基于LabVIEW串口的心电信号传输

龙源期刊网串口的心电信号传输作者：周到黄敏来源：《科技创新与应用》2019年第02期摘要：心电信号能够反映心脏的受损程度，对各种常见心脏病的诊断有重要参考意义。随着技术的发展，各种模块化的心电信号采集装置陆续推出，有助于快速搭建心电监护系统。本研究使用AD8232模块采集心电信号，通过Arduino进行模数转换，最后使用LabVIEW软件从串口读取采集到的心电信号，并将心电信号展示出来。整个系统模块清晰、成本低廉、信号清晰，有较强的实用性。关键词：LabVIEW；串口通信；心电中图分类号：TN919文献标志码：A文章编号：2095-2945（2019）02-0032-02Abstract：ECGsignalscanreflectthedegreeofheartdamage，andhaveimportantreferencesignificanceforthediagnosisofvariouscommonheartdiseases.Withthedevelopmentoftechnology，avarietyofmodularECGacquisitiondeviceshavebeenintroduced，whichisconducivetotherapidconstructionofECGmonitoringsystem.Inthisstudy，AD8232moduleisusedtocollectECGsignal，andanalog-to-digitalconversioniscarriedoutthroughArduino.Finally，LabVIEWsoftwareisusedtoreadthecollectedECGsignalfromtheserialportanddisplaytheECGsignal.Themoduleofthewholesystemisclear，thecostislow，thesignalisclear，andithasstrongpracticability.Keywords：LabVIEW；serialcommunication；ECG引言心肌细胞收缩时产生的电信号可以传导到体表的任何部位，在人体皮肤的某个部位放上测量电极，然后通过测量电极可以记录被测者的心脏电变化曲线，这就是临床意义上的心电图（Electrocardiogram，ECG）[1]。心电图的采集和分析，对心脏疾病的监测和诊断，有重要的研究意义，通常认为，心电信号对心律失常、心肌梗死等病症具有重要的参考价值。心电信号是较早应用于医学研究的人体生物电信号，心电信号的采集和分析，是生物医学工程专业教学中的一个重要内容[2]。以往的教学安排中，模拟放大电路、单片机的采样和数字信号处理，会在不同的专业课中讲授，缺乏连贯和一致性。本文依托中南民族大学实验室开放与技改项目，建立一个基于虚拟仪器的心电采集分析平台。为了尽可能让大部分学生熟悉心电的采集分析流程，整个平台需要具有模块化、信号精度可靠、简单易用、成本低廉等特点。基于此，本文设计出一款基于AD8282心电采集模块，龙源期刊网的心电监测系统。该系统中，AD8232实现心电放大，Arduino实现模数转换，LabVIEW通过串口读取最终的心电信号并显示。1AD8232心电采集模块AD8232是美国ADI公司出产的一款单导联心电采集芯片，尺寸小、成本低廉，共模抑制比80dB，能用于运动心率监护、便携式心电装置开发等[3]。在该芯片的基础上构建的心电采集模块，包括运算放大、右腿驱动、导联脱落监测等电路。AD8232模块的实物图如图1所示，从图中可以看到，其主要接口包括接地（GND），接电源（3.3V），信号输出（OUTPUT），导联脱落监测（LO+和LO-）和停机检测（ISDN）。进行心电采集时，将三个电极分别粘贴在左手手腕、右手手腕和右脚脚踝处，并与导联线连接。心电信号通过导联线从右侧的3.5毫米连接线头子接入采集模块，经过放大后的模拟心电信号，可以从“信号输出（OUTPUT）”端口获取。2Arduino实现模数转换为了将心电模拟信号转换为数字信号，我们使用了Arduino开发板。Arduino是一款以ATmega单片机为控制核心的开发板，包含ATmega最小系统、稳压、USB转串口等电路，是一种价格低廉、开发库丰富的微控制器平台[4]。