硬件进行充分检测发现SDA数线口排针连接处虚焊导致信号灯亮数法传输种问题细节更加重视问题细节疏忽引起
物联网时代希未增加新容说系统连接wifi模块者蓝牙模块通信更加方便快捷更加适应时代潮流
32设计足
文设计家心电监测系统许改进方：
1 心电信号识正确率然存提升空间尝试改心电测量模块优化编程
2 心电尚检测较异常信号检测异常信号攻克问题
3 现科技进步飞快设计ARM模块已性面捉襟见肘新代处理器开发家心电检测系统项性进步提高
参考文献
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[18]李金磊王恩博2019年GDP100万亿元 居民均支配收入首超3万元[J]山西农2020(02)6
[19]Jakko TuomilchtoKari KuulasmaaJorma Torppa张瑞松世界卫生组织莫尼卡方案关心血疾病死亡率区性变化调研[J]心肺血学报1988(01)1217
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[22]朱检兵 基STM32便携式心电监护系统设计[D]南昌学2019
[23]吴敏基stm32线心电监测系统设计[J]东莞理工学院学报201825(01)4144
附 录
程序源代码
mainc文件
#include ledh
#include delayh
#include sysh
#include usarth
#include max30102h
#include myiich
#include algorithmh
#include oledh
uint32_t aun_ir_buffer[500] IR LED sensor data
int32_t n_ir_buffer_length data length
uint32_t aun_red_buffer[500] Red LED sensor data
int32_t n_sp02 SPO2 value
int8_t ch_spo2_valid indicator to show if the SP02 calculation is valid
int32_t n_heart_rate heart rate value
int8_t ch_hr_valid indicator to show if the heart rate calculation is valid
uint8_t uch_dummy
#define MAX_BRIGHTNESS 255
void dis_DrawCurve(u32* datau8 x)
int main(void)
{
variables to calculate the onboard LED brightness that reflects the heartbeats
uint32_t un_min un_max un_prev_data
int i
int32_t n_brightness
float f_temp
u8 temp_num0
u8 temp[6]
u8 str[100]
u8 dis_hr0dis_spo20
NVIC_Configuration()
delay_init() 延时函数初始化
uart_init(115200) 串口初始化115200
LED_Init()
OLED
OLED_Init()
OLED_ShowString(00 initializing 16)
OLED_Refresh_Gram()更新显示OLED
max30102_init()
printf(＼r＼n MAX30102 init ＼r＼n)
un_min0x3FFFF
un_max0
n_ir_buffer_length500 buffer length of 100 stores 5 seconds of samples running at 100sps
read the first 500 samples and determine the signal range
for(i0i {
while(MAX30102_INT1) wait until the interrupt pin asserts
max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATAtemp)
aun_red_buffer[i] (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) | (long)temp[1]<<8 | (long)temp[2] Combine values to get the actual number
aun_ir_buffer[i] (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) |(long)temp[4]<<8 | (long)temp[5] Combine values to get the actual number
if(un_min>aun_red_buffer[i])
un_minaun_red_buffer[i] update signal min
if(un_max un_maxaun_red_buffer[i] update signal max
}
un_prev_dataaun_red_buffer[i]
c
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基ARM家ECG检测设备研究设计
