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作者：南阳理工学院 王尚 赵鹰 张真
指导教师：徐源 高有堂

　　作品简介

　　开发背景：
　　随着社会的进步、经济的发展以及人们生活水平的逐步提高，人们的身体健康也产生了巨大的威胁。相关数据表明，我国因心脑血管疾病死亡的人数将近占总死亡人数的一半。由于受测试手段的局限，预防率、治疗率及控制率依然很低。预防率是有效防治心脑血管疾病的关键因素，而且有效的方便的心电监测仪器是完成这一任务的有力工具。但是常规心电监护设备体积笨重、价格昂贵和不便于携带，家庭化的心电图仪器具有具有体积小、操作简单的优点，可以在一定程度上满足了人们的基本应用。便携式监护装置可以在随时随地的进行实时监护，并把数据存储起来。这样不仅可以节省时间，还可以得到实时的监护，所以研发便携式心电监护产品具有重要意义。
　　综观当前心电检测仪器发展趋势，主要向以下几个方向发展： (1)系统化(2)数字化 (3)无线化 (4)自动化 (5)远程化

　　结构设计说明　　

 　　心电图仪的硬件设计
　　采集电路：准确提取生理信号，把信号处理为可供采集分析的有效信号;
　　处理电路：完成信号的放大、滤波。
　　处理器： 完成模拟信号到数字信号的转换，并将所得数据进行进一步的处理及分析。
　　显示电路：显示以及波形对比和参照，以及良好的的人机交互界面

　　心电图仪的软件设计：
　　整个上位机软件整体上采用模块化程序设计思想
　　    K10芯片各模块初始化程序;
　　    数字滤波处理程序;
　　    人机交互界面的程序设计;

　　软件开发平台
　　Keil是德国Keil公司(现已并入ARM 公司)开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(uVision)将这些功能组合在一起。uVision当前最高版本是uVision3,它的界面和常用的微软VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。
　　uVision3 IDE是一款集编辑，编译和项目管理于一身的基于窗口的软件开发环境。uVision3集成了C语言编译器，宏编译，链接/定位，以及HEX文件产生器。如图12所示，是它的一个典型的调试窗口，它主要包括以下几个窗口：　　

 　　软件总体流程图　　

 　　主要功能
　　(1) 完成对心电图信号的测量。
　　(2) 能够与标准心电信号进行对比和分析。给诊断者提 供一个合理的健康分析指标　　

　　平台选型说明

　　该设计采用ARM(Freescale MK10DN512ZVLL10芯片)
　　Kinetis 系列都具有以下特性：
　　• 内核：
　　• ARM Cortex-M4 内核带 DSP 指令，性能可达 1.25 DMIPS/MHz ( 部分Kinetis系列提供浮点单元 )
　　• 提供不同级别的 CPU 频率 50 MHz、 72 MHz 和 100 MHz (部分 Kinetis 系列提供 120 MHz 和 150 MHz )
　　•极低的功耗：
　　•10 种低功耗操作模式用于优化外设活动和唤醒时间以延长电池的寿命
　　•存储器：
　　•内存空间可扩展，从 32 KB 闪存 / 8 KB RAM 到 1 MB 闪存 / 128 KB RAM。多个独立的闪存模块
　　•可选的 16 KB 缓存用于优化总线带宽和闪存执行性能
　　•Flex 存储器具有高达 512 KB 的 FlexNVM 和高达 16 KB 的 FlexRAM。 FlexNVM 能够被分区以支持额外的程序闪存 (例如引导加载程序)、数据闪存 ( 例如存储大表 ) 或者 EEPROM 备份.FlexRAM 支持 EEPROM 字节写 / 字节擦除操作，并且指示最大 EEPROM 空间
　　•EEPROM 最高超过一千万次的使用寿命
　　•EEPROM 擦除 / 写速度远高于传统的 EEPROM
　　•模拟混合信号：
　　•快速、高精度的 16 位 ADC、 12 位 DAC、可编程增益放大器、高速比较器和内部电压参考。提供强大的信号调节、转换和分析性能的同时降低了系统成本
　　• 连接性和通信：
　　• UART 支持 ISO7816 和 IrDA， I2S、 CAN、 I2C 和 SPI
　　• 可靠性和安全性：
　　• 硬件循环冗余校验引擎用于验证存储器内容、通信数据和增加的系统可靠性
　　• 独立时钟工作的 COP 用于防止代码跑飞
　　• 外部看门狗监控
　　• 定时和控制：
　　• 强大的 FlexTimers 支持通用、 PWM 和电机控制功能
　　• 外部接口：
　　• 多功能外部总线接口提供和外部存储器、门阵列逻辑或 LCD 的接口
　　•系统：
　　•5 V 容限的 GPIO 带引脚中断功能
　　•从 1.71 V 到 3.6 V 的宽操作电压范围，闪存编程电压低至 1.71 V ，并且此时闪存和模拟外设所有功能正常。

　　设计说明

　　系统总体设计方案
　　系统原理结构图如图1所示。心电信号由电极获取，送人心电采集电路，经前置放大、主放大、高低通滤波，得到符合要求的心电信号，并送入到K10的ADC进行AD转换。为了更好地抑制干扰信号，在电路中还引入了右腿驱动电路。系统控制芯片采用K10，TFT-LCD的触摸功能加上少量按键可以建立良好的人机交互环境。

　　系统主要硬件结构及电路系统主要划分为三大部分：
　　1.心电采集电路，主要完成心电信号的提取;
　　2.带通滤波及主放大电路，用于调理采集到的信号，使之符合处理要求;
　　3.K10处理电路，完成心电信号的显示和分析功能。

　　整个系统有以下几个部分组成：
　　(1)采集电路：主要有前置放大电路、带通滤波电路和主放大电路组成，心电信号由电极获取后送入心电采集电路，经处理后得到符合要求的心电信息。
　　(2)处理电路：主要完成对心电数据的滤波、陷波、放大、分析、显示。
　　(3)按键电路：完成良好的人机交互。
　　(4)显示电路：实时显示出心电波形和心电相关信息。
　　(5)电源电路：设计稳定可靠的电源电路，为整个系统提供电源，降低系统功耗。

　　便携式心电图仪的硬件设计
　　便携式心电图仪要求具有可移动性和再开发性，不仅便于携带、功能尽可能的完善能够实时对心电信号进行处理，而且要求随着发展可以进一步升级满足人们更多的需求。本心电图仪集信号的采集、处理、两大功能于一体。对于这些功能，即需要相对独立的模块化设计，又需要良好的协调。因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针对性的进行器件的选择和设计。总体电路要遵循：
　　(1) 选择合适的处理器，尽量选择片上系统(System on Chip，SoC)设计硬件系统，减少硬件复杂度并降低成本。
　　(2) 选择典型电路，按照模块化设计，系统扩展与I/O 的配置充分满足应用系统的功能要求，并留有适当冗余，以便进行二次开发。
　　(3) 注重软硬件结合，软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，降低能耗和设备成本。
　　(4) 必须考虑芯片的驱动能力，有必要的可靠性及抗干扰设计它包括去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等[8]。