基于STM32的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)的D／A回放

摘要：設(shè)計基于STM32的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)D／A回放，對整體設(shè)計方案、硬件組成、軟件設(shè)計等進行了介紹。通過讀取心電數(shù)據(jù)將其進行D／A轉(zhuǎn)換，輸出波形與原始波形進行比較，較好地實現(xiàn)了回放功能。由此可見，該系統(tǒng)的性能指標達到了設(shè)計要求。能很好地實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)回放，為一系列心電算法的仿真實踐及實時心電監(jiān)護儀的研制打好了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：MIT-BIH心電數(shù)據(jù)庫；D／A轉(zhuǎn)換；STM32；USB接口

0 引言
    心電信號是人類最早開展研究并應用于臨床醫(yī)學的生物電信號之一，通過對心電信號的分析處理能有效地預測心臟疾病。如何利用心電數(shù)據(jù)開發(fā)研究相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備是對科研人員至關(guān)重要。心電數(shù)據(jù)的回放就是將原有的存儲的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)，根據(jù)其存儲的格式，利用設(shè)計的系統(tǒng)通過D／A轉(zhuǎn)換最終從終端回放出模擬信號。本文介紹基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32微控制器作為主控嵌入式芯片的心電信號數(shù)據(jù)回放的設(shè)計方法。

1 工作原理和硬件設(shè)計
    上位機應用程序讀取心電數(shù)據(jù)庫中一文件，利用設(shè)備驅(qū)動程序與D／A回放模塊設(shè)備進行通信。通過USB總線不斷向硬件設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，設(shè)備接收到的原始數(shù)據(jù)，利用DMA傳輸方式，連續(xù)、不丟失地傳送到DAC模塊中，在定時器的觸發(fā)下，DAC模塊完成數(shù)據(jù)的D／A轉(zhuǎn)換，最后在終端設(shè)備即示波器上回放出模擬信號。
    D／A回放硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 STM32F103XX微處理器簡介
    系統(tǒng)硬件采用意法半導體公司開發(fā)的基于Cortex-M3內(nèi)核的新型32位微控制器STM32F103RE作為主控芯片，工作頻率高達72 MHz，內(nèi)部集成了RAM、全速USB 2．0設(shè)備接口模塊和雙通道的12位高精度D／A轉(zhuǎn)換模塊等豐富的外設(shè)。在結(jié)合了高性能、低功耗和低電壓的同時，保持了高度的集成性能和簡易的開發(fā)特性。應用開發(fā)時，只需連接少量的外圍電路即可使電路結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
1．2 D／A轉(zhuǎn)換模塊
    D／A轉(zhuǎn)換模塊(DAC)是12位數(shù)字輸入，電壓輸出的D／A轉(zhuǎn)換器。DAC可以配置成8位或12位模式，也可以與DMA控制器配合使用。DAC有2個輸出通道，每個通道都有單獨的轉(zhuǎn)換器，可以工作在雙DAC模式下，DAC集成了2個輸出緩存，可以用來減少輸出阻抗，無需外部運放，即可直接驅(qū)動外部負載。DAC轉(zhuǎn)換可以選擇外部事件觸發(fā)(定時器計數(shù)器，外部中斷線)和軟件觸發(fā)。
    使能DAC通道后，STM32F103XX相應的GPIO管腳(PA4或PA5)會自動與DAC的模擬輸出相聯(lián)系。為避免寄生干擾和額外功耗，管腳PA4和PA5配置成模擬輸入(AIN)，如圖2所示。

1．3 USB全速設(shè)備接口
    USB外設(shè)接口實現(xiàn)了USB 2．0全速總線和APB1總線間的接口，為PC主機和微控制器所實現(xiàn)的功能之間提供了符合USB規(guī)范的通信連接。PC主機和微控制器之間通過共享USB端點緩沖區(qū)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
    STM32芯片內(nèi)部集成了USB外設(shè)，大大減輕了USB電路的設(shè)計負擔，只需設(shè)計USB接口電路，就可以實現(xiàn)STM32芯片的電路板的USB通信設(shè)計。D／A回放系統(tǒng)選用的USB硬件接口電路如圖3所示：USB上拉電壓接在D+線上，所以本設(shè)計USB實現(xiàn)全速通信，PC機為USB接口供電。USB+連接在GPIO管腳PA11，USB-連接在GPIO管腳PA12，如圖2所示：