家型心电监测系统
摘
文设计实现种心电信号检测系统硬件该系统基医心电监测仪简化利心电电极片三输入屏蔽导线通标准导线收集体心电信号利级放滤波电路模块心电信号进行处理软件采集数进行数字滤波实现位机实时存储显示功出详细电路设计方案完成相关数测试实现心电信号效输出显示测试结果表明该仪器准确反应心电波形运动干扰识率达百分八十够较效排运动干扰获取心电数文研制心电信号检测系统具响应讯速简单性牢成低廉等特点户家庭心电监护等微弱信号采集方面提供帮助
关键词：微弱信号 心电信号 标准导联 滤波放
Small household ECG monitoring system
Abstract
This paper introduces the design of ECG signal detection system which uses ECG electrode piece and three input shielded lead to collect human ECG signal by standard lead and then processes the ECG signal by multistage amplification and filtering circuit module gives the specific circuit design scheme completes the relevant data test and realizes the effective output and display of ECG signal In software the collected data is filtered by digital filter and the upper computer＇s realtime storage and display functions are realized by LabVIEW software The developed ECG signal detection system has the characteristics of fast response reliable performance convenient use and low cost It can provide help for the majority of ordinary users and families in ECG monitoring and other weak signal acquisition
At present the domestic electrocardiograph on the market is based on the simplification of medical electrocardiograph In order to reduce the volume the complex functions and complex operations are simplified Aiming at this situation this paper designs a small home ECG instrument with the necessary functions and simple operation
The test results show that the instrument can accurately reflect the ECG waveform and the recognition rate of motion interference is more than 80 It can effectively eliminate the motion interference and obtain ECG data
Keywords weak signal ECG signal standard lead filter amplification
目 录
1 前言 1
11家心电检测系统目意义应达技术求 1
2家心电监测系统 6
21设计原理 6
22方案选择 7
221分析问题 7
222设计程 8
3总结 14
31设计工作总结 14
32设计足 14
参考文献 15
谢 辞 15
附 录 17
1 前言
家心电检测系统供患者家居实时检测记录心电信号设备具体积巧机时间长监控数准确等特点设计目标想患者动情况进行心电检测帮助者做帮助性诊断时检查血氧浓度代医学防治预防程中越越开始尝试家式心电仪系统研制起医疗行业病着非常关键作
床医学中医生通检查心电图诊断心血疾病心血疾病预防治疗提供客观指标医疗场应十分普反映心脏生物电产生传导恢复程变化ECG种重心电信号技术
11家心电检测系统目意义应达技术求
111研究意义
心电检测系统肩负着预防治疗心血疾病千钧重负预防方面家心电检测系统家庭中潜心血疾病风险遁形方面治疗医院型心电检测系统体积较庞然数准确优点法掩盖住缺点庞体积限制走者家中法守护延伸者家中家心电监测系统样者者家中享受全方位保护者撑起结实保护伞掌握者实时心率
查阅类文献资料发现实防治心血疾病重帮助手段时锻炼预防老年患者术病需稳定期长期进行心电图检测时发现心电图医生诊治提供极利制定更效康复计划室外急救程中时解救者患者体征助制定效抢救方案限度挽救伤员生命医学界专业士通研究心电信号特点规律早期预测诊断疾病医学实践表明突发性心律失常患者果早发现心律失常时采取抢救措施7080患者避免死亡准确心电图提取分析医生提供效辅助诊断方式方法
