基于STM32的心電采集儀

如今，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(hào)屬于微弱信號(hào)，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(hào)還摻雜有大量的干擾信號(hào)，因此，設(shè)計(jì)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(hào)的關(guān)鍵。基于此，本文設(shè)計(jì)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(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，噪聲干擾得到了有效抑制。

1 總體設(shè)計(jì)方案

心電采集包括模擬采集和數(shù)字處理兩部分，本設(shè)計(jì)通過AgCl電極和三導(dǎo)聯(lián)線心電采集線采集人體心電信號(hào)，通過前置放大電路，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(hào)的幅度控制在STM32的A/D采集范圍內(nèi)，STM32通過定時(shí)器設(shè)定A/D采樣頻率，通過均值濾波的方式對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后在彩屏上描繪出心電圖形，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

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(chǔ)空間、64 kB的RAM，8個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)看門狗和一個(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(jī)管腳排列圖如圖2所示。

圖2 STM32F103VET單片機(jī)管腳排列圖

2.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路是模擬信號(hào)采集的前端，也是整個(gè)電路設(shè)計(jì)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(hào)，還要將干擾信號(hào)降到最低，由于心電信號(hào)屬于差分信號(hào)，所以電路應(yīng)采用差動(dòng)放大的結(jié)構(gòu)，同時(shí)要求系統(tǒng)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(yùn)算放大器至關(guān)重要，這里選擇儀用運(yùn)放AD620實(shí)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(diǎn)，使之適合ECG監(jiān)測(cè)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(hào)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(gè)OP07檢測(cè)R10，R4上的共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線屏蔽層，消除分布電容。同時(shí)用另一個(gè)OP07運(yùn)放和R5，C3，R7組成右腿驅(qū)動(dòng)電路，在R10，R4上檢測(cè)到的共模信號(hào)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(hào)和50 Hz工頻干擾，這里右腿驅(qū)動(dòng)有一個(gè)對(duì)交流電的反饋通路，交流電的干擾可能對(duì)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(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(duì)心電信號(hào)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(gè)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。

圖3 前置放大電路

2.3帶通濾波器的設(shè)計(jì)

從前置放大電路輸出的心電信號(hào)還含有較大直流分量和肌電信號(hào)，基線漂移等干擾成分，所需采集的有用心電信號(hào)在0.03～100 Hz范圍之間，因此需設(shè)計(jì)合理的濾波器使該范圍內(nèi)的信號(hào)得以充分通過，而該范圍以外的信號(hào)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(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≈100 Hz，系統(tǒng)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(shè)計(jì)

工頻是心電信號(hào)中最主要也最常見的干擾源，雖然前面的右腿驅(qū)動(dòng)電路對(duì)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(shè)計(jì)截止頻率為50 Hz的帶阻電路來進(jìn)一步濾除干擾，帶阻電路也稱陷波器，顧名思義，帶阻電路就是使某特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)大幅衰減，而對(duì)該頻率范圍外的信號(hào)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(shù)是對(duì)稱的，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(shè)計(jì)

心電信號(hào)的幅度約為0～4 mV，STM32 AD轉(zhuǎn)換的輸入電平要求為3.3 V，因此，為了單片機(jī)能夠處理采集到心電信號(hào)，需將采集到的模擬信號(hào)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(hào)不失真，一般單級(jí)放大不超過10倍，因此，可采取兩級(jí)放大的方式來達(dá)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(diào)電阻，這樣就可以通過變阻器的調(diào)節(jié)達(dá)到放大100的效果。此外，因?yàn)镾TM32單片機(jī)的A/D采集不能采集負(fù)電平，因此這里設(shè)計(jì)了如U7所示的電平抬升電路把心電信號(hào)提到0電平以上，方便單片機(jī)采集。

圖6 主放大以及電平抬升電路電路

3 軟件設(shè)計(jì)

得到心電信號(hào)后要輸入STM32進(jìn)行AD采集和軟件濾波，最終送LCD實(shí)現(xiàn)波形顯示，單片機(jī)初始化后，程序設(shè)計(jì)定時(shí)器每6 ms中斷一次，在中斷函數(shù)里，對(duì)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(zhuǎn)換與彩屏對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，在彩屏上畫線實(shí)現(xiàn)波形的實(shí)時(shí)顯示，整個(gè)系統(tǒng)的程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

通過電極片和三導(dǎo)聯(lián)線在人的左臂，右臂，右腿部采集心電信號(hào)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(hào)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)效果展示圖

從彩屏和示波器上所得的心電圖來看，50 Hz工頻信號(hào)和基線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(hào)基本吻合，圖像清晰穩(wěn)定，能夠較好地反映人體心電特征。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是以STM32為控制核心，以AD620，OP07為模擬信號(hào)采集端的小型心電采集儀，該設(shè)計(jì)所測(cè)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(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，具有一定的醫(yī)用價(jià)值。