基于CortexTM-M3 内核的生物电信号处理算法研究与实现

2016-12-15仇凯

工程技术研究 2016年11期

关键词：电信号内核滤波器

仇凯

（南京伟思医疗科技股份有限公司，江苏南京 210012）

基于CortexTM-M3 内核的生物电信号处理算法研究与实现

仇凯

（南京伟思医疗科技股份有限公司，江苏南京 210012）

基于Cortex-M3内核，对生物电信号算法的研究与实现，作为生物电采集的核心部分，为显示出准确的生物电信号，要通过不同功能的滤波算法，实现生物电信号“干净化”。针对要实现的目标，主要完成以下几个工作：首先要对生物电信号有所认识和了解，针对其波形特点和采集过程，通过对生物电信号采集前端的控制，达到获取预处理后的生物电信号其次基于Cortex-M3内核。通过数学滤波算法滤除主要干扰：滑动平均数滤波法滤除基线漂移；梳状滤波法滤除50Hz工频干扰。这两个算法具有运算量小、系数整数化等特点，适合于Cortex-M3内核的芯片上实现。最后经过数字滤波后的生物电信号，数据可以存放于SD卡中，同时动态数据可以通过LCD进行显示。

生物；电信号；Cortex-M3内核；滤波算法

随着边缘学科生物学工程的蓬勃发展，在多种层次上研究生物体，特别是人体的结构、功能和其他生命现象，用于研究防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统，越来越多的医疗仪器得以诞生。设计以高性能、低功耗的基于Cortex™-M3内核的STM32为计算核心，设计一套低功耗、采集快、处理数度准确、携带方便等特点的心电图仪器，使心脏病患者得到实时的监护。另外本设计采用USB2.0总线接口与PC机进行通信，将数据存放到PC机中，解决了STM32芯片本身能存放的数据量的瓶颈。且本设计采用标准I导联，仅需要3个肢体电极，无需用户掌握专业的心电图知识，也可完成测量[1]。

1 方案设计

系统总体设计如图1所示，本设计是基于Cortex™-M3的STM32F103VE设计的，是TI公司专门为生物电信号的采集而设计的集成芯片，是生物电信号采集的前端，然后通过SPI通信由STM32控制，并且将采集到的信号发送到STM32，最终再将ECG波形通过LCD显示。

图1 系统总体设计图

2 编程环境的简介及使用

由于本次设计用的是基于ARM7的STM32芯片，所以选择了MDK（或Keil4）软件平台[2]，此编程环境自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的Simulation设备模拟，性能分析等功能，与ARM之前的工具包ADS等相比，可将性能改善超过20%。具有启动代码生成向导；软件模拟器，完全脱离硬件的软件开发过程；性能分析器，看得更远、看得更细、看得更洁；代码更小、性能更高等突出性。

基于ARM Cortex™-M3的STM32F103VET6M，该处理器是行业领先的32位精简指令处理器，高性能、低成本，以及其低功耗适用于具有高确定性的实时应用，芯片工作频率为72MHz，内置高速存储器（高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM），丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设[3]。这块芯片在医疗和手持设备中得到广泛应用。

3 数据采集方法

生物电信号由STM32控制ADS1294进行采集，则利用SPI通信方式进行控制。SPI是高速同步串行口，3～4线接口，收发独立，可以同步进行。SPI接口主要应用在EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间[4]。是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚。

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。本次设计SPI主要用于2个地方：ADS1294与STM32之间进行双向通信；STM32控制TFT显示的单向通信。

4 软件结构及算法设计

4.1 软件架构

软件的编程包括STM32内部各指令集的使用，以及如何在MDK平台上使得STM32能够灵活控制外设，设计的软件架构如图2所示。

图2 软件架构

4.2 生物电信号滤波算法研究

传统的滤波算法大多数使用繁琐的计算公式，运算量比较大，不适合微处理器中。这里结合STM32、ADS1294和心电中存在的干扰类型和特点，研究数字滤波算法，然后在其他滤波算法的基础上，通过插值法特出一种适合本系统的滤波算法。

（1）生物信号滤波原理。软件滤波的功能就是通过一定的计算程序，对采集的数据进行处理，从而消除或减弱干扰噪声的影响，也就是允许某一频率或频率段的信号顺利通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制。

在滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带。反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带，通带和阻带之间的分界频率称为截止频率。本系统设计的滤波器主要是滤除心电信号中50Hz的频率，保留其他频段。

通过研究数字滤波器的设计方法，针对本系统要滤除的主要干扰，设计一个适合于本处理器的滤波算法，该算法既保证较少的运算量，又在滤除干扰的同时保留特征波形的有效信号[5]。因此，本系统所设计的滤波器具有良好的幅频特性和严格的线性相位特征。

