揭秘STM32的心電采集儀電路原理

　　心血管類(lèi)疾病已經(jīng)成為威脅人類(lèi)身體健康的重要疾病之一，而清晰有效的心電圖為診斷這類(lèi)疾病提供了依據，心電采集電路是心電采集儀的關(guān)鍵部分，心電信號屬于微弱信號，其頻率范圍在0.03～100 Hz 之間，幅度在0～5 mV 之間，同時(shí)心電信號還摻雜有大量的干擾信號，因此，設計良好的濾波電路和選擇合適的控制器是得到有效心電信號的關(guān)鍵?；诖?，本文設計了以STM32 為控制核心，AD620 和OP07 為模擬前端的心電采集儀，本設計簡(jiǎn)單實(shí)用，噪聲干擾得到了有效抑制。

　　主控模塊電路設計

　　主控模塊的STM32F103VET 單片機是控制器的核心，該單片機是ST 意法半導體公司生產(chǎn)的32 位高性能、低成本和低功耗的增強型單片機，其內核采用ARM公司最新生產(chǎn)的Cortex—M3 架構，最高工作頻率72 MHz、512 kB 的程序存儲空間、64 kB 的RAM，8 個(gè)定時(shí)器/計數器、兩個(gè)看門(mén)狗和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，片上集成通信接口有兩個(gè)I2C、3 個(gè)SPI、5 個(gè)USART、一個(gè)USB、一個(gè)CAN、一個(gè)SDIO，并集成有3 個(gè)ADC 和一個(gè)DAc，具有100 個(gè)I/O 端口。主控單片機管腳排列圖如圖2 所示。

　　前置放大電路的設計

　　前置放大電路是模擬信號采集的前端，也是整個(gè)電路設計的關(guān)鍵，它不僅要求從人體準確地采集到微弱的心電信號，還要將干擾信號降到最低，由于心電信號屬于差分信號，所以電路應采用差動(dòng)放大的結構，同時(shí)要求系統具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點(diǎn)。因此，選擇合適的運算放大器至關(guān)重要，這里選擇儀用運放AD620 實(shí)現前置放大，AD620 具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流低功耗等特點(diǎn)，使之適合ECG 監測儀等醫療應用。AD620 的放大倍數由1 與8 腳之間的反饋電阻決定，增益G=49.4 kΩRG+1，由于心電信號中含有較大的直流分量，因此前置放大電路的放大倍數不能過(guò)大，在這里選擇放大約10倍，因此反饋電阻R6 取約5 kΩ，為提高電路的共模抑制能力，這里用一個(gè)OP07檢測R10，R4 上的共模信號驅動(dòng)導線(xiàn)屏蔽層，消除分布電容。同時(shí)用另一個(gè)OP07運放和R5，C3，R7 組成右腿驅動(dòng)電路，在R10，R4 上檢測到的共模信號經(jīng)反相放大器后經(jīng)R7，反饋到人的右腿，進(jìn)一步抑制了共模信號和50 Hz 工頻干擾，這里右腿驅動(dòng)有一個(gè)對交流電的反饋通路，交流電的干擾可能對人體產(chǎn)生危害，因此這里要注意做好絕緣措施，同時(shí)保護電阻R7 盡可能大，取1 MΩ以上。此外系統電源的不穩定也對心電信號的采集有較大影響，因此在本系統中，所有運放的電源腳都并聯(lián)兩個(gè)0.1μF 和10μF 的電容退耦，提高系統的穩定性，前置放大電路的電路圖如圖3 所示。

　　帶通濾波器的設計

　　從前置放大電路輸出的心電信號還含有較大直流分量和肌電信號，基線(xiàn)漂移等干擾成分，所需采集的有用心電信號在0.03～100 Hz 范圍之間，因此需設計合理的濾波器使該范圍內的信號得以充分通過(guò)，而該范圍以外的信號得到最大限度的衰減，這里采用具有高精度，低偏置，低功耗特點(diǎn)的兩個(gè)OP07 運放分別組成二階有源高通濾波器和低通濾波器，高通濾波器由C11，C17，R7，R10 組成，截止頻率f1≈0.03 Hz，低通濾波器由R8，R9，C10，C13 組成，截止頻率約為f2≈100Hz，系統帶通濾波器的電路如圖4 所示。

　　本設計實(shí)現的是以STM32 為控制核心，以AD620，OP07 為模擬信號采集端的小型心電采集儀，該設計所測心電波形基本正常，噪聲干擾得到有效抑制，電路性能穩定，基本滿(mǎn)足家居監護以及病理分析的要求，整個(gè)系統設計簡(jiǎn)單，成本低廉，具有一定的醫用價(jià)值。