心脏病常见发性慢性病病情隐蔽发展缓慢发病风险高特点长期直体健康构成威胁特老年患者危害极时发现治疗预防减少心血疾病危害患者治疗康复具重意义心电图心脏病发现改善重手段传统心脏检查医院进行两问题：
1 心电图检查费高病时做心电图检查
2 患者医院容易产生心理压力导致心电图异常导致误诊
研究开发家庭心电检测系统具价格低廉操作简单等优点家庭患者具重意义家庭心电检测系统患者家中完成传统心电检测实现波形参数检测心率测量动诊断功分析前患者身体状况提出诊断意见家庭心电图检测系统适术家康复先天性心脏病患者老年健康家庭健康检查
112防治意义
根世界卫生组织（WHO）2019年统计报告全世界年约1650万死心血疾病均天超45万心血疾病丧命中国心血病报告2019指出国心血疾病病患现存约305亿年约400万死心血疾病着庞口基数心血病逐年增高态势心血疾病提前防控医治国显重中老年说效防止心血疾病出现减轻国医疗保健体系负担说非常重着国越越严重老龄化形势越越家中独生活老年患者导致种非常怕情形老年患者出现心血疾病预兆时没够帮助导致难时效救治
着科技快速发展生活水快速提高心血疾病普遍认知然生病做项检查医疗保健常识没正确认知日常生活中存种样危险知家心电检测系统意义——生活中心电图排查常态化致力令潜风险处遁形
113市场意义
90年代心电检测仪庞身躯日渐缩原正科技发展单片机技术日新月异技术发展心电监测仪逐步走入家家户户中价格压缩普通逐渐够承担时代变化心电检测仪仅医院千家万户家中实现提前预知身体状况着时代步步发展着ARM单片机功越越强样化天心电监测仪迎全新变化具完善网络功智诊断服务心电检测系统市场宠
早90年代国际心电监测系统早已发展成熟发达国家市场长期垄断国国产心电监测系统发展较晚缓慢着均gdp提高民生活逐渐走康走富裕越越市场需求国产医疗仪器21世纪第二10年发展势头迅猛国医疗仪器市场2012年年增长223规模高达
4101亿元数中占达部分型家医疗仪器部分市场规模仅仅2013年便超176亿元2012年规模足足增加252007~2012年年年均复合增长率高达2720142018年期间维持着急速增加中国医疗器械市场规模更飞天根2019年新中国医疗器械蓝皮书报告2017年中国医疗器械市场规模达4450亿元增速2032018年规模进步突破5000亿元预计2019年国医疗器械市场规模6500亿元
图11 中国医疗器械市场规模情况
国医疗仪器市场跨越式发展原素构成口问题推动全球老龄化问题迫眉睫根世界健康医疗基金组织推测全球均老龄化率已达百分10推测全球2050年升5中1中国老龄化率时高达百分30国面着前未挑战根数显示国老龄化口截止2019年底25亿占总口百分178口老龄化固然挑战时产业机遇国养老方案目前旧老年宅家养老作老年家心电检测仪成稳妥安全方案
二济发展外带动查阅资料出2019年中国gdp接100万亿元增长率稳中进年增加百分61年国城镇居民均支配收入实际增长98农村居民均纯收入实际增长113均高全年78GDP增速逐渐增加居民收入表现出种现象居民购买力日渐增加逐渐增强普通家医疗仪器承受起支出
着时代加速发展承受工作压力起增加快速城市化程增加类生存质量种情况满意
样带类市生活病根查阅世卫组织（WHO）详细报告知目前国际世界中部分处类亚健康情况仅仅否病问题市关心越越关心健康状态家医疗器械帮助足出户便获知身体项指标否正常免医院排队垃圾时间种时方便特性市乐投入资金购买家庭医疗器械
114 设计目
读心电图目前常心血病诊断中普遍方法读心电图非常清晰反馈心电信号者身体情况种心电数较全面法查阅式样文献
研究资料出结发生非常明显心电信号异常时定处心脏病猝死早期果病发病早期时发现挽狂澜倒扶厦倾病说效提前防止心血疾病出现性减少死亡率
图12 心电图
目前流心电监测仪然床心电监测仪床心电监测仪通常情况医学环境求病患处较安静情况进行心电监测方便受制病医院时否效顾病否足够资金支持医院监测否足够时间等等利素影响病患方便进行心电检测时心血疾病潜伏期长发病难预测医生难第时间病患心电图
家型心电监测仪出现解决种种问题者说具场占体积较较方便进行监测购买价格非常便宜公司说非常简单轻松进行保养维修市场前景极广阔钱低廉等特点设计目支持病患非医学环境进行心电监测仅实时查病患身心电图患者身体情况解认知
图13 普通医心电仪
12家心电检测系统国外发展概况存问题
1903年荷兰生理学家爱托芬（William Einstein）根光学放原理发明历史第台心电检测机心电监测仪已110年历史该检测仪医疗场广泛应成重仪器
着时代进步普遍检测方式中心电检测方面说项研究已积攒足够验教训心电监测仪简单机电式发展具定功心电监测仪中国发达国家普遍采智高新技术产品产品造福广者者健康做出许帮助突出贡献
时间1958年美国科学家Norman J Holter发明动态心电仪（holter心电仪）两年开始医院试1965年推出改进holter心电仪商业时全世界先进心电仪仅长时间检测病患工作生活环境心脏状况甚够非常清楚显示储存患者心电图
13家心电监测系统应解决问题
目前限制家心电监测系统功问题家心电监测系统重量价格定限制普通者说操作简单方便心电监测仪定成首选样苛刻前提模块处理器心电测量模块等等选择必定较关注轻便性作开发者必须着者减少成降低难度目保证基功齐全前提研发出者百分百放心产品
2家心电监测系统
类怕病魔日益伤害着身体健康天型心电检测仪作种辅助设备时检测出者身体状况适活动然家保持身免遭受疾病痛苦方式越越选择种方式锻炼身体提高免疫力种型心电监测仪便者运动进行监测通种数分析时效诊断查明身体项指标着想社会献出份微薄力朴素思想广泛查阅心电数检验测试项数传输方资料材料根源研发源ARM芯片心电检测系统
心电信号质低频弱信号检测心电信号般步骤：信号采集信号放信号处理信号显示等等组成
21设计原理
