基于STM32和LabVIEW的心电信号采集系统设计

2018-11-21陈培敏田杨萌王彩霞王宏伟郝少华

物联网技术 2018年11期

陈培敏，田杨萌，王彩霞，王宏伟，郝少华

（北京信息科技大学，北京 100192）

0 引言

据最新的《中国心血管疾病报告》显示，目前估计全国心血管疾病患者人数达2.9亿，随着人口老龄化的增长患者人数还会不断上升。心血管病是一系列涉及循环系统的疾病，具有突发性，若无法及时发现则存在失去生命的风险，因此在日常生活中对心血管疾病患者进行心电监护尤其重要[1]。本文针对上述需求，克服了传统心电图机价格昂贵、不可携带、不可传输心电信号等缺点，设计了一套便携式，集心电信号采集、无线传输、信号处理等功能于一体的心电信号采集系统。

将STM32F103芯片作为系统下位机的核心，主要包括单片机模块、蓝牙模块、AD8232采集模块和电源模块[2]，用于实现心电信号的采集，并将采集到的信号通过蓝牙以无线传输方式上传至上位机。将采集到的心电信号通过主控芯片STM32F103的SPI接口控制采集芯片AD8232，完成心电信号的放大、滤波、共模抑制和模数转换，再通过UART接口连接蓝牙芯片，完成上位机和下位机的通信。上位机采用LabVIEW作为开发平台，利用LabVIEW的串口通信功能实现与下位机的数据通信[3]。

1 系统设计方案

系统采用意法半导体（ST）公司微控制器STM32F103[4]、ECG信号处理模块AD8232、蓝牙模块HM-13和LabVIEW软件相结合的监测方案。其中，STM32F103和AD8232组成下位机，主要用于心电信号的采集；蓝牙模块主要用于实现硬件采集电路和上位机的数据传输；LabVIEW作为上位机，主要用于通过蓝牙串口接收下位机采集到的数据，完成对采集数据的显示、分析和存储等[5]。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 心电信号采集电路

将AD8232芯片作为采集心电信号的控制芯片。AD8232是一款用于ECG及其他生物电测量的集成信号调理模块。该模块可在具有运动或远程电极产生噪声的情况下提取信号，并放大、过滤微弱的生物电信号。AD8232还内置有导联脱落检测电路和一个自动快速恢复电路，可在导联重新连接后迅速恢复信号，其功能如图2所示。该模块内置有一个专用仪表放大器（IA）、一个运算放大器（A1）、一个右腿驱动放大器（A2）和一个中间电源电压基准电压缓冲器（A3）[6]。

图2 AD8232功能框图

2.2 蓝牙传输电路

本系统采用HM-13蓝牙模块取代硬件电路中的串口发送（发送原理与串口发送电路原理一致）。HM-13蓝牙模块和STM32单片机的连接电路如图3所示[6]。

图3 蓝牙传输电路图

在图3中，STM32单片机的PA9/U1_TX引脚连接HM-13蓝牙模块的UART_TX引脚， PA10/U2_RX引脚连接UART_RX引脚[7]，接3.3 V电压，PIO1引脚连接一个蓝牙指示灯，将数字化的心电信号通过蓝牙模块实时发送。与单片机控制串口连接电路类似，实现了无线传输，改变了传统的传输方式。

3 系统软件设计

因所用MCU为意法半导体（ST）公司设计生产的STM32F103系列芯片，故下位机开发软件采用Keil5，上位机软件采用LabVIEW 2014版本。

系统软件设计可分为三个部分，即STM32下位机程序、HM-13蓝牙驱动程序和LabVIEW上位机程序。STM32下位机程序是整个系统的核心，蓝牙驱动程序有效保证了下位机和上位机的通信。首先下位机上电复位，初始化设备后打开蓝牙串口与上位机通信，之后开启ADC转换功能，将传输采样数据送至串口数据缓冲区，再由上位机程序控制下位机读取数据，实现对数据的分析、处理和显示。系统程序流程如图4所示。