我们使用Arduino的A0通道进行心电信号的模数转换（与AD8232模块的OUTPUT端相连），A10和A11通道作为电极脱落监测通道（与AD8232模块的LO+与LO-相连），Arduino上的3.3V与GND与AD8232模块上对应的端口相连。在Arduino上，编写模数转换程序如下所示。通过这个程序，设定串口传输的波特率为9600，从A10和A11读入电极脱落信号，从A0读入心电模拟信号，再从串口将数字化后的心电信号传送出去。voidsetup（）{Serial.begin（9600）；//设置串口波特率pinMode（10，INPUT）；//电极脱落监测+pinMode（11，INPUT）；//电极脱落监测-}voidloop（）{if（（digitalRead（10）==1）||（digitalRead（11）==1））{龙源期刊网（'！'）；//如果监测到电极脱落，输出感叹号}else{Serial.println（analogRead（A0））；//从A0口读入当前电压值}delay（1）；//延时等待}3LabVIEW从串口获取数据串口通信（SerialCommunication），是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度较低。生物医学信号通常为低频信号，数据量不太大，因此，串口通信协议在生物医学信号的传输中很常见。LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）的简称，是一种图形化的编程语言和开发环境，具有测试方便、开发速度快等特点。LabVIEW依靠VISA（VirtualInstrumentSoftwareArchitecture）库来实现串口的通讯[5]。VISA库是仪器编程的标准函数库，支持串口、GPIB、USB、以太网等多种不同的通讯协议。在串口通讯时，常用的函数有“VISA配置串口”、“VISA打开”、“VISA读取”、“VISA写入”、“VISA设备清零”、“VISA查找资源”、“VISA解锁”、“VISA关闭”等。我们这里仅涉及到从串口中读取数据，用到了“VISA配置串口”、“VISA读取”和“VISA关闭”这三个VISA函数。如图2所示，给出了从串口读取心电数据的程序框图。从图2中可以看到，为了LabVIEW能顺利从串口中读取出数据，需要选定当前数据传输串口号（如果不确定，可以在计算机的设备管理器中查看）。该程序使用了一个属性节点（BytesatPort），这个属性节点能够获取串口缓冲区的剩余字节量，将这个值作为参数传给“VISA读取”函数，可以一次性将串口中的数据全部读出。LabVIEW从串口读出的数据是字符串格式，可以直接创建一个字符串控件“读取缓冲区”查看读取出的数据，也可以使用字符串选板的“十进制符串至数值转换”函数转换为数值，再在波形图表中显示出来。程序如果被手动停止或出错，将终止循环，并关闭串口。为了和传入的数据频率保持一致，这里设定循环延时为1毫秒。最后，在前面板查看到，获取的心电信号波形如图3所示，从图中能够清晰地看到心电信号的特征波形。4结束语本文实现了基于LabVIEW串口的心电信号传输，搭建了一个模块化、低成本、精度满意的实时心电监测平台，适合作为生物医学工程专业的实验平台。本文的工作还可以从以下两个方面深入改进，一是Arduino与计算机连接最好可以采用无线的方式，降低导线的约束；二是龙源期刊网计算机获取心电信号后，还需要对信号进行进一步分析和处理，实时监测心率变化，对异常心率给出报警。参考文献：[1]李中健，井艳，李世锋，等.心电图波形特征分析[J].临床心血管病杂志，2008（03）：195-197.[2]王昌，秦鑫，岳小萍.基于心电的生物医学工程教学系统开发[J].数字技术与应用，2014（09）：146.[3]陈嘉绪，周颖.基于AD8232的心电实时监测及分析系统设计[J].计算机测量与控制，2017，25（02）：26-31.[4]付久强.基于Arduino平台的智能硬件设计研究[J].包装工程，2015，36（10）：76-79+100.[5]魏义虎，陈雷.基于LabVIEW-VISA方式的串口通信研究[J].电子设计工程，2015，23（24）：129-131.