便携式心电采集分析系统设计

穆真++陈星星++王晶++梁雨

摘 要针对人体心电信号监护设备体积笨重、价格昂贵和不便携等局限性，设计了一种基于STM32F429和MATLAB的便携式心电采集分析系统。该系统软件开发环境是基于μC/OS-II操作系统对心电信号进行实时采集，是一款具有实时监控、价格低、便携、精度高等优点的心电信号采集分析系统。它能够将24h心电数据存储在SD卡里并可以通过蓝牙模块与PC机进行数据传输，使用PC机上的MATLAB软件工具箱对采集的心电信号数据进行处理与分析。

【关键词】心电信号 μC/OS-II STM32F429 MATLAB

1 引言

心脏疾病一直影响人类的身体健康甚至威胁人类的生命，因此对心脏疾病的预防和诊治是极为重要的。目前，心电信号的研究的频率主要是0.05～40Hz。心电信号具有频率低、随机性强和噪声干扰强等特点。而心电图则是检查和治疗此类疾病的主要依据，由于目前的心电采集设备普遍存在价格昂贵、不便携、体积大和高功耗等问题，使得病人的病情得不到实时监控，这对预防与治疗心脏疾病非常不利。

便携式心电采集分析系统不但扩大了心电信号的应用范围，而且可以让心电信号医疗诊断不受区域的限制并具有实时性。通过内置大容量SD卡能够对患者进行长时间的实时监护，并记录患者的心电数据，再将心电信号数据通过蓝牙模块与PC机进行数据传输，使用PC机上的MATLAB软件对心电信号进行处理与分析。

2 系统整体方案设计

便携式心电采集分析系统总体框图如图1所示。心电信号预处理采集模块由采集电极、滤波网络、AD8232和ADS1278组成。ADS8232芯片内部集成了放大、滤波和右腿驱动电路可以更好地抑制干扰信号。系统采用SD卡可以存储24h的心电数据并可以通过蓝牙模块与PC机进行数据传输，使用PC机上的MATLAB软件对心电信号数据做进一步的处理与分析。

3 设计主要模块

3.1 心电采集模块

心电采集模块由采集电路、滤波网络、AD8232和ADS1278组成，是整个便携式心电图的核心，直接决定整个系统性能的好坏。滤波网络由高通滤波电路和输入缓冲电路组成。A/D转换模块选用ADS1278，其具有微功耗、高精度和24位高性能模数转换器，达到0.5μV分辨率的精度要求。AD8232芯片一款用于提取、放大及过滤微弱的生物电信号的集成信号调理模块。它体积小，缩小了系统的PCB尺寸，以达到系统的便携化。

3.2 数据存储模块

SD卡有存储容量大、成本低、读写速度快的优点，用于存储采集到的心電信号数据，通过按键可以选择任意时刻将数据上传到PC机。它有SPI模式和SDIO模式两种模式的接口，选用SPI模式。

便携式心电采集分析系统在存储设计上实现了两个功能：

（1）将24h心电数据存储在SD卡里；

（2）在数据存储程序计上采用FatFs文件协议保存心电信号进行A/D转换后的数据，把采集的心电数据存储为TXT文件格式，如图2所示。建立文件系统有两点好处：

（1）便于心电数据管理，可以方便的把心电数据拷贝到PC机上并通过MATLAB对心电信号进行分析处理；

（2）回读的时候可以方便的根据文件名找到需要回读的数据。

4 测试结果分析

将心电信号三个采集电极分别接到人体的左右臂和右腿，然后采集的心电信号经过心电信号采集模块，在模拟信号转换成数据信号时将ADS1278芯片的采样频率设置为500Hz，将心电信号数据进行IIR数字带通滤波器后如图3所示。利用MATLAB选用Harmming窗实现Welch算法对心电信号数据做进一步的频谱分析如图4所示。

5 总结

基于STM32F429和MATLAB的便携式心电采集分析系统具有实时性、便携性、精度高和低功耗等优点，满足本系统基本要求和预期效果。本STM32微处理器中添加了FIR数字滤波器对采集的心电信号进行了实时的处理已得到较为纯净的心电信号。本系统的蓝牙模块端口可以替换成一个无线模块，把采集的数据和处理的结果以无线的方式传送到服务器。

随着心血管疾病的发病率不断地逐年上升，这种便携式心电采集分析系统具有很高的应用价值和良好的市场前景。本系统达到了有效采集心电信号的预期目标，同时也为心电研究的后续工作奠定了基础。

参考文献

[1]马晓玉.基于STM32和蓝牙4.1的便携式心电采集分析系统研究[D].秦皇岛：燕山大学，2016.

[2]王艳艳.便携式心电图检测仪设计[D].杭州：浙江工业大学，2014.

作者简介

穆真（1994-），女，现为江苏师范大学电气工程及自动化学院工程硕士。主要研究方向为Android软件开发。

作者单位

江苏师范大学 江苏省徐州市 221116