基于STM32便攜式心電圖儀的設計

陳爽+姜帥臣+張晨

摘 要：心臟病已經成為危害人類健康常見的疾病之一。心電圖是診斷心臟病的重要依據，而傳統心電圖儀體積較大，價格較高，需專業操作，不易于實時監測，便攜式心電圖儀逐漸成為醫學界市場的主流。文中設計了一款以STM32微處理器為系統核心的居家便攜式心電圖儀。系統采用LCD觸摸屏輸入及顯示，支持向量機算法對采集到的心電信號自動診斷，并帶有SD卡存儲模塊及打印機模塊，可將心電圖數據存儲并打印。對系統進行仿真測試，可實現文中要求的各項功能。

關鍵詞：心電信號；便攜式；自動診斷；觸摸屏顯示

中圖分類號：TF325.69 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）09-00-03

0 引 言

心血管病作為危害人類健康的“殺手”，是全球醫學界的難題[1，2]。因此，如何預防心血管疾病，并將其危害降到最小，是醫學界和普通百姓普遍關注的問題，而心電圖是檢查心臟病的重要參考依據[3]。本文設計了一款家用便攜式心電圖儀，具有可靠性高、穩定性強、功耗低、操作簡便等優點。

1 便攜式心電圖儀介紹

1.1 心電導聯

人體體表與電極和心電圖儀的連接稱為導聯。根據美國心臟聯合會（American Heart Association，AHA）規定的心電圖儀的國際標準十二導聯體系，需于人體體表同時放置10個電極，分別為左臂（LA）、右臂（RA）、左腿（LL）、右腿（RL）以及胸部六個胸壁導聯（從左至右分別為V1～V6）。

1.2 功能介紹

便攜式心電圖儀將心電信號的放大分為兩級[4]，采用模擬濾波器與數字濾波器相結合的方法對心電信號進行去噪處理，去除了使用單一濾波器的局限性；將處理后的心電信號與自動診斷模塊內的標準心電波形進行比對，得出結論，打印輸出結果并自動存儲到SD卡內，以做數據備份。便攜式心電圖儀的功能結構如圖1所示。

2 便攜式心電圖儀的硬件選型設計

2.1 微處理器選型

本設計選用微處理器STM32F103[5]。該微處理器內部集成64 KB的RAM和512 KB的Flash，72 MHz的工作時鐘處理速度快。支持JTAG和SWD下載調試，包含80個雙向I/O端口、4個通用定時器、一個24位系統時間定時器以及兩個12位ADC以及IIC、USART、USB、SPI等多個通信端口。生產廠家把芯片內核和外部設備封裝成標準庫函數，以提供便捷的開發固件庫[6]，省掉底層硬件描述大大縮短了軟件系統的開發時間。

圖1 便攜式心電圖儀功能結構圖

2.2 系統模擬電路設計

2.2.1 前置放大電路設計

前置放大電路采用放大倍數為10的AD623放大器[7]，完成對心電信號的第一級放大。心電信號的峰值為0.01mV～5mV，典型值為1 mV，十分微弱，但是輸入電壓最低為1 V，需要對心電信號放大1 000倍左右，還要將共模抑制比控制在80 dB以上，如果前置放大電路放大倍數過大，使得增益變高，則共模抑制比下降，因此對采集到的心電信號的放大采用分級放大的方法。AD623放大器電路圖如圖2所示。

圖2 AD623放大器電路圖

2.2.2 右腿驅動電路設計

右腿驅動電路設計相當于接地設計[8]，主要為了防止人體發生意外。選用OP07運算放大器。該放大器是一種低噪聲、非斬波穩零的雙極性運算放大器集成電路，具有輸入偏置電流低和開環增益高的特點，適用于高增益的測量設備。

2.2.3 后級放大電路設計

后級放大電路使用AD623放大器，采用兩級放大方式，第一級放大6倍，第二級放大通過電路中的滑動變阻器調節以實現最佳增益輸出。

2.2.4 帶通濾波電路設計

帶通濾波器主要去除心電信號中高于100 Hz的噪聲，高通濾波器和低通濾波器相結合組成帶通濾波電路。高通濾波器采用一階巴特沃斯濾波器（RC有源）去除心電信號中的直流和低頻分量、基線漂移和由呼吸電極移位所造成的電極移位接觸噪聲。低通濾波器采用MAX275模擬有源濾波器，去除心電信號中的部分50 Hz工頻干擾以及肌電干擾[9]噪聲。

