基于FT245RL的快速胎儿心电采集系统

付丙艮，杨祖元，蔡 坤，谢胜利

1 广东工业大学自动化学院，广州市，510006

2 华南农业大学工程学院，广州市，510642

基于FT245RL的快速胎儿心电采集系统

【作者】付丙艮1，杨祖元1，蔡 坤2，谢胜利1

1 广东工业大学自动化学院，广州市，510006

2 华南农业大学工程学院，广州市，510642

该文设计了一种快速胎儿心电信号采集系统，包括前端信号采集模块、微控制模块以及上位机软件应用模块。前两个模块分别由ADS1294芯片和STM32F103芯片来完成，最后一个模块在VC++平台上开发出来。通过使用FT245RL芯片，该系统实现了ARM与PC机之间的串并行转换通信方式，可以大大提高数据传输速率，同时其功耗低、精度高且结构简单，能够从母亲腹壁上采集到胎儿心电信号，并将其转换成24 bit的数字信号。

胎儿心电；ARM微控制器；ADS1294；FT245RL

0 引言

胎儿健康状态检测一直是大家普遍关注的问题，目前主要借助B超和多普勒胎心仪来处理，但这两种方法都是主动式的，对胎儿存在一定的伤害。考虑到胎儿心电(FECG)是测试胎儿心脏生理活动的一项客观指标，可以反映胎儿在孕期的生长和健康状况[1-2]，本文设计了一种被动式心电信号接收系统，减少了对胎儿的影响。特别地，该系统较好地克服了胎儿心电信号所具有的低幅度高噪声且混叠着母亲心电信号等难点，较为准确地采集到了实际胎儿心电信号。此外，通过借用已有的生物电信号采集芯片，该系统能将微弱的生物电信号转换为数字信号，且系统信号采集装备中的各个模块被集成在一片Soc上，功耗较低。

1 系统整体设计

图1显示了本设计系统的整体框图，主要包括以下三个模块：基于ADS1294的前向采集模块、基于STM32F103的微控制模块以及上位机软件模块。同时在微控制模块与上位机之间连接着由FT245RL构成的转串口模块。

开始采集时，要在孕妇的肚皮上贴四块心电电极，一块做右腿驱动，一块做参考电极，另两块为混叠母亲心电信号的两路心电信号。采集到的两路心电信号通过SPI传输到MCU再转移到MCU的GPIO口最后由FT245将并行数据转成串行数据发给PC机。

图1 系统整体框架图Fig.1 Frame of the whole system

2 系统硬件设计

2.1 前端信号采集模块

该模块使用TI公司推出的低功耗生物电采集芯片ADS1294，其内部框架如图2所示[3]。该芯片专门用于生物电位测量，集成特性包括8路独立的PGA和24 bit ADC，右腿驱动电路以及电极检测等，这些功能极大地方便了脑电信号和心电信号等生理信号采集系统的设计，使其所占用的组件数量与电路板尺寸与分立器件相比要降低95%，功耗也降低95%左右，3 V供电时其最大功耗仅为9.5 mW。

通过控制ADS1294内部寄存器可以实现它的主要功能，在本文中，ADS1294与MCU之间通过SPI来进行通信。ADS1294的参考电压可设置为2.4 V或4 V，因为它的分辨率为24 bit，所以最低可分辨的电压分别为0.286 μF和0.477 μF。而母亲心电信号的幅度一般为500 μV～100 mV，胎儿心电信号的幅度一般为10 μV～50 μV[4]。所以在信号进入ADS1294之前不需要再经过放大处理，其自带的放大模块就能满足要求，这样就大大简化了信号调理电路，极大地缩小了整体信号采集电路的体积。

2.2 MCU模块

本系统选用意法半导体公司的STM32F103芯片作为主控芯片。STM32系列芯片是该公司专门针对要求高性能、低功耗、低成本的嵌入式系统而生产的，采用ARM Cortex-M3内核[5]。其中F103是同类产品中性能最高的，时钟频率达到72 MHZ，内置32 kB到128 kB的闪存，另外还有3组串口和SPI接口以及一些其他的外设接口，同时它的功耗只有36 mW。

2.3 FT245RL转串口模块

FT245RL芯片是由FTDI公司设计生产的，它是一款USB转串口的芯片，与FT245BM类似[6-7]。FT 245RL 内部主要由USB 收发器、串行接口引擎(SIE)、USB 协议引擎和先进先出( FIFO) 控制器等构成。使用FT245RL转串口时，MCU无需对其特定的引脚进行操作，任何一个MCU的引脚都可以用来控制FT245RL的读写，只要该引脚能产生FT245RL所需的读写时序。图3是FT245RL与PC机和MCU的连接图。

图2 ADS1294框架图Fig.2 Frame of ADS1294

图3 FT245RL与PC机以及MCU的连接图Fig.3 Illustration of the connection of FT245RL, PC and MCU

FT245RL硬件电路的设计采用总线供电模式, 同时采用上电复位的方式。GPIO的PA0到PA7 为双向数据端口，RD# 、WR、TXE# 、RXF# 控制数据的读写，USBDP和USBDM分别与USB接口电路中的D-和D+相连。

FT245RL设计中最重要的是对控制时序的掌握,时序图如图4所示。对于FT245RL读时序，当RXF#为低时，当前FIFO可以读取接收缓冲区数据，当其为高时，禁止从FIFO 接收缓冲区读取数据。对于FT245RL写时序, 当TXE#为低，当前FIFO发送缓冲区空，可以向发送缓冲区写入数据，当其为高时, 当前FIFO发送缓冲区已满或者正在写入上一个字节, 禁止向发送缓冲区中写入任何数据。微控制器向FT245RL写入数据时应确保TXE#为低。

