如何用C#对上位机的波形进行绘制呢

　　有一段时间因为一些事导致心脏不太好，偶尔出现砰砰重跳几下，这种情况不容易捕捉，一般需要心电监护，24小时记录心电波，这样可以判断早搏等。一般来说休息好能自己恢复，不用吃药，想想心电监测还是有点用处的，能看出点问题，值得开发研究。心电监护是综合性很强的电子项目，涉及到模拟电路、数字电路、数字信号处理、通信、波形显示等。心电监测前端硬件电路对信号进行放大滤波，单片机AD采集模拟信号转为数字信号，单片机对数字信号进行数字滤波，通过USB虚拟串口与上位机通信。上位机用C#编写，接收单片机的数字信号，进行波形绘制。
　　上位机最终效果如下
　　
　　项目中有如下几项关键技术值得研究
　　1、心电前端模拟电路
　　人体的心电信号幅度非常小，大概1mV左右，人体与心电电极的接触电阻比较大，需要前端电路有很高的输入阻抗，否则会因为接触电阻衰减信号。人体处在复杂的电磁环境中，相当于天线把各种信号耦合到心电电路中，其中最常见的是50Hz工频信号。
　　以前有人问我，示波器上的波形线这么粗呢，这个原因就是信号里叠加了很多噪声。上图是心电放大后的信号，可以看出信号上叠加了50Hz的噪声，幅度是三个心电波幅度的一半。从图中也可以看出这个心电信号的幅度是比较大的，大约几百毫伏，这是前端电路对心电信号放大的结果，电路原理图如下。
　　
　　图中除了对信号放大以外还有两处关键的模拟滤波器，一处是C20和R22组成的高通滤波器，一处是R24和C22组成的低通滤波器。除此以外，C17、C18、C19、C21也有滤波的作用，总之，滤波的目的是把没有用的信号去除。但是，模拟滤波器的效果是有限的，需要结合数字信号处理，用数字滤波器去除噪声，数字滤波后面讲。
　　2、单片机采集及传输
　　单片机的采样和心电信号带宽有关，根据IEC规格，心电图的带宽要求从0.5Hz到150Hz。奈奎斯特抽样定理指若频带宽度有限的，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。抽样频率小于2倍频谱最高频率时，信号的频谱有混叠。抽样频率大于2倍频谱最高频率时，信号的频谱无混叠。程序里信号采集使用定时器触发，这样能保证采集间隔的准确或者说采样率。
　　void ADC_Config（void）
　　{
　　GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
　　ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
　　TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
　　TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
　　DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1 ， ENABLE ）;
　　RCC_AHBPeriphClockCmd（RCC_AHBPeriph_DMA1，ENABLE）;
　　RCC_ADCCLKConfig（RCC_PCLK2_Div6）;
　　RCC_APB1PeriphClockCmd（ RCC_APB1Periph_TIM2 ， ENABLE）;
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
　　GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;//Ä£ÄâÊäÈë
　　GPIO_Init（GPIOA， &GPIO_InitStructure）;
　　/* DMA channel1 configuration */
　　DMA_DeInit（DMA1_Channel1）;
　　DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address; //ADCµØÖ·
　　DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = （u32）&AD_BUF;//ÄÚ´æµØÖ·
　　DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
　　DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 500; //»º´æµ¥ÔªµÄ¸öÊý
　　DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//ÍâÉèµØÖ·¹Ì¶¨
　　DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //ÄÚ´æµØÖ·¹Ì¶¨
　　DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; //°ë×Ö
　　DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
　　DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; //Ñ­»·´«Êä
　　DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
　　DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
　　DMA_Init（DMA1_Channel1， &DMA_InitStructure）;
　　DMA_ITConfig（DMA1_Channel1，DMA_IT_TC，ENABLE）;//Æô¶¯ÖжϱêÖ¾
　　DMA_Cmd（DMA1_Channel1， ENABLE）;
　　ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
　　ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
　　ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
　　ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2;
　　ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
　　ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