普通脉搏测试度量方法般种：第种方式心电信号中检测出数第二更方法通血压测定数波动算出脉率第三光电容积法通光电方法细胞中检验测试血液容积数变动第第二种方法提取信号需病静态状态时间长会病舒服第三种方法测量脉搏中常见普遍种方法较简单较方便
通血液细胞通体血时心脏跳动产生透光率开始血氧饱度脉搏测定方法做光电容积法阅读资料材料发现家般会两种传感器种检测光源种光电变换器两种传感器长时间固定者身体部位检测光源话普遍种非常分外特发光极样清晰检测出血细胞中血红蛋白氧合血红蛋白发出特殊波长光什光线透光率会出现变化心脏跳动时导致血充血容积变化光电变换器作收血液细胞发射出光束发射光束变换成电信号信号进行快速扩数传心肌跳动周期性变动脉搏产生变动产生变动体血容积结光电变换器电信号周期变化便脉搏率血氧饱度计算公式：
（式 21）
图21 血红蛋白吸收光谱
22方案选择
咨询做项目验通式样繁杂方案发现通手现材料进行项目研发然疫情原法实验室进行调试系统进行定精简研发项目时许层面思考结合市场户需求系统户省心放心方发展项目变简单耐方便快捷整项目硬件部分心电数采集模块stm32微处理器模块显示模块通信模块等部分
221分析问题
实验程中遇许问题连接模块出现位机心电检测仪法通信情况种情况非常少见令非常疑惑组员系列实验查阅量资料文献通种渠道获取种信息基础通坚持懈分析出意想结果原波特率没调整正确系列调整终克服种种困难披荆斩棘终问题突破
问题获解决遇外问题oled模块出现奇怪图案没正确显示心电测量模块反馈回种数开始艰难查找问题程行行检查代码遍遍脑海中反复推理逻辑次次开调试模式断点反反复复检查程中终检查出问题原数组变量输入错误oled屏幕出现问题重新优化部分代码简洁代码风格重新写部分代码
222设计程
硬件方面：
组四模块中stm32f103c8t6核心板作控制模块OLED12864显示屏作显示模块心电测量模块某公司开发芯片改装usb转ttl模块作位机进行数交换通信模块
根查阅文献资料表明占位置少携带性功耗较低型医疗仪器优点般采嵌入式处理器较市面数嵌入式处理器发现现选择处理器般armatom386exMotorola 68K等等Motorola 68K实太老供查阅资料十年前386ex市面供查找资料实太少领域航空发动机方面较Atom耗方面处理器差距较难缺点阻碍商业发展arm综合性非常优点功耗方面流重资料非常容易找市场占绝优势
作RISC微处理器ARM公司研发早期arm架构处理器款处理器仅具非常极高代码密度拥非常错性价科技快速发展天时代淘汰arm架构发展出良中断响应速度工业领域非常注重耗arm架构方面着卓越出众表现电子消费品应领域玩具机器蓝牙音箱 手机种样常见产品年ARM公司规模愈发壮
ARM公司国国产手机龙头公司华公司合作伙伴时高通离开arm公司开发架构ARM公司通技术授权世界国际知名oem企业半导体企业进行合作公司拥种样ARM公司关相关技术服务ARM公司变成世界非常RISC标准引领者原现许半导体公司ARM公司建立合作关系签订种技术合作协议韩国LG日sony公司等等ARM公司1991年英国成立历年风风雨雨天授权芯片设计技术盈利方式arm架构授权微处理器仅仅工业领域展拳脚更面消费者市场消费电子领域遍开花许许种类产品市场占领部分市场足惊叹基ARM微处理器衍生出应足足占领高达百分七十市场21世纪天生活中方面arm公司产品已孔入意想仅仅久前90年代实公司表现实般类产品发货量维持低
数量种状态ARM公司积极求变尝试种新商业模式做芯片架构设计芯片交公司生产正种模式ARM芯片迅速成芯片市场巨头封闭式设计公司Intel失导位进入二十世纪益手机行业迅速膨胀ARM公司芯片出货量增加ARM处理器占领全球手机市场仅2006年年ARM全球疯狂销售少20亿片芯片商业合作伙伴销售量ARM公司销售量三倍余Arm公司家基RISC芯片设计开发公司5
作知识产权供应商ARM公司身直接参芯片生产通设计许证生产芯片转合作公司获取利润：ARM公司购买独ARM微处理器核根应方添加相应外部电路集成芯片中推市场ARM公司授权囊括全球数十家巨型半导体公司仅ARM公司降低整芯片系统成获更第三方工具软件支持更具市场竞争力更容易广消费群体接受ARM公司全球拥高达百家合作企业商业优势ARM家设计公司身直接生产芯片采专利转制度允许合作伙伴生产芯片2007年ARM已成拥千六百项专利（中九百项正申请中）超三十全球分支机构雇佣两千名员工两百合作伙伴年收入超两亿英镑巨型公司
处理器谨慎选择arm公司CortexM3处理器核Cortexm3arm公司开发哈佛架构32位处理器拥存接口寄存器部数路径较先进32位实现边取址边进行数访问采独立数指令总线达成样效果必须CM3部集成数总线接口实现行工作单独优化接口方面指令总线数总线享相存空间
CortexM3提供MPU应需更存储系统功复杂应程序CortexM3仅支持端模式端模式外部缓存
CM3提供许调试组件支持硬件级调试操作包括限数观察点指令断点等外选组件支持更高级调试包括指令踪种类型调试接口
控制模块文选ST（STMicroelectronics）半导体公司开发stm32f103c8t6意法半导体集团前身意利SGS微电子集团法国汤姆逊半导体集团两电子领域巨头1987年6月合十年更名意法半导体公司成愧世
界级半导体公司成立ST增长速度已超整半导体行业增长速度1999年ST半导体直全球十半导体公司根新行业统计数意法半导体已成全球第五半导体制造商许市场远超行业意法半导体全球模拟功率转换专芯片制造商全球机顶盒芯片工业半导体供应商离散设备手机摄模块汽车集成电路领导者
意法半导体集团拥5万名员工高达16先进研发设施39设计应中心15制造工厂78销售办事处分布36国家拥st公司总部设立瑞士日瓦总部设欧洲新兴市场
