基于STM32 的便携式心电仪设计

胡树林，唐莉，杨彪，宫东藩，侯冬晴

（吉首大学信息科学与工程学院，湖南吉首 416000）

心电仪作为临床诊断的常用工具，其对各类疾病的预防与治疗具有重要作用[1]。传统的心电仪具有体积大、操作复杂、价格昂贵等缺点，只适合在医院等场所使用，不便于日常使用[2]。随着电子信息技术与物联网技术的发展，心电监护设备逐渐进入人们日常生活中，正朝着微型化、智能化、便携式等方向发展[3]。将物联网技术与医疗应用相结合的便携式心电仪能降低设备的体积、成本和操作难度，具有研究价值。

1 便携式心电仪系统方案设计

文中设计一种可以满足日常使用的便携式心电仪，实现了实时心电采集、心率检测及蓝牙无线传输等功能。系统采用模块化设计，主要包括基于STM32单片机的微控制器单元，使用德州仪器公司的高精度模拟前端芯片ADS1292R 构成的心电信号采集模块、蓝牙无线传输模块和手机APP。通过对人体ECG 信号进行采集、放大、滤波后进行心率计算、心电图显示、心率监测。系统总体设计框图如图1 所示。

图1 便携式心电仪系统总体设计框图

2 系统硬件设计

2.1 微控制器模块（MCU）

所设计系统采用的MCU为STM32F103RCT6。该芯片内核为ARM32位Cortex-M3内核，最高工作频率达72 MHz。其硬件资源丰富，具有256 kB片内FLASH，48 kB SRAM 且具有定时器、DMA、SPI、IIC、ADC、DAC等功能[4]。其集成了多种通信接口有利于模块化设计和系统的稳定性，能满足设计的要求。单片机最小系统的外围电路由单片机、电源、时钟电路、复位电路组成，其为单片机正常工作的基本电路。MCU 供电电压为3.3 V，时钟电路由晶体振荡器和电容组成，为单片机提供时钟脉冲。微控制器单元负责系统的逻辑控制、驱动其他模块工作和对心电信号进行处理。

2.2 心电信号采集模块

心电信号使用ADS1292R 模拟前端芯片进行采集。其为一款用于生物电势测量的低功耗、多通道的同步采样24 位数模转换器（ADC），具有内置的可编程增益放大器（PGA）,内部EMI 滤波、内部基准和板载振荡器。ADS1292R 具有高精度、同步采样、低功耗、多通道数据采集等优点[5]。ADS1292R 采集的数据传输使用SPI 兼容串口与MCU 通信，工作时的数据采样速率高达8 ksps，该设计使用250 sps 的采样速率。心电信号采集模块原理图如图2 所示。

图2 心电信号采集模块原理图

2.3 无线通信模块

该设计无线通信模块使用HC-05 蓝牙串口模块，其工作频段为2.4 GHz，最远通信距离为10 m[6]。其具有性能稳定、低功耗、采用AT 指令控制、操作简单等优点，能满足传输心电信号的要求。MCU 与蓝牙模块采用串口通信协议（UART），使用蓝牙模块实现MCU 与APP 的数据交互，可将心电数据传输到移动端显示，也可将用户在移动端输入的控制信息传输到MCU，实现对心电仪的无线控制。

2.4 电源设计

该系统输入电压范围为6～12 V，可使用两节18650 锂电池串联为系统供电。使用一片AMS1117-5.0线性稳压芯片（LDO）降压输出5 V，一片AMS1117-3.3输出3.3 V 为MCU、LCD 显示信号电路和指示灯供电。人体心电信号幅值较低，一般为10 μV～4 mV[7]，故心电信号采集电路对电源噪声比较敏感。使用REG102NA-3.3 线性稳压芯片单独为采集电路供电，能减少电源纹波噪声对采集信号的干扰。该LDO 输出电压的噪声最大仅28 μVrms,输出电压精度高，且其体积小、外围电路简单，非常适合用于便携式设备。电源电路如图3 所示。

图3 电源电路

2.5 LCD显示模块

显示模块负责将心电数据（包括心电波形图、心率信息、状态信息）进行显示。为了追求更好的显示效果，显示模块使用TFT LCD 液晶屏。其具有重量轻、平板化、低功耗、无辐射、显示品质优良等特点[8]。其为16 位真彩显示屏，在每一个像素上都有一个薄膜晶体管（TFT），可避免信号的串扰，故显示的图像具有较高的质量。液晶屏接口使用软排线连接，可提高显示屏插接的灵活性。

2.6 警报模块

当使用者心率异常时，系统会发出警报。警报模块由SS8550 三极管和蜂鸣器组成,当心率异常次数超过设定值时，单片机驱动三极管导通使蜂鸣器上电发出警报，当心率恢复正常后警报消除。

2.7 按键模块

使用按键模块作为系统的输入设备，通过按键完成系统复位、暂停和参数设置等功能。

3 系统软件设计

3.1 单片机部分

单片机软件部分使用C 语言编程，使用KeiluVision5 集成开发环境开发，单片机软件运行流程图如图4 所示。系统上电后首先进行单片机及各个模块的初始化，然后MCU 开始读取采集的心电信号。由于此时的心电信号为原始采集信号，可能存在多种干扰噪声，故设计时针对心电信号的特点，设计了一个FIR(有限长单位冲激响应滤波器)带通滤波器滤除原始采集心电信号中的噪声干扰。使用意法半导体公司提供的DSP 库函数，对输入的原始心电序列进行处理，得到的输出序列保留了心信电号并滤除了大部分干扰噪声，更能反映真实的心电波形，有利于后续的单片机处理和显示。由滤波后的信号可计算得到心率信息。