　　ADC_Init（ADC1， &ADC_InitStructure）;
　　ADC_RegularChannelConfig（ADC1，ADC_Channel_0，1，ADC_SampleTime_1Cycles5）;
　　ADC_DMACmd（ADC1， ENABLE）; //ʹÄÜDMA´«Êä
　　ADC_Cmd（ADC1， ENABLE）;
　　ADC_ResetCalibration（ADC1）;
　　while（ADC_GetResetCalibrationStatus（ADC1））;
　　ADC_StartCalibration（ADC1）;
　　while（ADC_GetCalibrationStatus（ADC1））;
　　ADC_SoftwareStartConvCmd（ADC1， ENABLE）;
　　TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 400; //ÖØÔØʱµÄÖµ ´¥·¢Ê±¼ä2000us£¬ÆµÂÊ200Hz
　　TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 480 - 1; //·ÖƵϵÊý
　　TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = 0; //ʱÖÓ·Ö¸î
　　TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //ÏòÉϼÆÊý
　　TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
　　TIM_TimeBaseInit（TIM2， &TIM_TimeBaseInitStruct）; //µ÷Óÿ⺯ÊýдÈë¼Ä´æÆ÷
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //Ñ¡Ôñ¶¨Ê±Æ÷ģʽΪÂö³å¿í¶Èµ÷ÖÆģʽ1
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 200;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_Low;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;
　　TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
　　TIM_OC2Init（TIM2， &TIM_OCInitStructure）;
　　TIM_Cmd（TIM2， ENABLE）;
　　TIM_CtrlPWMOutputs（TIM2， ENABLE）; //¿ØÖÆTIM2 PWMÊä³ö
　　}
　　程序用DMA自动转换ADC，并且用半中断传输技术，避免传输数据时，数据被DMA改写。关键在这两个量DMA1_FLAG_TC1，DMA1_FLAG_HT1，即DMA缓存到一半时，触发中断，把这一半数据处理并对发送。另一半缓存自动转换，不影响前面的一半。
　　if（DMA_GetFlagStatus（DMA1_FLAG_TC1）==SET） //»ñÈ¡±ê־룬ÅжÏÊÇ·ñ´«ÊäÍê³É
　　{
　　GPIO_WriteBit（GPIOC， GPIO_Pin_13， Bit_SET）;
　　IIR_filter_H（）; //Â˲¨Æ÷º¯Êý
　　USB_USART_SendData（‘$’）;//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½，·¢Ë͸øUSB
　　for（i=0;i《250;i++）
　　{
　　Send_int_Data［i］=（int）（Send_float_Data［i+250］*1000）; //floatת»»Îªint
　　//Send_int_Data［i］=0x0650;
　　int_to_char（Send_int_Data［i］，Send_char_data）; //intתcharÐÍÊý×é
　　for（j=0;j《4;j++）
　　{
　　USB_USART_SendData（Send_char_data［j］）;
　　}
　　}
　　USB_USART_SendData（‘*’）;//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½，·¢Ë͸øUSB
　　USB_USART_RX_STA=0;
　　GPIO_WriteBit（GPIOC， GPIO_Pin_13， Bit_RESET）;
　　DMA_ClearFlag（DMA1_FLAG_TC1）; //´¦ÀíÍêÊý¾Ý，Çå³þ±ê־λ
　　}
　　if（DMA_GetFlagStatus（DMA1_FLAG_HT1）==SET） //»ñÈ¡±ê־룬ÅжÏÊÇ·ñ´«ÊäÍê³É
　　{
　　GPIO_WriteBit（GPIOC， GPIO_Pin_13， Bit_SET）;
　　IIR_filter_L（）; //Â˲¨Æ÷º¯Êý
　　USB_USART_SendData（‘$’）;//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½，·¢Ë͸øUSB
　　for（i=0;i《250;i++）
　　{
　　Send_int_Data［i］=（int）（Send_float_Data［i］*1000）; //floatת»»Îªint
　　//Send_int_Data［i］=0x0650;
　　int_to_char（Send_int_Data［i］，Send_char_data）; //intתcharÐÍÊý×é
　　for（j=0;j《4;j++）
　　{
　　USB_USART_SendData（Send_char_data［j］）;
　　}
　　}
　　USB_USART_SendData（‘*’）;//ÒÔ×Ö½Ú·½Ê½，·¢Ë͸øUSB
　　USB_USART_RX_STA=0;
　　GPIO_WriteBit（GPIOC， GPIO_Pin_13， Bit_RESET）;
　　DMA_ClearFlag（DMA1_FLAG_HT1）; //´¦ÀíÍêÊý¾Ý，Çå³þ±ê־λ
　　}
　　3、单片机信号处理
