基于STM32的便攜式心電信號測量儀的設計

（廣東交通職業技術學院，廣東 廣州 510800）

隨著生活水平的不斷提高，人們在醫療保健方面的需求越來越強烈，老年保健已成為社會高度關注的問題。而對于慢性疾病患者，特別如心臟病、心腦血管等高危疾病的患者，更希望不間斷地檢測病情和得到及時處置。同時，我國幅員遼闊，醫療水平有明顯的區域性差別，大醫院里通常人滿為患，需要浪費很長時間排隊掛號和就醫，而廣闊的邊遠地區和農村地區的病人，卻因為享受不到好的醫療監護而錯失治療機會。這就迫切要求一種及時、高效和低成本的醫療方式的產生。隨著電子、通信和醫療等科學技術的提高，能否設計便攜式心電測量儀器，既方便患者使用測試，又能較準確地顯示人體的心電特征，是科技工作者在思考和探索的問題。

1 設計框圖

傳統的心電測量，一般使用的是五導聯結構，即在人體的左右手臂、左右腳踝和前胸連接點擊，然后再進行測量。該測量方法準確，但是因為需要連接的導線較多，導致測量需要的準備時間長，同時由于操作較復雜，無法將心電信號測量變成如同體溫測量一樣簡單方便，實現病患者直接在家中即可自我監控。本設計擬基于STM32處理器制作一雙導聯便攜式心電圖設備，設計框圖如圖1所示。

圖1 便攜式心電圖測量儀系統框圖

本設計所制作的心電信號測量儀，使用時只需要用兩手的大拇指觸摸兩邊的銅箔，心電信號即可在液晶顯示屏上滾動顯示，并實時存儲到SD卡上或通過USB數據線將該信號上傳到PC，以便對心電數據做進一步的分析，還可快速、方便探測人體心電信號。本設計具有操作簡單、易于攜帶的特點。

2 電路構成

心電信號作為心臟活動在人體體表的表現，具有信號微弱、信噪比低、易受環境影響等特點。在測量心電信號時，容易受到工頻信號、基線、電極接觸噪聲、肌電、放大電路內部噪聲等多種因素的干擾。為了能獲取良好的心電信號，本設計的心電信號由電極從人體左右拇指端獲取，送到心電信號處理電路，經前級差分放大、高低通濾波后，再通過輸出放大后得到一個可以被STM32處理器的模數轉換器采樣的模擬信號。

2.1 心電信號的差分放大

在體表獲取生物電信號時，大量的無線電信號也會隨著有用信號一起被傳感器轉化為電信號，如果這些信號不加處理即送去模數轉換端，必將造成大量的共模噪聲信號，所以在傳感器輸入端，務必要想辦法去掉大量的共模信號，而儀表放大器是最適合用來實現這個功能的。本設計采用ADI公司的AD622儀表放大器，電路如圖2所示。

AD622具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點，它的電壓放大倍數可達1 000倍。

圖2 心電信號前端差分放大電路

電極極化電壓最大可達300 mV，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，這里增益取10左右即可，由

外部電阻R0選用阻值為5.1 kΩ的精密線繞電阻，

實現其電壓放大倍數為G=1+50/R0=10.8。

2.2 基線漂移處理

大量的醫學資料和實踐說明，人體呼吸和測量電極與人體的接觸情況，會造成一定的噪聲，這類噪聲的特點是頻率小于0.5 Hz，稱為基線漂移。這類信號如果長時間存在，會在后端的電路中產生累積，從而造成比較大的直流偏移。本設計使用了一個下限頻率為0.5 Hz的高通濾波器，從而去掉了基線漂移信號，電路如圖3所示。

圖3 心電信號基線漂移處理電路

2.3 低通濾波

生物電子學相關理論證明，心電信號的頻率范圍為0.05～100 Hz，100 Hz以上的電信號對于心電信號來說，均為帶外信號，必須要使用濾波器將這些帶外信號濾除，才能保證數模轉換結果的正確性。

根據實驗過程中測得的信號和頻譜分析儀得到的頻譜分析數據，本設計使用了一個截止頻率為100 Hz的低通濾波器對輸入信號進行濾波，實現帶外噪聲信號的去除，該電路如圖4所示。