STM32F103C8T6款基ARM CortexM3 核属STM32系列32位单片机存64KB需工作电压2V~36V工作温度40°C ~ 85°C设备STM32F103C8T6系统板SWD模式载带安卓接口带复位电路晶振电路电源稳压电路电源滤波电路指示灯电路图22
图22 stm32f103c8t6开发板
显示模块128X64行点阵组成OLED12864模块模块包含64×64显示数RAM中位数会应0LED屏点亮暗状态拥较简单接口电路操作指令8位行数接口读写时序适配6800系列时序直接8位微处理器相连需注意Intel8080时序MCU连接时需进行时序转换图23
图23 OLED12864
心电测量模块拥心率血氧采集功iic总线控制模块显示模块进行数通信图24
图24 HXDZ30102心电测量模块
软件方面：
keil5作程序开发软件现市面Keil款软件实C语言软件开发系统款软件Kell Software公司开发C语言语言相言非常方面着显著优势非常容易Keil软件提供许功里面包含种非常功种芯片类型提供选择提供编译仿真等等功款软件C语言非常方便选择汇编语言款软件问世已全球微处理器开发软件市场中站稳脚
作家领先全球微处理器软件开发工具供应商根查阅资料显示实两家企业营着Keil公司两家企业中仅着鼎鼎名Keil Elektronik 公司实听雷贯耳Keil Software 公司许开发工具Keil公司制造销售中ANSI C编译器宏汇编程序调试器连接器库理器固件实时操作系统核心（realtime kernel）种业界认解决方案超10万名开发员正中中Keil C51编译器1988年引入市场行业标准支持超500种8051变种
代码方面样：
#include ledh
#include delayh
#include sysh
#include usarth
#include max30102h
#include myiich
#include algorithmh
#include oledh
uint32_t aun_ir_buffer[500] IR LED sensor data
int32_t n_ir_buffer_length data length
uint32_t aun_red_buffer[500] Red LED sensor data
int32_t n_sp02 SPO2 value
int8_t ch_spo2_valid indicator to show if the SP02 calculation is valid
int32_t n_heart_rate heart rate value
int8_t ch_hr_valid indicator to show if the heart rate calculation is valid
uint8_t uch_dummy
#define MAX_BRIGHTNESS 255
void dis_DrawCurve(u32* datau8 x)
int main(void)
{
variables to calculate the onboard LED brightness that reflects the heartbeats
uint32_t un_min un_max un_prev_data
int i
int32_t n_brightness
float f_temp
u8 temp_num0
u8 temp[6]
u8 str[100]
u8 dis_hr0dis_spo20
NVIC_Configuration()
delay_init() 延时函数初始化
uart_init(115200) 串口初始化115200
LED_Init()
OLED
OLED_Init()
OLED_ShowString(00 initializing 16)
OLED_Refresh_Gram()更新显示OLED
max30102_init()
printf(＼r＼n MAX30102 init ＼r＼n)
un_min0x3FFFF
un_max0
n_ir_buffer_length500 buffer length of 100 stores 5 seconds of samples running at 100sps
read the first 500 samples and determine the signal range
for(i0i
while(MAX30102_INT1) wait until the interrupt pin asserts
max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATAtemp)
aun_red_buffer[i] (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) |
(long)temp[1]<<8 | (long)temp[2] Combine values to get the actual number
aun_ir_buffer[i] (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) |(long)temp[4]<<8 | (long)temp[5] Combine values to get the actual number
if(un_min>aun_red_buffer[i])
un_minaun_red_buffer[i] update signal min
if(un_max
}