图4 系统软件流程图

LCD 液晶屏将实时显示心电波形图及心率等信息。同时，单片机将心电数据通过蓝牙模块传输至APP 同步更新心电数据。单片机会对心率进行监控，若心率不在正常范围，系统会通过蜂鸣器发出警报。该警报会在心率恢复正常或用户按下取消按键时消除。

3.1.1 心率的计算

一个完整的心电周期包括一个P 波、一个QRS波群和一个T 波，T 波后可能还有一个U 波[9]，如图5所示。其中QRS 波群是整个周期中幅值最高，特征最明显的波段，同时也是临床诊断中使用最多的波形。该设计中单片机通过连续采集5 个周期的数据，计算其均值，将均值乘以一个系数作为R 波检测的阈值，检测每个周期的R 波信号，然后使用相邻两个R 波间的时间间隔TR-R计算瞬时心率。

图5 单个周期心电信号波形图

3.1.2 心电信号的滤波处理

ECG 信号的频率范围一般为0.5～100 Hz，主要集中在0.5～40 Hz 的频率范围内，属于低频信号。由于人体环境的复杂性，人体心电信号存在不稳定性和随机性[10]。且心电信号具有微弱、低频、高阻抗等特性，极容易受到干扰。采集的原始心电信号往往叠加了多种噪声干扰信号，主要有以下3 种：

工频干扰：我国家用电力系统使用交流电为50 Hz，工频干扰噪声的频率主要为50 Hz。供电网络无处不在，人体处在其辐射的电磁波周围，容易受到工频噪声的影响。这种影响具有普遍性，是干扰噪声的主要来源[11]。

肌电干扰：由于人体肌肉细胞活动产生的生理电信号对心电信号的干扰，这种噪声会随着人体肢体运动而变化，其频率较高，一般在5～2 000 Hz之间[12]。

基线漂移：基线漂移主要是由于人体呼吸、肢体活动产生，使心电信号的基准电压发生偏移，这种偏移会使心电信号处于不同的水平上，对后续单片机处理产生影响。基线漂移是一种变化缓慢的低频噪声，其频率一般低于0.5 Hz[13]。

由于STM32F1 系列单片机性能有限，为保证系统的实时性和结果的准确性，结合心电信号频率的特点，设计了一个通带频率为0.5～45 Hz 的FIR（有限长单位冲激响应滤波器）带通滤波器，对原始采集信号进行滤波[14]。N阶FIR 滤波器输入序列与输出序列的关系是一种有限卷积和的形式，其表达式为[15]:

其中，h(i)为滤波器参数，x(n)为输入时间序列，y(n)为输出序列。FIR 滤波器使用Matlab 的Filter Designer 工具设计，采样频率设为200 Hz，阶数为200，窗函数选取海明窗。

通过Matlab 对设计的FIR 滤波器进行仿真验证，将心电信号混入50 Hz 和2 kHz 的噪声干扰，心电信号滤波仿真结果如图6 所示。可见，通过FIR 带通滤波器能有效滤除混在心电信号中的噪声干扰。将通过Matlab 得到的滤波器系数存入程序中，调用意法半导体公司提供的DSP 库函数中的ARM_FIR_F32()函数对原始心电数据进行滤波。

图6 心电信号FIR带通滤波器仿真

3.2 移动客户端（APP）

设计的APP 使用蓝牙调试器软件，在各大应用商店都可下载，这是一款功能强大的蓝牙调试工具。用户可自定义通信数据帧格式。该软件含有可直接使用的丰富的图形化组件。将心电数据添加到数据帧中，APP 端接收到数据后进行解析，将解析后的ECG 数据链接到Y-T 波形图中显示，可在手机上实时显示心电波形。

4 系统测试

4.1 测试环境

为了测试系统心率监测的准确性，使用心电信号模拟仪生成各种心率的标准心电信号接入到系统中，将测量的心率与实际心率进行比较分析。为了测试心电仪实际使用效果，该系统使用三导联的方式，通过电极片将系统与测试者连接，测试者是一位20 岁的男性。实际测试系统对人体ECG 信号的采集、显示及监测效果。

4.2 测试结果及分析

对心电模拟仪产生的心电信号进行测试，结果如表1 所示。

表1 心率监测测试结果

由表1 可知，在测试数据中，系统对心率测量的平均相对误差约为-1.34%。且在人体60～100 Bpm[16]的正常心率范围内，相对误差较小，具有可信度。

系统接入人体实际测试结果如图7 所示，可见液晶屏及APP 上都能清晰显示心电波形和心率信息，且心电波形经滤波处理后曲线较光滑，噪声干扰较小。

图7 系统接入人体测试结果

5 结论

该文设计了一种基于蓝牙无线传输方式，以STM32F103RCT6 单片机为控制器的便携式心电仪，使用模拟前端芯片ADS1292R 对心电信号进行采集，通过一个FIR 带通滤波器对原始采集信号进行滤波处理。经测试证明，该设计能实时在液晶屏和手机APP 显示心电波形图和心率信息，且心率测量相对误差的绝对值小于3%。该设计方案成本较低、操作简捷、携带方便，可以应用于日常医疗保健中，具有一定的推广价值。进一步研究表明，可将心电仪连接互联网，以实现远程心电信号的采集和监控。