基于STM32的便攜式心電圖儀設計

摘 要：針對心電監護設備體積和質量較大，價格昂貴，不便于攜帶等因素，本文設計了一款基于STM32的心電采集及分析處理系統。相比普通的心電圖儀，本裝置具有可移動，便于攜帶和實時監測的優點，能夠實現床邊診斷。本裝置的信號處理電路是最關鍵的部分，主要完成心電信號的提取和濾波。由于心電信號比較微弱，在采集的過程中很容易受到干擾，因此本文采用了精密儀表放大器作為主要元件。為降低干擾，本文還設計了高通濾波、低通濾波和陷波濾波電路來完成心電信號的提取。

關鍵詞：STM32；濾波電路；心電信號

隨著社會的進步，經濟的發展，人口老齡化的成都越來越嚴重，心臟病作為一種常見的慢性疾病，也是長期以來一直威脅著人類的健康，及時的發現和預防在減少心血管疾病危害中極為重要，心電圖作為檢測心臟疾病的主要依據，目前還是在特定的場合才能夠使用，而且價格非常昂貴，僅每年就有約16萬名患者接受支架手術，每年的增長率超過了20%。我國每年在心臟疾病中的耗費就達到了3000億元。

由于場合限制和價格原因，導致病人得不到實時監控，對病人的病情診斷和治療時極為不利的。便攜式的心電圖儀不僅能夠實時給病人檢查，還能夠將病人所得到的心電圖后發送給醫生做進一步的判定。通過大容量的存儲器件能夠對患者進行長時間的監護，并記錄心電數據。

1 系統設計方案

系統設計主要是便攜與數據處理能力，在體積，能耗上能夠符合正常的工作和生活的要求，同時不給使用者帶來額外的影響。因此控制芯片采用STM32系列的F107芯片，設計的要求根據心電信號的特點，應具備放大倍數在400-1000之間，濾波器帶寬為0.05HZ-100HZ，共模抑制比要大于80dB，工頻信號幅值不高于心電信號的6%，誤差不高于6%。

因此設計的系統原理結構圖如圖1所示。系統中采用STM32的內部采用的是ADC進行AD轉換，進一步提高精度可以替換為外部的AD，控制系統采用的是外部按鍵和LCD觸摸屏來完成。可以實時回放心電圖及傳送到上位機進行存儲。

整個系統有以下幾個部分組成：

1）采集電路：準確提取心電信號，把信號處理為可以提供分析的有效信號。

2）處理電路：主要包括濾波、顯示、存儲、分析、傳輸等。

3）按鍵電路：完成開始、暫停等功能。

4）顯示電路：完成心電圖的顯示與回放功能。

5）上位機設計：在PC機上進行心電信號的存儲，并轉換為心電圖形。

6）電源電路：提供系統所需的電壓。

2 硬件設計

心電圖儀的硬件電路包含處理器、存儲電路、通用接口等。硬件設計上需要考慮成本和便攜性，因此需要考慮這些特殊要求。有針對性的去選擇和設計。總體要求是，選用適合的處理器，滿足計算要求即可，便于開發，避免造成開發上的浪費。注重軟件設計，在軟件能夠解決的情況下，盡量采用軟件去解決問題，簡化硬件結構，降低成本。

心電信號驅動電路采用電源為3-5V，電流小于0.5mA，量程為0-4mV，信號的增益為950倍，輸入阻抗為1000000M，共模抑制比為65dB。

控制系統采用STM32F107的最小系統，參照芯片手冊來完成。

人機交互界面采用彩色的LCD，顏色豐富，尺寸為4.7寸，TFT材質的液晶屏。

存儲模塊的電路設計，基于STM32有512K字節的閃存，64K的SRAM，本設計采用MicroSD卡作為系統存儲器，使用SDIO作為通信接口。

電源電路采用的是ASM1117芯片，直接輸出3.3V電壓。

3 軟件設計

軟件采用的是Keil5進行ARM開發。該系統將采用模塊化的編程，將分為SD卡驅動、LCD驅動、觸摸驅動、采用濾波計算、控制模塊驅動等。最后通過整體的整合進行統一調試。

系統軟件主要分為兩個大的部分：

1）下位機軟件，主要是STM32的驅動程序，主要完成心電信號的采集，軟件濾波、實時時鐘模塊、液晶顯示模塊和通信模塊。主程序是一個while（1）的無限循環程序，不停的掃描指令，并完成相應的功能。

2）上位機軟件。上位機的控制主要是讀取下位機的信息，通過串口與下位機進行通訊，獲得下位機采集到的心電信號和存儲的心電信號，并在上位機界面上顯示出來。

4 結論

本系統實現了基于嵌入式的心電圖儀的開發。以低廉的成本完成了設備的開發，同時體積小，能夠實現實時監測的功能。在熟悉硬軟件開發環境后，采用模塊化的設計，把整個系統劃分為多個小模塊逐步實現。

科技的高速發展，為醫療器械的發展帶來了極大的機遇，利用高科技帶來的技術革命去更新醫療器械是一個巨大的市場機會。嵌入式技術的發展必將為人類醫療事業帶來巨大的幫助。為每一個家庭服務。

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作者簡介：

吳威寧（1994-），男，侗族，貴州人，學生，本科，武漢紡織大學通信工程。