2 固件程序設(shè)計
    固件程序是運行于USB設(shè)備中的程序代碼，用于輔助硬件完成USB的功能。該系統(tǒng)固件程序選用的是STM提供的The USB-FS-Device Libra ry固件程序庫。主要完成如下功能：一是處理USB標準請求和用戶自定義請求；二是根據(jù)USB規(guī)范設(shè)置設(shè)備的各種描述符；三是初始化系統(tǒng)得各級中斷和內(nèi)部端點的配置。在Keil編譯環(huán)境下，利用現(xiàn)成固件程序框架函數(shù)，根據(jù)設(shè)備需求在STM提供的固件程序的框架中添加相應的程序代碼，完成本回放系統(tǒng)的功能目的。
2．1 STM32F103xxUSB固件程序庫簡介
    STM32F103xxUSB固件程序庫是意法半導體公司專為STM32F103XX系列ARM微處理器提供的固件程序庫，主要分為內(nèi)核層和應用接口層，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    內(nèi)核層：該層管理使用USB IP硬件與USB標準協(xié)議兩者間的直接通信。USB庫內(nèi)核遵從USB 2．0標準并和標準的STM32F103XX固件庫分離。
    應用程序接口層：該層為用戶提供了內(nèi)核和最終應用程序之間的完整接口。應用接口層和最終應用與固件庫通信來管理應用的硬件需求。
2．2 固件程序的設(shè)計
    在本系統(tǒng)的開發(fā)中，沒有對內(nèi)核層進行深入研究和修改，僅對應用接口層進行完成設(shè)備功能需要的設(shè)計。應用層的開發(fā)主要包括：系統(tǒng)初始化，主要開啟系統(tǒng)和所用外設(shè)的時鐘；USB時鐘配置，設(shè)置并使能USB時鐘，為48 MHz；USB初始化主要是完成USB設(shè)備的枚舉；定時器模塊配置、DAC和DMA模塊配置主要是完成所用外設(shè)的初始化；最后配置好標志位后等待上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。所有代碼都是用庫函數(shù)來完成的，主程序流程圖如圖5所示。