un_prev_dataaun_red_buffer[i]
c
3总结
31设计工作总结
现阶段国农村城市生活压力增空巢老留守童增心血防治越越注意需求间接直接促进家心电监测系统蓬勃发展ARM单片机技术成熟成家心电检测系统助推器正文抓住社会趋势医心电监测系统基础加改进型化简易化操作性增强成减低等围绕心电监护系统缩略展开研究
设计工作分两部分：
第部分搜集完整必备硬件stm32f103c8t6核心板OLED12864显示屏心电测量模块usb转ttl模块等基础加整合调试符合软件需求
第二部分描述家心电检测仪软件方面设计实现心电监测仪采目前市面常见ARM处理器市面流行C语言编写软件系统成功实现数显示异常警告血氧浓度脉搏信号测量等重功文介绍功实现方法运作流程
设计程中出现许问题HXDZ30102法传输数段时间排查问题软硬件进行充分检测发现SDA数线口排针连接处虚焊导致信号灯亮数法传输种问题细节更加重视问题细节疏忽引起
物联网时代希未增加新容说系统连接wifi模块者蓝牙模块通信更加方便快捷更加适应时代潮流
32设计足
文设计家心电监测系统许改进方：
1 心电信号识正确率然存提升空间尝试改心电测量模块优化编程
2 心电尚检测较异常信号检测异常信号攻克问题
3 现科技进步飞快设计ARM模块已性面捉襟见肘新代处理器开发家心电检测系统项性进步提高
参考文献
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[23]吴敏基stm32线心电监测系统设计[J]东莞理工学院学报201825(01)4144
附 录
程序源代码
mainc文件
#include ledh
#include delayh
#include sysh
#include usarth
#include max30102h
#include myiich
#include algorithmh
#include oledh
uint32_t aun_ir_buffer[500] IR LED sensor data
int32_t n_ir_buffer_length data length
uint32_t aun_red_buffer[500] Red LED sensor data
int32_t n_sp02 SPO2 value
int8_t ch_spo2_valid indicator to show if the SP02 calculation is valid
int32_t n_heart_rate heart rate value
int8_t ch_hr_valid indicator to show if the heart rate calculation is valid
uint8_t uch_dummy
#define MAX_BRIGHTNESS 255
void dis_DrawCurve(u32* datau8 x)
int main(void)
{
variables to calculate the onboard LED brightness that reflects the heartbeats
uint32_t un_min un_max un_prev_data
int i
int32_t n_brightness
float f_temp
u8 temp_num0
u8 temp[6]
u8 str[100]
u8 dis_hr0dis_spo20
NVIC_Configuration()
delay_init() 延时函数初始化
uart_init(115200) 串口初始化115200
LED_Init()
OLED
OLED_Init()
OLED_ShowString(00 initializing 16)
OLED_Refresh_Gram()更新显示OLED
max30102_init()
printf(＼r＼n MAX30102 init ＼r＼n)
un_min0x3FFFF
un_max0
n_ir_buffer_length500 buffer length of 100 stores 5 seconds of samples running at 100sps
read the first 500 samples and determine the signal range
for(i0i
while(MAX30102_INT1) wait until the interrupt pin asserts
max30102_FIFO_ReadBytes(REG_FIFO_DATAtemp)
aun_red_buffer[i] (long)((long)((long)temp[0]&0x03)<<16) | (long)temp[1]<<8 | (long)temp[2] Combine values to get the actual number
aun_ir_buffer[i] (long)((long)((long)temp[3] & 0x03)<<16) |(long)temp[4]<<8 | (long)temp[5] Combine values to get the actual number
if(un_min>aun_red_buffer[i])
un_minaun_red_buffer[i] update signal min
if(un_max
}
un_prev_dataaun_red_buffer[i]
c
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