基於STM32晶片和TFT-LCD的可攜式心電圖儀設計

可攜式心電圖設備的出現使心電信號能夠在更多場合進行採集，它既可以實現可移動化，又可以實時的對心電信號進行分析。通過內置大容量存儲器件能夠對患者進行長時間的實時監護，並記錄患者的心電數據，通過USB接口與PC機進行數據傳輸，以提交到專業醫療機構做進一步分析和診斷。

1、系統整體設計概述

系統原理框圖可以用圖1表示。心電信號由電極獲取，送入心電採集電路，經前置放大、主放大、高低通濾波、電平抬升後，得到符合要求的心電信號，並送入到STM32的ADC進行AD轉換。為了更好地抑制幹擾信號，在電路中還引入了右腿驅動電路。系統控制晶片採用STM32，TFT-LCD的觸摸功能加上少量按鍵可以建立良好的人機互動環境，可以通過LCD實時顯示和回放，採用SD卡可以存儲24h的心電數據，數據通過USB可靠地傳輸到PC機，以便對心電數據做進一步的分析。

圖1 心電圖儀原理框圖

2、系統主要硬體結構及電路

系統主要劃分為三大部分：心電採集電路，主要完成心電信號的提取;帶通濾波及主放大電路，用於調理採集到的信號，使之符合處理要求;STM32處理電路，完成心電信號的顯示、分析、存儲和數據傳送功能。

2.1、心電採集電路

心電採集電路是整個可攜式心電圖儀的核心，直接決定整個系統性能的好壞。心電採集電路主要包括：輸入緩衝及前置放大、右腿驅動、高低通濾波器、主放大和電平抬升。

體表心電信號的頻率主要集中在0.05～100Hz，幅度為10μV～4mV，典型值為1mV，是一種低頻率的微弱雙極性信號。而STM32的ADC輸入端電壓範圍是0～3.3V，因此需要對心電信號進行放大和電平抬升，總體放大倍數約為1000倍，然後再通過電平抬升電路抬高1V左右。心電測量中，實際的電極不可能完全對稱，這樣將會引起基線漂移現象，還有無處不在的電源工頻幹擾（50Hz），肌電幹擾等，這些都要求心電前置放大器必須有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80dB以上。心電前置放大電路及右腿驅動電路如圖2。（未畫出放大器的正負電源）

圖2  心電前置放大電路及右腿驅動電路

本設計選用INA118儀表放大器作為系統前置放大器，它具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點，它的增益可達1000倍，計算公式為G=1+50k/Rg。電極極化電壓最大可達300mV，為了防止前置放大器進入截止或飽和狀態，必須限制其放大倍數，這裡增益取10，由G=1+50/Rg得出Rg=5.6kΨ，外部電阻Rg選用阻值為5.6kΨ的精密線繞電阻。由於人體的阻抗和心電電極阻抗非常大，所以在前置放大前設計了一級跟隨作為信號緩衝。為了更好地抑制50Hz幹擾，採用右腿電極經電阻與放大器接地端相連，以降低人體的共模電壓。

2.2、帶通濾波及主放大電路

心電信號頻帶主要集中在0.05～100Hz，因此帶通濾波器設計的帶寬為0.03～110Hz以濾除幹擾信號。帶通濾波器用高低通濾波器來構成，如圖3所示，基於小型化和成本考慮，硬體濾波只用一階高通濾波器和一階低通濾波器，雖然設計了右腿驅動電路，但是仍然有50Hz幹擾進入電路，本文不再設計50Hz陷波器，而改為用軟體的方法通過設計數字濾波器來濾除工頻幹擾。

圖3  高、低通濾波電路

圖3中高通濾波器由U5A、C4、R6組成，設置其截至頻率為f=0.03Hz，低通濾波器由U5B、C5、R7組成，設置其截止頻率為f=110Hz。

主放大電路要放大100倍左右，為更好地適應實際應用加入滑動變阻器使其倍數可調。心電採集電路處理後的波形如圖4所示。

圖4  示波器採集到的波形

從圖4看出示波器採集到的心電波形比較乾淨，符合心電波形的特徵，同時看到該波形還有一些波紋，即50Hz幹擾存在，經過軟體濾波可以消除這些幹擾。

2.3、STM32處理器及主要接口電路

2.3.1、TFT-LCD液晶接口設計

選用320＊240TFT液晶來顯示波形，而用STM32的FSMC模塊來控制液晶就非常合適。FSMC即靈活的靜態存儲控制器，它能夠與同步或異步的存儲器和16bit的PC存儲器卡接口，其一大特色是訪問外部設備的時序可編程：等待周期可編程、總線恢復周期可編程、輸出使能和寫使能延遲可編程、獨立地讀寫時序和協議。這樣就可以把液晶當做外部存儲設備來使用，配置好讀寫及控制信號時序，只要指定指針就可以實現對液晶的讀寫訪問。

2.3.2、SD卡接口與USB數據傳輸設計

SD卡有存儲容量大、成本低、讀寫速度快的優點，正逐漸成為存儲設備的主流。其訪問方式有兩種：SPI模式和SDIO模式。STM32有這兩種模式的接口，本文選用SPI模式。接口電路如圖5。

圖5  SD卡接口電路

心電數據的存儲對可攜式心電圖儀來說是必要的，本文在存儲設計上實現了兩個功能：一是支持24h心電數據存儲;二是建立基於SD卡的文件系統，把心電數據存儲為TXT文件格式。這樣處理有一個優點，既可以用心電圖儀的USB接口與PC機進行數據傳輸，也可以把SD卡拔下來用讀卡器把數據讀入PC機。

STM32內含USB模塊，因此省去了外擴USB晶片，另外ST公司還提供了大量USB的實例，只需稍加修改就可應用到實際工程中，加快了開發進程。圖6是USB讀取SD卡中的數據截圖。

圖6 SD卡存儲的心電數據

3、軟體設計

軟體採用功能模塊化設計方法，通過分析，可以得到控制系統主程序和ADC中斷程序的軟體流程圖，主程序主要完成圖形菜單和波形繪製。ADC中斷服務子程序完成電壓的採集和標誌位的傳遞。圖7為繪製心電波形流程圖，圖8為ADC中斷程序流程圖。ADC設置為外部觸發。DrawEcgflag是畫圖標誌位，Savefalg是存儲標誌位。

圖7  繪製心電波形程序流程圖

圖8  ADC中斷子程序流程圖

4、測試結果分析

將三個電極的一端分別接到人體的左右臂和右腿，令一端接入採集電路的三個輸入端，在採樣頻率200Hz時的波形如圖9所示。

圖9  採樣頻率200Hz時液晶顯示的波形

從圖9中TFT液晶顯示的波形看出，該心電圖儀顯示波形清晰、穩定，波形特徵明顯，能夠滿足實際應用的需要。

5、小結

採用STM32作為主控晶片，其內部包含豐富的功能模塊，擁有標準和先進的通信接口，無需外擴晶片即可完成心電信號的採集、存儲和數據通信。使得整個心電圖儀具有體積小、功耗低的特點。滿足了可攜式設備的基本要求。實驗表明該系統達到了預期效果。隨著心血管疾病的發病率不斷地逐年上升，這種可攜式心電圖儀具有很高的應用價值和良好的市場前景。

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