    插入USB設(shè)備時，主機輪回查詢各個USB端口，檢測到D+和D-之間有電壓差，會識別出有USB設(shè)備的插入，然后對設(shè)備進行枚舉。在設(shè)計的D／A回放系統(tǒng)中，枚舉過程的實現(xiàn)主要是對USB設(shè)備的設(shè)備描述符、配置描述符、端口描述符和端點描述符的配置來實現(xiàn)的。USB設(shè)備枚舉的過程就是通過讀取各個描述符來獲取USB設(shè)備的信息，然后將它配置為其中的一種功能。
    D／A回放系統(tǒng)模塊設(shè)計中，共使用了3個端點，分別為端點0，2和3。端點0為USB設(shè)備默認的控制端點，采用了控制傳輸方式，主要完成設(shè)備的枚舉。端點2、3均為批量傳輸端點，數(shù)據(jù)傳輸采用的是批量傳輸方式，分別接收上位機發(fā)送來的心電信號數(shù)據(jù)和呼吸信號數(shù)據(jù)。定時器是一節(jié)拍發(fā)生器，作為DAC的外部事件觸發(fā)源。定時時鐘的預裝載值和時鐘分頻系數(shù)由原數(shù)字信號的抽樣頻率來決定。在D／A回放系統(tǒng)中，使用了兩個通用定時器3，4，分別作為心電信號和呼吸信號數(shù)據(jù)DA數(shù)模轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源。DAC的配置為12位數(shù)據(jù)右對齊輸入，電壓輸出的雙通道模式。其中，通道1完成心電信號數(shù)據(jù)的D／A，通道2完成呼吸信號數(shù)據(jù)的D／A，選擇定時器作為外部事件觸發(fā)源，在一個定時周期內(nèi)完成一次數(shù)據(jù)的DA實現(xiàn)。DMA模塊主要是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，USB模塊接收端點中斷接受的數(shù)據(jù)，利用DMA方式從端點緩存中送入DAC的DAC_DHRyyD寄存器中，經(jīng)過相應的移位后，寫入的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)存到DHR1和DHR2寄存器中，隨后通過定時器的外部事件觸發(fā)傳輸?shù)紻ORx寄存器中，在經(jīng)過時間tsetting后，輸出即有效。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用了雙緩沖機制，在RAM中開辟了2個緩存buffer，USB模塊接收數(shù)據(jù)放在一個buffer中，DMA傳輸即DAC階段，處理的數(shù)據(jù)是另一個buffer中的數(shù)據(jù)，這樣，使接收數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)并行進行，保證了轉(zhuǎn)換后波形的連續(xù)不間斷性。雙緩沖的實現(xiàn)大致如下(以心電信號數(shù)據(jù)為例)：初始化空閑buffer位為buffer1，DMA源初始化配置為buffer1。端點2接收一數(shù)據(jù)包放入buffer1中，判斷是否為第一次接收數(shù)據(jù)，如果是第一次接收，改變空閑buffer位為buffer2，并允許下一數(shù)據(jù)包的接收；如果不是第一次，中斷直接返回。繼續(xù)接收第二個數(shù)據(jù)包，放入buffer2中，判斷是否第一次DMA傳輸，如果是，改變空閑buffer位為buffer1，開啟DMA傳輸，并使能定時器；如果不是，中斷返回。當DMA傳輸完成進入中斷時，首先判斷空閑buffer位，再重新配置DMA，包括DMA源和傳輸數(shù)目的改變，最后改變空閑buffer位，并允許端點的繼續(xù)接收。心電信號數(shù)據(jù)接收處理流程圖如圖6所示。對于呼吸信號數(shù)據(jù)，做同樣的處理。

3 設(shè)備驅(qū)動和應用程序的設(shè)計
    本系統(tǒng)的USB驅(qū)動程序采用WDM模型，選用的開發(fā)工具是Windows XP DDK(Build 2600)，Driver Studio 3．2和VC 6．0。驅(qū)動程序開發(fā)平臺搭建成功后，根據(jù)實際需要，用DriverWorks自帶的DriverWizard生成驅(qū)動程序框架和Read，Write函數(shù)，在DeviceIoControl函數(shù)中添加設(shè)備控制程序，完成自定義的功能。
    上位機應用程序是采用VC 6．0創(chuàng)建的一個基于MFC的多文檔界面應用程序，主要分為數(shù)據(jù)管理模塊，回放模塊等基本模塊。Win32應用程序與設(shè)備驅(qū)動程序之間的通信是通過接口(API)函數(shù)來實現(xiàn)的，應用程序不需要為了和USB設(shè)備通信去了解復雜的USB協(xié)議，把USB接口當做文件來操作，從而輕而易舉的實現(xiàn)USB接口通信。

4 系統(tǒng)回放結(jié)果分析
    按照固件程序的設(shè)計寫入USB設(shè)備，插入主機并加載相應的驅(qū)動程序，打開上位機程序，讀取數(shù)據(jù)庫中220．dat文件，傳輸?shù)絊TM32完成D／A，原始心電信號波形與示波器回放波形的比較如圖7所示。

    D／A模塊較好的完成了回放功能。通過示波器實時分析，回放波形周期及幅度亦滿足要求，即時序性滿足要求。

5 結(jié)語
    基于STM32的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)D／A回放的設(shè)計，在硬件和固件應用程序兩方面實現(xiàn)了比較完美的結(jié)合，對原始數(shù)據(jù)的D／A回放取得了良好的運行效果。同時主控芯片STM32F103RE內(nèi)部集成的豐富的功能模塊，降低了開發(fā)的難度，也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得該回放系統(tǒng)在醫(yī)學研究和工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應用前景。