揭秘STM32的心電采集儀電路原理

　　心血管類疾病已經(jīng)成為威脅人類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疾病提供了依據(jù)，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，同時心電信號還摻雜有大量的干擾信號，因此，設(shè)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?；诖耍疚脑O(shè)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(shè)計簡單實用，噪聲干擾得到了有效抑制。

　　主控模塊電路設(shè)計

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

　　前置放大電路的設(shè)計

　　前置放大電路是模擬信號采集的前端，也是整個電路設(shè)計的關(guān)鍵，它不僅要求從人體準(zhǔn)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(yīng)采用差動放大的結(jié)構(gòu)，同時要求系統(tǒng)具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點。因此，選擇合適的運(yùn)算放大器至關(guān)重要，這里選擇儀用運(yùn)放AD620 實現(xiàn)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，使之適合ECG 監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。AD620 的放大倍數(shù)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(shù)不能過大，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OP07檢測R10，R4 上的共模信號驅(qū)動導(dǎo)線屏蔽層，消除分布電容。同時用另一個OP07運(yùn)放和R5，C3，R7 組成右腿驅(qū)動電路，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(qū)動有一個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，同時保護(hù)電阻R7 盡可能大，取1 MΩ以上。此外系統(tǒng)電源的不穩(wěn)定也對心電信號的采集有較大影響，因此在本系統(tǒng)中，所有運(yùn)放的電源腳都并聯(lián)兩個0.1μF 和10μF 的電容退耦，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，前置放大電路的電路圖如圖3 所示。

　　帶通濾波器的設(shè)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(shè)計合理的濾波器使該范圍內(nèi)的信號得以充分通過，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，低功耗特點的兩個OP07 運(yùn)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(tǒng)帶通濾波器的電路如圖4 所示。

　　本設(shè)計實現(xiàn)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(shè)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(wěn)定，基本滿足家居監(jiān)護(hù)以及病理分析的要求，整個系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本低廉，具有一定的醫(yī)用價值。