基于STM32的心電采集儀

如今，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。

1 總體設計方案

心電采集包括模擬采集和數字處理兩部分，本設計通過(guò)AgCl電極和三導聯(lián)線(xiàn)心電采集線(xiàn)采集人體心電信號，通過(guò)前置放大電路，帶通濾波電路，50 Hz雙T陷波后再經(jīng)主放大電路和電平抬升電路把心電信號的幅度控制在STM32的A/D采集范圍內，STM32通過(guò)定時(shí)器設定A/D采樣頻率，通過(guò)均值濾波的方式對得到的數字信號進(jìn)行處理，最后在彩屏上描繪出心電圖形，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 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。

圖2 STM32F103VET單片機管腳排列圖

2.2 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。

圖3 前置放大電路

2.3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≈100 Hz，系統帶通濾波器的電路如圖4所示。

圖4 帶通濾波器

2.4 50 Hz雙T陷波器設計

工頻是心電信號中最主要也最常見(jiàn)的干擾源，雖然前面的右腿驅動(dòng)電路對其有一定的抑制作用，但是仍有較大部分進(jìn)入了后面的電路，因此有必要設計截止頻率為50 Hz的帶阻電路來(lái)進(jìn)一步濾除干擾，帶阻電路也稱(chēng)陷波器，顧名思義，帶阻電路就是使某特定頻率范圍內的信號大幅衰減，而對該頻率范圍外的信號幾乎不產(chǎn)生影響。雙T陷波電路是典型的帶阻電路，在雙T網(wǎng)絡(luò )中，兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò )的參數是對稱(chēng)的，如圖5所示的50 Hz雙T陷波電路中，R13=R14=2R16=R=32 kΩ，C20=2C19=2C18=C=200 nF，本質(zhì)上是由兩個(gè)T型高通濾波器和低通濾波器并聯(lián)組成，圖5所示電路的截止頻率f0=1/2πRC≈50 Hz。

圖5 50Hz 帶阻濾波器

2.5 主放大以及電平抬升電路設計

心電信號的幅度約為0～4 mV，STM32 AD轉換的輸入電平要求為3.3 V，因此，為了單片機能夠處理采集到心電信號，需將采集到的模擬信號放大800～1 000倍。前置放大電路已放大了10倍，理論上主放大電路約放大100倍即可。為確保信號不失真，一般單級放大不超過(guò)10倍，因此，可采取兩級放大的方式來(lái)達到放大100倍的效果，U9固定放大10倍，U11的反饋電阻采用可調電阻，這樣就可以通過(guò)變阻器的調節達到放大100的效果。此外，因為STM32單片機的A/D采集不能采集負電平，因此這里設計了如U7所示的電平抬升電路把心電信號提到0電平以上，方便單片機采集。

圖6 主放大以及電平抬升電路電路

3 軟件設計

得到心電信號后要輸入STM32進(jìn)行AD采集和軟件濾波，最終送LCD實(shí)現波形顯示，單片機初始化后，程序設計定時(shí)器每6 ms中斷一次，在中斷函數里，對讀取到的A/D值采取均值濾波的形式濾除干擾，然后把之轉換與彩屏對應的坐標值，在彩屏上畫(huà)線(xiàn)實(shí)現波形的實(shí)時(shí)顯示，整個(gè)系統的程序流程如圖7所示。

圖7 系統軟件流程圖

4 測試結果分析

通過(guò)電極片和三導聯(lián)線(xiàn)在人的左臂，右臂，右腿部采集心電信號經(jīng)前端模擬電路和STM32處理后，最后在示波器和彩屏上得到的心電信號如圖8所示。

圖8 系統效果展示圖

從彩屏和示波器上所得的心電圖來(lái)看，50 Hz工頻信號和基線(xiàn)漂移得到了較好的抑制，從示波器上可看出，相鄰兩個(gè)波峰之間的時(shí)間大約為900 ms，這與真實(shí)的心電信號基本吻合，圖像清晰穩定，能夠較好地反映人體心電特征。

5 結束語(yǔ)

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。