利用STM32F103进行癫痫病人人体参数采集系统设计

本 科 毕 业 设 计（论 文）学院(部)电子信息学院题 目癫痫病人人体参数采集系统设计目录摘 要1Abstract2第1章 绪论31.1 课题研究背景及意义31.2 国内外研究现状41.3 本文主要研究内容及结构51.3.1 本文主要研究内容51.3.2 本文主要结构安排61.4 本章小结6第2章 癫痫病人人体参数采集系统的硬件设计72.1 癫痫检测原理72.1.1 皮电信号检测原理72.1.2 三轴加速度信号检测原理82.2 系统总体设计目标82.3 系统总体设计方案92.4主控芯片选型92.5传感器及显示与存储模块选型102.5.1 皮电传感器模块102.5.2 三轴加速度传感器模块112.5.3 OLED显示模块122.5.4 SD卡存储模块132.6 传感器及显示与存储模块硬件电路设计142.6.1 皮电传感器模块电路设计142.6.2 三轴加速度传感器模块电路设计152.6.3 OLED显示模块电路设计162.6.4 SD卡存储模块电路设计172.7 总体电路结构搭建182.8 本章小结18第3章 癫痫病人人体参数采集系统的软件设计203.1 系统软件总体设计203.2 皮电采集模块软件设计213.2.1 皮电采集软件工作流程213.2.2 原始皮电信号处理213.3 三轴加速度采集模块软件设计223.3.1 三轴加速度采集软件工作流程223.3.2 原始三轴加速度信号及温度信号处理233.4 OLED显示模块软件设计243.5 SD卡存储模块软件设计253.6 癫痫检测263.7 本章小结27第4章 系统测试及结果分析284.1 系统整体测试284.2 皮电采集模块测试294.3 三轴加速度采集模块测试294.4 系统运行结果分析314.5 本章小结32第5章 总结与展望33参考文献34致谢36摘 要据统计，全球有超过1的人口正遭受着癫痫病的困扰，随着当今社会人们对癫痫监测问题越来越重视，加上医疗水平的快速进步和科学技术的不断创新，便携式人体参数采集系统和癫痫监测设备近年来走进人们的视野。研究发现，人体的生理信号是反映人体健康状态的重要依据，而癫痫在发病期间，人体皮肤的电特性数据和加速度数据会发生变化，包含了许多病理和生理信息，故本文针对皮肤电信号和三轴加速度信号进行采集，采用模块化思想，选用低功耗传感器，设计一种用于癫痫病人的人体参数采集系统。本系统由中央处理单元、生理信号采集模块、SD卡存储模块、OLED显示模块和电源模块组成，具有可变的信号采样能力、数据直观显示功能、实时存储功能和初步检测癫痫功能。本设计选取的中央处理单元是STM32F103ZET6。皮电信号采集模块选用GSR模块，STM32利用片内的12位A/D将GSR传感器采集的模拟皮肤电信号转换为数字信号。三轴加速度模块选用MPU6050传感器，STM32通过IIC通信获取该模块采集的三轴加速度原始数据。原始数据经过处理后，中央处理器通过SPI传输方式将有效数据实时显示在0.96寸OLED屏上，并以SDIO方式驱动高速SD大卡，将数据存储起来以便后续的病理分析。同时，该系统对加速度数据进行了阈值判断，通过检测运动状态来初步判断癫痫发作，增加了系统的应用性。关键词：癫痫病，皮电，三轴加速度，STM32F103AbstractAccording to statistics, over 1% of the worlds population is suffering from epilepsy. With the increasing attention people attach to epilepsy monitoring problems in the world today, coupled with rapid advancement in medical care and continuous innovation in science and technology, portable human body parameters are collected. Systems and epilepsy monitoring equipment have come into view in recent years. The study found that the human bodys physiological signals are an important basis for reflecting the health status of the human body, and during the onset of epilepsy, the electrical characteristics data and acceleration data of human skin will change, including many pathological and physiological information, so this paper aims at skin electrical signals and Three-axis acceleration signals are collected, a modular idea is adopted, and a low-power sensor is selected to design a human body parameter acquisition system for epilepsy patients. The system consists of a