[免费开源]基于freescale单片机的心电信号采集与处理-Toy模板网

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本文的工程可访问：https://gitee.com/pidanQwQ/dsp (包含两套不同的方案,可自行下载对比)

或者在CSDN中(仅一套)：【免费】基于Freescal单片机的心电信号采集与处理资源-CSDN文库

功能要求：

⑴实现ADS1292获取心电信号原始数据，并能通过串口或其他接口传输到PC电脑；

⑵实现PC电脑中通过MATLAB或者Python对原始数据进行时域和频域分析；

⑶实现PC电脑中通过MATLAB或者Python对原始数据进行降噪和提取心率；

⑷实现单片机中对原始数据进行降噪和提取心率；

⑸TFT屏幕中绘制心电信号曲线和显示心率数值；

技术指标：

⑴0频处的缓变直流衰减不低于30dB；

⑵降噪滤波器以35Hz为3dB通带截止频率，过渡带不超过10Hz，阻带衰减不低于40dB；

⑶心率估算误差不超过10%；

其他发挥（不限于）：

例如用其他MCU/FPGA等实现部分或完整功能；尝试IIR滤波器降噪；PC和MCU同步显示波形；改变ADS1292采样频率或者模拟放大倍数；读取ADS1292内部测试方波信号；测量心率波形的峰值电压等。

1需求分析

1.1 基本设计要求

（1）实现ADS1292获取心电信号原始数据，并能通过串口传输到PC电脑；

①分析：通过查询数据手册，如表1.1所示，可以得知采集的心电信号是通过补码的方式存储的，因此为了还原ADS1292采样的信号需要对其进行反变化得到真实的原始信号。同时为了方便单片机进行后续的运算，需要舍弃低八位。

表1.1 ADS1292采集信号的数据格式

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②方案：通过SCI0串口发送原始数据给电脑，然后使用MATLAB进行码反变化。具体操作为：单片机发送2个八位无符号整形数，其中第一个为高位、一个为低位。数据还原时需要对高位乘以256，而低位乘以1，两者相加，若其大于2的15次方，则说明为补码，需要用2的16次减去此数。

（2）实现PC电脑中通过MATLAB或者Python对原始数据进行时域和频域分析；

①分析：经过（1）得到原始数据可以使用MATLAB容易画出其时域和频域并对其进行分析。

②方案：使用signalAnalyzer工具或者使用Plot、fft函数进行画图分析。

（3）实现PC电脑中通过MATLAB或者Python对原始数据进行降噪和提取心率；

①分析：对原始数据进行降噪可以使用FIR或者IIR。本次课程设计将同时实现对原始心电信号进行FIR滤波以及IIR滤波。考虑到计算效率以及稳定性，需要着重考虑滤波器的结构。对于FIR滤波器，如图1.1所示为直接型结构。直接型结构代码简单易懂，但对于高阶结构时会导致误差累积，计算会相对复杂。如图1.2所示，为线性相位结构，相比直接型，最大的有点即是减少了运算量。通过理论计算可知，对于N阶滤波器，直接型需要N+1次乘法，而线性相位结构仅仅需要（N+1）/2次乘法，计算量几乎减少了一半。这对于高阶滤波器十分重要。

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图1.1 FIR直接型结构

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图1.2 FIR线性相位结构

对于IIR滤波器，当考虑其有限字长效应时容易导致其不稳定，由于直接型不方便调制其零极点，这种现象在直接型上体现尤其明显。因此，需要考虑误差更小的，可以使用级联型。为了进一步减少对存储单元的使用，可以将输入和输出公用一个延迟单元（即直接Ⅱ型）。如图1.3所示，为级联型IIR滤波器。

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图1.3 IIR级联型结构

对于心率检测的基本思想即寻找每个周期的心电信号的峰值，由此可计算得到周期长度，进而得到心率。

②方案：通过分析，FIR使用运算量更加少的线性相位结构。对于IIR滤波器，采用稳定性更高、误差更小的级联型结构。对于心率测量可以采用如下步骤：首先，随机采样得到一个周期心电信号数据，再寻找此周期内信号的最大值，再将此最大值乘一个系数得到阈值。其次，在整段信号中寻找峰值，判断条件为当前信号的值大于前一信号、大于后一信号且大于阈值，满足上述3个条件即判定为峰值，然后记录下此时位置，根据如下公式计算出心率。

HearRate=fs/count×60

其中HeartRate为最终的心率，单位为次/min，fs为采用频率。

（4）实现单片机中对原始数据进行降噪和提取心率；

①分析：通过（3）过程对数据进行仿真分析，并且验证其可行性，最终会移植到单片机程序中。但由于MATLAB仿真分析时不需要考虑算力同时由于仿真时思维方式为“数据帧”的方式，而单片机的思维方式为“数据流”的方式，因此部分方案在单片机上可能行不通，需要做部分的调整。

②方案：将MATLAB仿真时用的for循环删去，改而在单片机主程序的for循环使用，同时将过分冗余的算法简化，以便不影响单片机的采样。为了能够在单片机上测量心率，可采用如下方案：设置一个门限电平，达到门限开始计数，直到下一个门限电平，这时候可以读取两个门限电平之间的点数，又已知ADS1292的采样频率，可以容易算出心率值。

（5）TFT屏幕中绘制心电信号曲线和显示心率数值；

①分析：绘制曲线可以使用自带的库函数LCD_DrawLine函数，但是考虑到单片机性能，绘图时不能采用帧方式，而应该采用流方式。即来一个点画一个点，同时需要用背景色绘制曲线，以便删除掉上一循环此刻位置的曲线。显示心率数值可以使用LCD_ShowNum函数。

②方案：使用自带库函数LCD_DrawLine和LCD_ShowNum。