基于STM32的便携式心电信号测量仪的设计

2012-02-26

装备制造技术 2012年1期

（广东交通职业技术学院，广东广州 510800）

随着生活水平的不断提高，人们在医疗保健方面的需求越来越强烈，老年保健已成为社会高度关注的问题。而对于慢性疾病患者，特别如心脏病、心脑血管等高危疾病的患者，更希望不间断地检测病情和得到及时处置。同时，我国幅员辽阔，医疗水平有明显的区域性差别，大医院里通常人满为患，需要浪费很长时间排队挂号和就医，而广阔的边远地区和农村地区的病人，却因为享受不到好的医疗监护而错失治疗机会。这就迫切要求一种及时、高效和低成本的医疗方式的产生。随着电子、通信和医疗等科学技术的提高，能否设计便携式心电测量仪器，既方便患者使用测试，又能较准确地显示人体的心电特征，是科技工作者在思考和探索的问题。

1 设计框图

传统的心电测量，一般使用的是五导联结构，即在人体的左右手臂、左右脚踝和前胸连接点击，然后再进行测量。该测量方法准确，但是因为需要连接的导线较多，导致测量需要的准备时间长，同时由于操作较复杂，无法将心电信号测量变成如同体温测量一样简单方便，实现病患者直接在家中即可自我监控。本设计拟基于STM32处理器制作一双导联便携式心电图设备，设计框图如图1所示。

图1 便携式心电图测量仪系统框图

本设计所制作的心电信号测量仪，使用时只需要用两手的大拇指触摸两边的铜箔，心电信号即可在液晶显示屏上滚动显示，并实时存储到SD卡上或通过USB数据线将该信号上传到PC，以便对心电数据做进一步的分析，还可快速、方便探测人体心电信号。本设计具有操作简单、易于携带的特点。

2 电路构成

心电信号作为心脏活动在人体体表的表现，具有信号微弱、信噪比低、易受环境影响等特点。在测量心电信号时，容易受到工频信号、基线、电极接触噪声、肌电、放大电路内部噪声等多种因素的干扰。为了能获取良好的心电信号，本设计的心电信号由电极从人体左右拇指端获取，送到心电信号处理电路，经前级差分放大、高低通滤波后，再通过输出放大后得到一个可以被STM32处理器的模数转换器采样的模拟信号。

2.1 心电信号的差分放大

在体表获取生物电信号时，大量的无线电信号也会随着有用信号一起被传感器转化为电信号，如果这些信号不加处理即送去模数转换端，必将造成大量的共模噪声信号，所以在传感器输入端，务必要想办法去掉大量的共模信号，而仪表放大器是最适合用来实现这个功能的。本设计采用ADI公司的AD622仪表放大器，电路如图2所示。

AD622具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输入阻抗等特点，它的电压放大倍数可达1 000倍。

图2 心电信号前端差分放大电路

电极极化电压最大可达300 mV，为了防止前置放大器进入截止或饱和状态，必须限制其放大倍数，这里增益取10左右即可，由

外部电阻R0选用阻值为5.1 kΩ的精密线绕电阻，

实现其电压放大倍数为G=1+50/R0=10.8。

2.2 基线漂移处理

大量的医学资料和实践说明，人体呼吸和测量电极与人体的接触情况，会造成一定的噪声，这类噪声的特点是频率小于0.5 Hz，称为基线漂移。这类信号如果长时间存在，会在后端的电路中产生累积，从而造成比较大的直流偏移。本设计使用了一个下限频率为0.5 Hz的高通滤波器，从而去掉了基线漂移信号，电路如图3所示。

图3 心电信号基线漂移处理电路

2.3 低通滤波

生物电子学相关理论证明，心电信号的频率范围为0.05～100 Hz，100 Hz以上的电信号对于心电信号来说，均为带外信号，必须要使用滤波器将这些带外信号滤除，才能保证数模转换结果的正确性。

根据实验过程中测得的信号和频谱分析仪得到的频谱分析数据，本设计使用了一个截止频率为100 Hz的低通滤波器对输入信号进行滤波，实现带外噪声信号的去除，该电路如图4所示。

图4 模数转换前的低通滤波器

经过差分放大、高通滤波和低通滤波后，从数字示波器上可以得到一个相对稳定的波形，该波形如图5所示。

图5 心电信号波形图

从图5可以看出，本设计所采集到的心电信号比较干净，同时看到该波形还有一些周期性纹波，通过使用频谱分析仪分析可知，该纹波为50 Hz的工频干扰。工频干扰的去除方法很多，既可通过使用纯模拟电路构成的50 Hz陷波电路将该信号滤除，也可以通过数字滤波器的方法滤除。因为功率信号为电源电路辐射出来的信号，如果使用陷波电路进行滤波，则可以在信号传输的某一段同路上滤除工频信号，但是随着信号的传输，工频信号又会通过传输导线耦合到信号之中，即使用模拟电路只能降低工频信号，无法消除工频信号。所以本设计使用数字IIR滤波器设计一个50 Hz的陷波器，在CPU内部进行数字滤波，将50 Hz信号完整地去除掉。

2.4 STM32处理器及主要接口电路

STM32系列32 bit微控制器使用Cortem-M3内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器，丰富的增强I/O端口和链接到两条APB总线的外设。STM32系列所有型号的器件都包括2个12 bit的ADC、3个通用16 bit定时器和一个PWM定时器，还包括标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。其工作电压为常见的3.3V。该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。该部分的电路如图6所示。

图6 STM32F103系统

3 软件设计

软件采用功能模块化设计方法，程序分成两部分：一是前台程序，是负责480 Hz的周期性信号采集的中断程序；一个是后台程序，负责在LCD上描绘心电图和将数据发送到PC上显示出来。

ADC通过一个定时器驱动，实现480 Hz的采样，其程序流程图如图7所示。

图7 ADC中断服务程序

为了降低因为电路等各种不可预计的电信号对有用信号的影响，每当采集到一个信号，CPU就对当前的值进行均值滤波，降低异常数据对整体心电信号的影响。在进行均值滤波之后，因为AD转换出来的数据包含了工频造成的干扰，所以使用一个中心频率为50Hz的IIR陷波器将50 Hz信号去掉，因为次数的数据，已经是经过数字化的数据，所以这种方法可以比较好地将50 Hz信号去掉。在经过这一系列的处理之后，得到的数据已经是比较好的心电信号数据，这个数据直接发送到显示缓冲区等待使用即可。

大循环的while程序作为后台程序完成数据的显示和数据的发送两个任务，程序流程图如图8所示。