central processing unit, a physiological signal acquisition module, an SD card storage module, an OLED display module, and a power supply module, and has a variable signal sampling capability, an intuitive data display function, a real-time storage function, and preliminary detection of epilepsy. The central processing unit chosen for this design is STM32F103ZET6. The leather signal acquisition module selects the GSR module, and the STM32 uses the on-chip 12-bit A/D to convert the simulated skin electrical signal collected by the GSR sensor into a digital signal. The triaxial acceleration module uses the MPU6050 sensor. The STM32 acquires the triaxial acceleration raw data collected by the module through IIC communication. After the original data is processed, the central processor displays the valid data on the 0.96-inch OLED screen in real time through the SPI transmission mode, and drives the high-speed SD card in SDIO mode to store the data for subsequent pathological analysis. At the same time, the system makes threshold judgments on acceleration data, and initially determines seizures by detecting movement status, which increases the application of the system.Keywords：Epilepsy, Skin Galvanic, Triaxial Acceleration, STM32F103第1章 绪论1.1 课题研究背景及意义癫痫（epilepsy）是一种慢性反复发作性短暂脑功能失调综合征1。病发时脑神经元异常放电，引起反复痫性发作。癫痫是比较常见的神经系统疾病，发病率与年纪相关，通常1岁以内最易患病，110岁后发病率渐渐降低。我国癫痫患者中男女比例为1.16:1左右，种族的患病率差异不明显。癫痫病通常会突然发作，且发作时间短暂、易反复，主要有5类临床表现：全面强直-阵挛发作（大发作）、单纯部分发作、复杂部分发作、失神发作（小发作）、癫痫持续状态。这些都伴随着患者意识丧失、昏厥、四肢抽搐等表现，严重危及患者的身心健康与生命安全。据统计，全球有超过1的人口遭受该疾病的困扰。癫痫发作的病因复杂多样，发病机制迄今尚未完全明确2。研究发现，癫痫在发病前期，人体的皮肤电特性会发生变化，发病中期，运动状态发生明显变化，包含了许多病理信息，这作为研究癫痫疾病的一种重要手段，在癫痫的临床诊断与治疗方面发挥着极其重要的作用。癫痫是慢性疾病，迁延时间很长，可达数年乃至数十年之久，对患者躯体、心理、社交和生活等方面造成极大的负面影响3。例如患者在与家人朋友相处、在学校里接受教育、参加工作、参加娱乐活动等场合，会受到限制和不平等的待遇，这不但会给癫痫患者造成经济损害，还严重影响他们的身心发展。所以这不仅需要大众对癫痫患者给予帮助和理解，还要求医疗机构做好癫痫的预防检测工作，以尽早地诊断和治疗癫痫患者，最大限度地减少脑损伤和复发率4。为了更加深入地研究癫痫病和检测癫痫，获得癫痫病人的人体参数是开展该项研究的一个重要的预备工作。根据项目需要，需要获得的人体参数包括腕部加速度数据和腕部皮肤电特性数据。本设计题目的目的是：研制一种以癫痫病人为主要受众的人体数据采集系统，该系统具有可变的数据采样能力并可携带，对皮肤电特性数据、人体三轴加速度运动数据进行采集，并将转换后的有效数据实时在OLED屏上显示，存储在设备的SD卡中，该设备工作时间大于24小时，并要求具备初步判断癫痫状态的功能。1.2 国内外研究现状国内外很早就开拓了人体生理参数采集系统的研究领域，随着科学技术的疾速发展和计算机领域的不断创新，这种采集设备由大型笨拙的计算机系统渐渐改良为MCU（微型控制系统），此系统以烧录固化了程序的单片机为中心，通过软件和硬件设计，实现数据的采集、显示、存储，分析处理和再现等功能。后来，随着传感器技术越来越成熟，无创式传感器开始普遍应用起来，再加上多媒体（Multimedia）技术、无线移动通讯（Wireless Communication）技术、电池（Battery）技术等各个领域的迅猛发展，都为可便携式人体参数采集设备的发展提供了良好的基础5。近