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基于MAX30003和STM32G431RB的心脏故事讲述者

为更健康的明天提供卓越的心电图监测

ECG 3 Click with Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

已发布 11月 08, 2024

点击板

ECG 3 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32G431RB MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32G431RB

体验我们下一代心电监测解决方案。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

ECG 3 Click 配备了 MAX30003,这是一款超低功耗、单通道、集成生物电位 AFE,具备 Analog Devices 的心电图和 R-R 检测功能。ECG 3 Click 用于记录单通道心电图。电极可以通过板载的 3.5mm 插孔连接到 ECG 3 Click。ECG 3 Click 使用三电极系统,其中两个电极连接到 MAX30003 的正负差分输入(ECGP 和 ECGN 引脚),而第三个电极连接到 GND。Click 板可以与这些电缆和电极一起使用:ECG/EMG 电缆和 ECG/EMG 电极。在这种情况下,白色电极是 GND 电极。这些电压脉冲自然很弱,只有几毫伏。因此,任何干扰都可能掩盖它们,使其无法检测到。这些干扰可能在人类身体内部感应到,也可能是其他肌肉活动(如骨骼肌)的结果。MAX30003 配备了几种减少这些干扰的方法。然而,测量电极的位置对于准确读取也至关重要。MAX30003 IC 具有两个差分输入,组成单个 ECG 通道。因此,心脏只能从一个平面(冠状面)监测。然而,这对于健身、心率监测和类似应用已经足够。上述所有功能主要与调节输入信号和保护 IC 免受电压浪涌有关,因此可以使用多种类型的电极。输入配备了单极高通 (HP) EMI 滤波器,截止频率设置为 2MHz,作为对干扰的第一

道防线。一组集成的钳位二极管防止 ESD 浪涌到达 IC 并损坏它。输入通过保护串行开关与电极连接,默认情况下这些开关是关闭的。在开发您自己的应用程序时,应注意打开这些开关。然而,Click 板附带的 mikroSDK 库函数会负责正确的配置和初始化。差分输入通过集成的低噪声高阻抗仪表放大器 (IA) 进一步放大,具有固定增益。IA 部分具有另一个 HP 滤波器,有助于拒绝由骨骼肌生成的运动伪影。根据应用需求,较高的截止频率会导致 ECG 信号不太准确,但运动伪影的影响会减少更多。此频率由 MAX30003 IC 的 CAPP 和 CAPN 引脚之间的电容决定,使用 ECG 3 Click 上的 1uF 电容约为 0.04Hz。HP 截止频率的推荐范围为 0.04Hz 到 4.4Hz。在 IA 部分之后,MAX30003 集成了截止频率为 600Hz 的两极低通 (LP) 抗混叠滤波器,以确保良好的采样质量。可编程增益放大器是信号链中的下一个部分,允许最佳信号幅度到达下一个阶段 - Σ-Δ 18 位 A/D 转换器,最终通过 SPI 接口生成心率读数。MAX30003 IC 的其他功能包括自检可编程电压源和无引线检测。AFE 的关键功能之一是 R-R 间隔检测。R 波是心率信号中最高峰的一部分。两个峰之间的距离与

心率密切相关,当没有图形可用时,可以很好地了解 R 波的形状。匹配的 R-R 和 BPM 值表明 R 波非常锐利,没有不规则性。同时,BMP(每分钟的跳动次数)是平均值,而 R-R 间隔表示两个峰之间的时间。广泛的中断引擎可以从各种来源触发主 MCU,包括由于引线检测、R-R 检测、快速恢复事件、FIFO 缓冲状态等引起的中断事件。这些中断源可以在 MAX30003 IC 的中断引脚 (INTB) 上触发状态变化。此引脚为低电平有效。MAX30003 IC 需要板载振荡器提供的时钟信号。振荡器的频率为 32.768 kHz。然而,Click 板通过 mikroBUS™ 的 PWM 引脚(标记为 CLK)接受外部时钟信号。关于电压电平,ECG 3 Click 上实现了 TXB0106 IC,允许其与 3.3V 和 5V MCU 一起操作。该 IC 是 Texas Instruments 的双向电压电平转换器。这是许多不同 Click 板设计中使用的验证解决方案,将逻辑信号(SPI、中断、时钟)的电压转换为 1.8V 电平信号,这对于 MAX30003 IC 是可接受的。这允许许多不同的 MCU 与 ECG 3 Click 接口。逻辑电压选择可以通过板载 SMD 跳线标记为 PWR SEL 完成,而时钟源可以通过另一个标记为 CLK SEL 的 SMD 跳线选择。