（2）滤除基线漂移。作为主要干扰因素之一的基线漂移，对其滤波是心电信号处理中一个重要的问题，当基线漂移很严重时，对波形的识别以及数值的测量造成了困难，有时候甚至无法记录。这是因为ECG信号是非常微弱的（范围是0.05Hz～2Hz）的信号，其本身含有丰富的低频部分，基线漂移会对其造成显而易见的影响，它掩盖了ECG某些特征波形，使得后续步骤如QRS波的检测和识别中增加了观察分析的难度。本次采用滑动平均数滤除基线漂移。

滑动平均滤波器的基本算法：输出序列中第n个点为输入序列中从第n-m+1个点到第n个点的平均值。即对带有噪声的原始信号以n个取样点为一个窗口，取其平均值，窗口每次移一个取样点，对整个信号作窗口重叠运算，原始信号经过滑动平均滤波后，能将其突变值或峰值屏蔽，使原始信号变为较平缓的信号。如图3所示，说明了滑动平均滤波后的波形情况。

图3 滑动平均滤除基线漂移前后时序图

（3）工频（50Hz）陷波。50Hz工频干扰在整个干扰信号中占了一大部分，而按照常规设计方法直接设计50Hz陷波器，要达到较好的滤波效果，设计滤波器的阶数一般比较高，而且滤波器系数多为小数，不适合应用于STM32中进行实时处理。本次设计采用梳状滤波器。梳状滤波器它是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过。经过梳状滤波前后的波形如图4所示。

图4 梳状滤波前后时序图

4.3 心率检测

心电信号具有准周期性，根据心电信号重复的频率可以计算出每分钟心跳次数，即心率。心率算法有很多种。本系统最终采用带通滤波器方法来计算心率参数，达到了预期目的。通过对原始信号频谱分析了解到，ECG信号能量集中在低频范围内，实际频率1Hz～50Hz之间。其中接近直流的分量含有基线漂移，需要抑制，而高频噪声也需要滤除。因此，可以通过一个带通滤波器取出ECG信号中能量较为集中的分量。这里设计的滤波器中心频率设为17Hz（相对频率为0.068）。该滤波器的幅频响应曲线和相频响应曲线如图5所示。

图5 带通滤波器频率响应

经过带通滤波后，信号的形态发生了很大变化，突出表现为震荡式的波峰和波谷。对滤波后的信号进行峰值检测，就可以确定QRS波距离。

4.4 数据存储

对于庞大的采集数据，对与存储容量有限的STM32根本无法满足，所有得用到SD卡进行存储。本系统采用容量为2G的SD卡，可以保证连续记录的数据量。使用前需要先在PC上格式化为FAT32文件系统，然后再将其插入本系统硬件电路板上的SD卡座内。系统上电后自动在根目录下建立ECG文件夹，在实时采集模式下，系统每隔一定时间就会将采集到的心电数据建立一个文件，保存至ECG文件夹内。文件长度固定为4KB，刚好为SD卡一簇的大小。文件的建立日期、时间分别对应采集结束时刻。这样便于事后查看相应时刻的心电图。

5 结论

文章通过基于Cortex-M3 内核的STM32控制ADS1294对生物电信号采集，经过算法处理，最终存储和显示。完成了生物电信号采集系统的硬件设计和算法软件实现，最终做成一个产品系统。携带方便、性价比高。主要具有以下成果：①针对通常心电图仪体积大，携带不方便等，做出了一个适合于家庭个人心电监护的作用，具有采集、存储、显示等功能，达到预期效果；②在MDK编程平台上，同过C语言编程，实现了STM32对外设的控制，达到预期效果；③本设计软件3.3 能够优化课堂教学组织形式

运用数字化媒体辅助教学，使课堂的形式向多样化发展。除了集体教学和小组讨论之外，还有基于网络的协作教学形式。学生可以通过基于网页的交流工具（如聊天室、论坛和视频会议）进行上机操作，实现人机对话，进行个别辅导；提高学生的自主学习能力，发挥创造性，充分体现了素质教育的主体性和发展性。

3.4 能够组织时空融合的协作学习

由于知识的多样性，仅靠在课堂上的学习是远远不够的。基于数字校园的教学模式，有利于学生进行课前与课后，线上与线下的学习活动的整合，形成一个良好的循环系统。除了老师在课堂上进行授课，学生还可以利用非固定的时间进行网络上课前与课后的协作学习。对在校园数字资源平台下老师制作的微课以及视频教学等内容，学生可以进行预习和复习，加深认识。对于课前和课后学习的数字化微课，由于学生不能与教师及同学进行面对面的讨论，因此其结构化程度要求较高；而对于课中的微课，如果学生在学习的过程遇到了疑难问题和困惑时，教师是可以及时地进行答疑解惑，所以其结构化程度要求相对较低[3]。