基于STM32实现多模态生物电信号采集与传输

基于STM32实现多模态生物电信号采集与传输的系统设计

一、系统架构设计

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| STM32 MCU           |<----SPI---->| ADC模块(ADS1299)    |<----| 生物电传感器阵列    |
| (主控制器)          |       | (24位ΔΣ ADC)        |       | (EEG/EOG/ECG电极)   |
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           |                            |                            |
           | USART+DMA                | SPI+DMA                    |
           v                            v                            v
+---------------------+       +---------------------+       +---------------------+
| 蓝牙模块(HC-05)     |<----UART---->| PC端处理系统        |       | 数据分析软件        |
| (BLE 4.0)           |       | (MATLAB/Python)     |       | (实时显示/存储)     |
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二、硬件配置要点

1. ADC模块选型

   • 推荐ADS1299（24位ΔΣ ADC）
   • 支持8通道同步采样
   • 内置参考电压(2.4V)
   • 可编程增益放大器(PGA)：1-64倍

2. STM32外设配置

   // SPI1配置（ADC通信）
   hspi1.Instance = SPI1;
   hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
   hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
   hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
   hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
   hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
   hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
   hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
   hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
   hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
   hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
   hspi1.Init.CRCPolynomial = 7;
   HAL_SPI_Init(&hspi1);
   
   // USART2配置（蓝牙通信）
   huart2.Instance = USART2;
   huart2.Init.BaudRate = 115200;
   huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
   huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
   huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
   huart2.Init.Mode = UART_MODE_TXRX;
   huart2.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
   huart2.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
   HAL_UART_Init(&huart2);
   

三、软件实现流程

1. ADC数据采集

   void ADC_Read_Data(uint8_t *buffer) {
       // 发送控制指令
       HAL_SPI_Transmit(&hspi1, (uint8_t*)0xA5A5, 2, 100); // 起始标志
       
       // 选择通道0-7
       for(int ch=0; ch<8; ch++) {
           HAL_SPI_Transmit(&hspi1, &ch, 1, 100);
           HAL_SPI_Receive(&hspi1, &buffer[ch*3], 3, 100); // 24位数据
       }
   }
   

2. 数据预处理

   #define SAMPLE_RATE 250  // 250Hz采样率
   #define BUFFER_SIZE 512
   
   float butterworth_bandpass(float *input, float *output, int len) {
       // 实现0.5-40Hz带通滤波
       // 使用双二阶滤波器级联
       // 系数参考MATLAB生成
       return filtered_value;
   }
   

3. 蓝牙数据传输

   void BLE_Send_Packet(uint8_t *data, uint16_t len) {
       uint8_t packet[256] = {0xAA, 0x55}; // 自定义协议头
       memcpy(packet+2, data, len);
       HAL_UART_Transmit(&huart2, packet, len+2, 1000);
   }
   

参考源码 STM32通过SPI通信控制ADC采集脑电、眼电、心电数据 www.youwenfan.com/contentcni/72775.html

四、PC端处理方案

1. MATLAB实时分析脚本

   s = serialport('COM3', 115200);
   while true
       data = read(s, 512, 'uint8');
       % 解包处理
       [eeg, eog, ecg] = parse_data(data);
       % 实时显示
       plot_eeg(eeg);
       % 心率计算
       hr = calculate_hr(ecg);
       % 异常检测
       if detect_seizure(ecg)
           send_alert('异常脑电活动！');
       end
   end
   

2. Python数据处理示例

   import serial
   import numpy as np
   from scipy.signal import butter, filtfilt
   
   ser = serial.Serial('COM3', 115200)
   buffer = np.zeros(512, dtype=np.float32)
   
   def process_data(data):
       # 解析二进制数据
       raw = np.frombuffer(data, dtype=np.int32)
       # 滤波处理
       b, a = butter(4, [0.5, 40]/(250/2), 'bandpass')
       filtered = filtfilt(b, a, raw)
       # 特征提取
       features = extract_features(filtered)
       return features
   

五、关键优化措施

1. 信号完整性保障

   • 硬件级：添加二级工频陷波滤波器（50/60Hz）
   • 软件级：采用移动平均滤波（窗口宽度=10）

2. 功耗管理方案

   // 低功耗模式配置
   HAL_PWR_EnableSleepOnExit();
   HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);
   

3. 数据可靠性机制

   • CRC16校验：每帧数据附加2字节校验码
   • 重传机制：异常数据包自动重发（最大3次）

六、调试建议

1. 使用逻辑分析仪验证SPI通信时序
2. 通过示波器观察ADC输入/输出波形
3. 在PC端实现虚拟示波器功能实时监控
4. 使用Wireshark抓包分析蓝牙通信数据