ECG 3 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32G431RB MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于 ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32G431RB MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

STM32G431RB front image

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

128

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

32k

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

3线 ECG/EMG 电缆配有方便的 3.5mm 耳机插孔,专为心电图记录设计。这条 1 米长的电缆是医疗专业人员和爱好者的实用伴侣。为了补充这条电缆,您还可以使用一次性粘贴式 ECG/EMG 电极,尺寸为 48x34mm,每个电极都配有 ECG/EMG 电缆插头适配器。这些电极与我们的 ECG/EMG 电缆配对时可确保无缝体验,并保证可靠的 ECG/EMG 信号传输,实现全面的心脏监测。信赖这一准确且方便的设置,轻松自信地记录心电图和肌电图。

ECG 3 Click accessories image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

NC
NC
AN
NC
NC
RST
SPI Chip Select
PB12
CS
SPI Clock
PB3
SCK
SPI Data OUT
PB4
MISO
SPI Data IN
PB5
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
External clock
PC8
PWM
Interrupt
PC14
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
NC
NC
SCL
NC
NC
SDA
Power Supply
5V
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

ECG 3 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32G431RB MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32G474RE MCU front image hardware assembly
LTE Cat.1 6 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE Cat.1 6 Click complete accessories setup image hardware assembly
Nucleo-64 with STM32GXXX MCU Access MB 1 Micro B Conn - upright/background hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
NECTO Compiler Selection Step Image hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

该库包含 ECG 3 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • ecg3_get_ecg - 函数从 FIFO 寄存器读取 ECG 数据

  • ecg3_check_status - 函数检查所需中断的状态标志

  • ecg3_get_rtor - 函数读取心率和 R - R 数据,并将 HR 数据计算为 BPM,将 RR 数据计算为毫秒

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * \file 
 * \brief Ecg3 Click example
 * 
 * # Description
 * This Click is made for ECG and HR, 
 * equipped with an ultra-low power, single channel, integrated biopotential AFE, 
 * with the ECG and R-to-R detection functionality. 
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initializes SPI interface and performs the all necessary configuration 
 * for device to work properly.
 * 
 * ## Application Task  
 * Reads ECG Data every 8ms and sends this data to the serial plotter.
 * 
 * *note:* 
 * Additional Functions :
 *  - void plot_ecg() - Sends ECG Data to the serial plotter.
 *  - void log_rtor() - Sends Heart Rate and R - R Data to the uart terminal.
 * 
 * \author MikroE Team
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "ecg3.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES

static ecg3_t ecg3;
static log_t logger;

static uint32_t ecg_data;
static uint16_t rr_data;
static uint16_t hr_data;
static uint32_t meas_time_cnt = 0;

// ------------------------------------------------------- ADDITIONAL FUNCTIONS

void plot_ecg ( )
{
    if ( ecg_data > 50000 )
    {
        log_printf( &logger,"    %lu,       %lu\r\n", ecg_data, meas_time_cnt );
        
        if ( meas_time_cnt == 0xFFFFFFFF )
        {
            meas_time_cnt = 0;
        }
        else
        {
            meas_time_cnt++;
        }
    }
    Delay_ms ( 8 );
}

void log_rtor ( )
{
    if ( ( rr_data != 0 ) && ( hr_data != 65535 ) )
    {
        log_printf( &logger,"R - R Interval : %u ms\r\n", rr_data );
        log_printf( &logger,"Heart Rate :  %u BPM\r\n", hr_data );
    }
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
}

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    ecg3_cfg_t cfg;

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, "---- Application Init ----" );

    //  Click initialization.

    ecg3_cfg_setup( &cfg );
    ECG3_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
    ecg3_init( &ecg3, &cfg );

    ecg3_sw_reset( &ecg3 );
    ecg3_fifo_reset( &ecg3 );
    Delay_ms ( 100 );

    ecg3_default_cfg ( &ecg3 );
    Delay_ms ( 300 );
}

void application_task ( void )
{
    ecg3_get_ecg( &ecg3, &ecg_data );

    plot_ecg( );
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}


// ------------------------------------------------------------------------ END

额外支持

资源

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