圖4 模數轉換前的低通濾波器

經過差分放大、高通濾波和低通濾波后，從數字示波器上可以得到一個相對穩定的波形，該波形如圖5所示。

圖5 心電信號波形圖

從圖5可以看出，本設計所采集到的心電信號比較干凈，同時看到該波形還有一些周期性紋波，通過使用頻譜分析儀分析可知，該紋波為50 Hz的工頻干擾。工頻干擾的去除方法很多，既可通過使用純模擬電路構成的50 Hz陷波電路將該信號濾除，也可以通過數字濾波器的方法濾除。因為功率信號為電源電路輻射出來的信號，如果使用陷波電路進行濾波，則可以在信號傳輸的某一段同路上濾除工頻信號，但是隨著信號的傳輸，工頻信號又會通過傳輸導線耦合到信號之中，即使用模擬電路只能降低工頻信號，無法消除工頻信號。所以本設計使用數字IIR濾波器設計一個50 Hz的陷波器，在CPU內部進行數字濾波，將50 Hz信號完整地去除掉。

2.4 STM32處理器及主要接口電路

STM32系列32 bit微控制器使用Cortem-M3內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器，豐富的增強I/O端口和鏈接到兩條APB總線的外設。STM32系列所有型號的器件都包括2個12 bit的ADC、3個通用16 bit定時器和一個PWM定時器，還包括標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。其工作電壓為常見的3.3V。該內核是專門設計于滿足集高性能、低功耗、實時應用、具有競爭性價格于一體的嵌入式領域的要求。該部分的電路如圖6所示。

圖6 STM32F103系統

3 軟件設計

軟件采用功能模塊化設計方法，程序分成兩部分：一是前臺程序，是負責480 Hz的周期性信號采集的中斷程序；一個是后臺程序，負責在LCD上描繪心電圖和將數據發送到PC上顯示出來。

ADC通過一個定時器驅動，實現480 Hz的采樣，其程序流程圖如圖7所示。

圖7 ADC中斷服務程序

為了降低因為電路等各種不可預計的電信號對有用信號的影響，每當采集到一個信號，CPU就對當前的值進行均值濾波，降低異常數據對整體心電信號的影響。在進行均值濾波之后，因為AD轉換出來的數據包含了工頻造成的干擾，所以使用一個中心頻率為50Hz的IIR陷波器將50 Hz信號去掉，因為次數的數據，已經是經過數字化的數據，所以這種方法可以比較好地將50 Hz信號去掉。在經過這一系列的處理之后，得到的數據已經是比較好的心電信號數據，這個數據直接發送到顯示緩沖區等待使用即可。

大循環的while程序作為后臺程序完成數據的顯示和數據的發送兩個任務，程序流程圖如圖8所示。

圖8 后臺程序

4 測試結果分析

將電極的兩端分別接到人體的左右手指，在LCD上可見如圖9所示的波形，可見只是一個比較接近真實的心電信號。

圖9 基于STM32的便攜式心電圖測量儀測試結果

從圖中液晶顯示的波形看出，該心電圖儀顯示波形清晰、穩定，波形特征明顯，能夠反映人體實際的心電特征。

5 結束語

經過測試，基于STM32的便攜式心電信號測量儀能清晰、穩定地測量心電信號，為醫護人員和患者提供參考，可得以下結論：

一是基于STM32的便攜式心電圖測量儀創新地使用了雙導聯的測量方式，和傳統的五導聯測量方式相比，測量心電信號只需要在人體左右拇指進行，免除了大量的導線連接，加快了測量速度；

二是能夠儲存24 h心電數據并可以通過USB接口與PC機進行數據傳輸；采用12864LCD實時顯示心電信號波形，具有良好的人機交互界面；

三是基于STM32的便攜式心電信號測量儀凈質量為300 g左右，與目前醫院使用的心電圖設備相比，具有操作簡單、價格低廉、便于攜帶的優點。

[1]張唯真.生物醫學電子學[M].北京：清華大學出版社，1990.

[2]董秀珍.心電理論與心電診斷技術[J].醫療衛生裝備，1993，（02）:11－16.

[3]章 江，李滿成.醫用電刺激器的研制[J].電工電能新技術，1995，(4)：55－57.

[4]康華光，陳大欽.電子技術基礎模擬部分[M].北京：高等教育出版社，2002.

[5]李建鋒.基于數字信號處理器的12通道心電圖機的設計及分析方法的研究[D].重慶：重慶大學，2003.

[6]張詠梅.便攜式單導聯心電記錄與顯示器的設計[J].湖南城市學院學報（自然科學版），2004，13（2）:57－59.

[7]閻煥忠，王長濤，王 鑫，閔 莉.便攜式超聲波測距儀設計[J].科技廣場，2008，(12)：190－192.

[8]呂 鵬，劉延武，曹德森.基于C8051F020便攜式多參數檢測儀的研制[J].北京生物醫學工程，2008，(01)：75－77.

[9]張道明.心臟電信號分析及輔助診斷系統[D].徐州:中國礦業大學，2008.