图4 FT245RL中的时序结构Fig.4 Time series structure in FT245RL

FT245RL在这里起到了桥梁的作用，MCU通过读取与FT245RL相连的8根数据线的值就可判断PC机发来的命令，同时MCU也可以通过这8根数据线将采集到的数据发到PC机上。这种只要操作GPIO口的方式简单且易于实现。

3 系统软件设计

3.1 上位机程序设计

上位机程序流程图如图5所示，该程序主要完成对整个系统的监控以及对采集到的数据进行基线漂移处理后显示在PC机上。基线漂移是一种常见现象，起因于呼吸干扰和电极移动引入的低频干扰[8]，而传统的滤波器截止频率是固定的，因此当干扰信号频率不定时难以抑制基线漂移。本文使用中值滤波算法来消除基线漂移[9]，较好地保留心电信号的主要波群，最后通过上位机应用软件给MCU发送开始采样和停止采样的命令。

图5 上位机串口监控流程图Fig.5 Flow chart of PC serial port monitoring

3.2 MCU控制程序设计

MCU控制程序流程图如图6、图7所示，这部分程序使用C语言来编写，其主函数为一个死循环函数，一直在查询PC机是否有命令传过来、是否有数据要发往PC机。

图6 MCU主函数流程图Fig.6 Flow chart of MCU main function

图7 外中断0程序流程图Fig.7 Flow chart of external interrupt 0

如果PC机有命令传过来，程序马上进入优先级为0的外中断服务函数，并通过读取8根数据线的值来判断命令类型。如果是停止采样命令，则调用停止采样函数终止采样；如果是开始采样命令则调用ADS1294初始化函数给ADS1294配置相关的参数。

当ADS1294采样到有效的数据时会自动产生一个外中断，该外中断优先级设为1，并在该中断中将采集到的数据进行一定的处理后通知主函数有数据要发送。

4 实验结果及分析

为了验证本系统的可行性，我们进行了大量的试验。试验开始时，将用于心电采集的导联电池贴于孕妇的右腿和腹部。打开上位机应用程序设置好采样频率，选择适当的放大倍数后通过串口给MCU发一条开始采样的指令，此时系统开始采样。当我们需要停止采样时就给MCU发一条停止采样的指令，采集到的数据可以实时的显示在PC上。图8为我们在广州市某医院的一位孕妇身上采集到的信号，该孕妇体态偏瘦、孕期33周，这是一例很好的试验数据。图中可以清晰的看到与母亲心电信号叠在一起的胎儿心电信号，其中幅值较大的为母亲心电信号，较小的为胎儿心电信号。

在胎儿心电信号采集过程中我们发现孕妇的年龄、体型，胎儿位置的移动以及心电电极的变动等都会对我们采集胎儿心电信号产生一定的影响，因而需要在一定的环境下进行。

5 总结

本系统能很好地完成从采样到在PC机上显示心电信号的过程，具有体积小、成本低、精度高、功耗低等特点，不过其对采集目标的适应性不够强，对孕妇的体态、兴奋程度、身体移动幅度等都有一定的要求，这将是下一步的主要工作。

[1] 姜海波, 陈铁军, 沈艳河, 等. 基于ARM的胎儿心电信号数据采集系统[J]. 微计算机信息, 2008, 7(2): 10-12.

[2] 陈泳珊, 游泽山, 梁若虹. 胎儿心电图临床应用价值[J]. 广东医学, 2002, 23(6): 629-630.

[3] TI.ADS1294 Datasheet[EB/OL].[2011-08].http://focus.ti.com.cn/ cn/lit/ds/symlink/ads1294.pdf.

[4] 邢国泉, 徐洪波. 生物医学信号研究概况[J]. 咸宁学院学报(医学版), 2006, 20(5): 459-460.

[5] ST.STM32F103中文教材及参考资料[EQ/OL].[2010-06-20]. http://www.st.com/stonline/products/literature/rm/13902.pdf.

[6] FTDI.FT245RDatasheet[EB/OL]. [2011-08-11]. http://pdf1. alldatasheet.com/datasheet-pdf/view /197789/FTDI/FT245R.html

[7] 刁兆奎, 张鹏飞, 熊继军, 等. 基于FT245BM 的数据采集系统设计与实现[J]. 测试技术学报, 2011, 2(16): 126-127.

[8] 周立功, 张华. 深入浅出ARM7:LPC213X/214X(上)[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.

[9] 周立功, 张华. 深入浅出ARM7:LPC213X/214X(下)[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2005.

A Rapid Fetal ECG Acquisition System Based on FT245RL

【Writers】Fu Binggen1, Yang Zuyuan1, Cai Kun2, Xie Shengli1
1 School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, 510006
2 School of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou, 510642

A rapid fetal ECG signal acquisition system is designed, which includes three modules: a front-end signal acquisition module, a micro control module and a PC software application module. The first two modules are accomplished through the ADS1294 and the STM32F103 chips, respectively, and the third one is developed in VC++ platform. By using the FT245RL chip, the proposed system implements the serial-parallel conversion communication between ARM and PC, improving the data transmission rate largely. Also, it has a simple structure, with low power consumption and high precision. Furthermore, it can collect fetal ECG signals from mother's abdominal wall and convert them into the 24-bit digital signals.

fetal ECG, ARM microcontroller, ADS1294, FT245RL

TN911.7

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.06.008

1671-7104(2014)06-0420-03

2014-07-03

国家自然科学基金（61104053）；广东省中国科学院全面战略合作项目(2012B091100279)

杨祖元，E-mail: yangzuyuan@gdut.edu.cn