　　数字信号处理发展很快，其中数字滤波器解决了模拟滤波器滤波效果差的缺陷，从前面图中可以看出，上位机显示的心电波形比示波器的波形要清晰很多，原因就是在单片机中加入了数字滤波器，滤除50Hz工频信号。程序里用的是IIR 50Hz陷波器，IIR滤波器是单片机数字信号处理中用的比较多的，对于IIR滤波器，冲激响应理论上应会无限持续，其输出不仅取决于当前和过去的输入信号值，也取决于过去的信号输出值。常用的工频陷波器主要有IIR和FIR两种，其中FIR具有良好的线性相位，但是在同等滤波效果的情况下，IIR的阶数要比FIR少很多，一个两阶的IIR滤波器的效果FIR要付出100多阶的代价，阶数大意味着运算量大，对于一个MCU单片机来说这是得不偿失的，所以采用IIR滤波器来实现工频滤波。滤波器设计不得不提到MATLAB，他是很好的软件，能很方便的制作数字滤波器。只需填入几个参数可以实现
　　
　　
　　单片机程序如下
　　ADC_ConvertedValueLocal =（float） （AD_BUF［i+250］》》2）/4096*3.3; // ¶Áȡת»»µÄADÖµ
　　x0=ADC_ConvertedValueLocal; //ÊäÈëÐźÅ
　　w0［0］=IIR_50Notch_A［0］*x0-IIR_50Notch_A［1］*w0［1］-IIR_50Notch_A［2］*w0［2］;
　　y0=IIR_50Notch_B［0］*w0［0］+IIR_50Notch_B［1］*w0［1］+IIR_50Notch_B［2］*w0［2］;
　　Send_float_Data［i+250］=y0;
　　w0［2］=w0［1］;
　　w0［1］=w0［0］;
　　w1［2］=w1［1］;
　　w1［1］=w1［0］;
　　4、C#解析单片机上传的数据
　　C#解析单片机上传的数据用列表的方法解决数据包连包的问题。C#接收一包数据SerialPort事件有事要产生一次或者多次事件，导到一包数据分成两包数据。这里用List型变量，每次通知有数据到来，就把数据加入list，处理完移除list。
　　private void serialPort1_DataReceived（object sender， SerialDataReceivedEventArgs e）
　　{
　　int num = serialPort1.BytesToRead;
　　byte［］ received_buf = new byte［num］;
　　byte［］ nreceived_buf = new byte［1002］;
　　int［］ show_buf = new int［1002］;
　　float show_data = 1;
　　int i;
　　serialPort1.Read（received_buf， 0， num）;
　　m_buffer.AddRange（received_buf）;
　　if （m_buffer.Count ！= 0）
　　{
　　int HeadIndex = m_buffer.FindIndex（o =》 o == ‘$’）;
　　if （HeadIndex == -1）
　　{
　　m_buffer.Clear（）;
　　}
　　else if （HeadIndex ！= 0） //不为开头移掉之前的字节
　　{
　　if （HeadIndex 》 1）
　　m_buffer.RemoveRange（0， HeadIndex）;
　　}
　　if （（HeadIndex == 0） &&（m_buffer.Count 》 1002））
　　{
　　m_buffer.CopyTo（0， nreceived_buf， 0， 1002）;
　　m_buffer.RemoveRange（0， 1002）;
　　uart_count = uart_count + 1000;
　　for （i = 0; i 《 1000; i++）
　　{
　　show_data = （（（long）（（（nreceived_buf［i+1］-0x30）*1000）+ （nreceived_buf［i + 2］ - 0x30） * 100） + （（nreceived_buf［i + 3］ - 0x30） * 10） + （nreceived_buf［i +4］ - 0x30））/1）;
　　show_buf［0］ = （int）show_data-300;
　　DataList.Add（show_buf［0］）;//链表尾部添加数据
　　i++; i++; i++;
　　}
　　Invalidate（）; //刷新显示
　　***.Clear（）;
　　try
　　{
　　//因为要访问UI资源，所以需要使用invoke方式同步ui
　　this.Invoke（（EventHandler）（delegate
　　{
　　textBox1.Clear（）;
　　textBox1.AppendText（uart_count.ToString（“F2”））;
　　listBox1.Items.Add（DateTime.Now.ToString（） +“ ” +uart_count.ToString（） + “ ” + System.Text.Encoding.Default.GetString（nreceived_buf））;
　　listBox1.SelectedIndex = listBox1.Items.Count - 1;
　　listBox1.SelectedIndex = -1;
　　}
　　）
　　）;
　　}
　　catch （Exception ex）
　　{
　　//响铃并显示异常给用户
　　System.Media.SystemSounds.Beep.Play（）;
　　MessageBox.Show（ex.Message）;
　　}
　　}
　　}
　　}
　　5、C#波形绘制
　　C#波形绘制用到双缓冲技术
　　public Form1（）
　　{
　　this.SetStyle（ControlStyles.DoubleBuffer | ControlStyles.UserPaint |
　　ControlStyles.AllPaintingInWmPaint，
　　true）;//开启双缓冲
　　this.UpdateStyles（）;
　　InitializeComponent（）;
　　System.Windows.Forms.Control.CheckForIllegalCrossThreadCalls = false;
　　TablePen.DashStyle = System.Drawing.Drawing2D.DashStyle.DashDotDot;
　　SearchAndAddSerialToComboBox（serialPort1， comboBox1）;
　　}