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[導讀] 基于STM32的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)D/A回放設計,對整體設計方案、硬件組成、軟件設計等進行了介紹。通過讀取心電數(shù)據(jù)將其進行D/A轉換,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

基于STM32MIT-BIH心電數(shù)據(jù)DA回放設計,對整體設計方案、硬件組成、軟件設計等進行了介紹。通過讀取心電數(shù)據(jù)將其進行D/A轉換,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。

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)研究相關的醫(yī)療設備是對科研人員至關重要。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,利用設計的系統(tǒng)通過D/A轉換最終從終端回放出模擬信號。本文介紹基于ARM Cortex-M3內核的STM32微控制器作為主控嵌入式芯片的心電信號數(shù)據(jù)回放的設計方法。

1 工作原理和硬件設計

上位機應用程序讀取心電數(shù)據(jù)庫中一文件,利用設備驅動程序與D/A回放模塊設備進行通信。通過USB總線不斷向硬件設備發(fā)送數(shù)據(jù),設備接收到的原始數(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轉換,最后在終端設備即示波器上回放出模擬信號。

D/A回放硬件結構框圖如圖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,內部集成了RAM、全速USB 2.0設備接口模塊和雙通道的12位高精度D/A轉換模塊等豐富的外設。在結合了高性能、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構簡單緊湊。

1.2 D/A轉換模塊

D/A轉換模塊(DAC)是12位數(shù)字輸入,電壓輸出的D/A轉換器。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,即可直接驅動外部負載。DAC轉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全速設備接口

USB外設接口實現(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芯片內部集成了USB外設,大大減輕了USB電路的設計負擔,只需設計USB接口電路,就可以實現(xiàn)STM32芯片的電路板的USB通信設計。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 固件程序設計

固件程序是運行于USB設備中的程序代碼,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)范設置設備的各種描述符;三是初始化系統(tǒng)得各級中斷和內部端點的配置。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,主要分為內核層和應用接口層,結構框圖如圖4所示。

內核層: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 固件程序的設計

在本系統(tǒng)的開發(fā)中,沒有對內核層進行深入研究和修改,僅對應用接口層進行完成設備功能需要的設計。應用層的開發(fā)主要包括:系統(tǒng)初始化,主要開啟系統(tǒng)和所用外設的時鐘;USB時鐘配置,設置并使能USB時鐘,為48 MHz;USB初始化主要是完成USB設備的枚舉;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設備的插入,然后對設備進行枚舉。在設計的D/A回放系統(tǒng)中,枚舉過程的實現(xiàn)主要是對USB設備的設備描述符、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設備枚舉的過程就是通過讀取各個描述符來獲取USB設備的信息,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設備默認的控制端點,采用了控制傳輸方式,主要完成設備的枚舉。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,經過相應的移位后,寫入的數(shù)據(jù)被轉存到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 設備驅動和應用程序的設計

本系統(tǒng)的USB驅動程序采用WDM模型,選用的開發(fā)工具是WindowsXP DDK(Build 2600),Driver Studio 3.2和VC 6.0。驅動程序開發(fā)平臺搭建成功后,根據(jù)實際需要,用DriverWorks自帶的DriverWizard生成驅動程序框架和Read,Write函數(shù),在DevICeIoControl函數(shù)中添加設備控制程序,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應用程序與設備驅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)回放結果分析

按照固件程序的設計寫入USB設備,插入主機并加載相應的驅動程序,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 結語

基于STM32的MIT-BIH心電數(shù)據(jù)D/A回放的設計,在硬件和固件應用程序兩方面實現(xiàn)了比較完美的結合,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

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