2.2.5 提升電平電路設計

本設計采用差分輸入放大電路，將輸入信號反向后與正輸入端電壓相加，正輸入端電壓可通過滑動變阻器進行調節，最終提升心電信號電平。A/D轉換的輸入電壓范圍為0～3.3V，在前置放大電路和后級放大電路設計中已經對心電信號實現1000倍左右的放大，放大后的心電信號電壓大概為-0.5V～1.5 V，而A/D轉換模塊要求全部為正電壓，所以需要添加一個直流分量，使心電信號為正電壓。

2.3 系統數字電路設計

2.3.1 數字濾波器設計

本文采用固定頻率的數字濾波器[10]，在頻帶50 Hz附近形成阻帶，阻帶寬度根據要求精度而定。相對于模擬濾波器，數字濾波器對心電信號中基線漂移的低頻成分低于0.5 Hz、50 Hz的工頻干擾[11]以及其他諧波干擾有更好的消除效果。數字濾波器選用FIR濾波器，該濾波器具有嚴格的線性相位和穩定性，符合心電信號對數字濾波器的要求。

2.3.2 SD卡存儲模塊設計

便攜式心電圖儀采用SD卡[12]對處理后的心電信號進行存儲。SD卡存儲模式為SPI模式，接口簡單通用。

2.3.3 電源模塊設計

電源模塊選用LM7803穩壓器和Maxim公司生產的ICL7660s。LM7803相當于小功率電壓源，可以實現5 V電壓到3.3 V電壓的轉換；內部有限流和過熱保護電路，不需要外接電阻和電容；輸出電壓比較穩定。ICL7660s是小功率極性反轉電源轉換器，主要為系統提供負電壓。

2.3.4 LCD顯示模塊設計

LCD顯示模塊采用臺灣AMT公司生產的AMT9502四線電阻式觸摸屏[13]，顯示效果佳、耗電量低，尺寸為5.7英寸，分辨率為1 024×768，顯示顏色為全彩，同時顯示12道心電波形，滿足心電波形和用戶基本情況的顯示要求。

2.3.5 打印機模塊設計

打印機模塊采用高分辨熱敏打印機對心電波形進行輸出，將其與微處理器中的USART接口相連，以實現打印功能。

3 便攜式心電圖儀軟件模塊設計

本系統在軟件設計部分使用Keil MDK-ARM軟件。該軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器設備提供了一個完整的開發環境，具有靈活的窗口管理、允許自動設置啟動等特點，且集成了強大的模擬仿真設備，能夠滿足大多數苛刻的嵌入式開發應用需求。

3.1 A/D模塊軟件設計

將A/D配置成序列通道重復轉換模式，實現對心電信號的模數轉換。由芯片內部的定時器決定對心電信號的采樣頻率，A/D轉換后，通過設置標志位表示A/D轉換完成。

3.2 自動診斷模塊軟件設計

自動診斷模塊以美國麻省理工學院提供的研究心律失常的MIT-BIH數據庫為基礎，采用與診斷算法相結合的方法實現。

MIT-BIH數據庫具有節省文件長度和存儲空間的優點。本設計將建立在統計學理論基礎上的支持向量機（SVM）算法運用到心臟病的輔助診斷中。首先對原始心電信號進行預處理和特征提取，選取徑向基核函數的分類器進行分類，通過網絡法尋優得到最優的核函數和懲罰因子，使分類器達到最高的分類準確率。這種方法適用于小樣本心臟病檢查。

4 仿真測試

通過對硬件部分的設計以及對該硬件電路進行仿真測試，該電路輸出的心電信號符合心電圖儀對于心電信號的要求。對兩級放大器進行測試，測試結果如表1所列。

5 結 語

本文以STM32作為微處理器，采用模塊化設計、匯編語言與C語言交叉編程相結合的方法，完成了對便攜式心電圖儀的硬件設計、軟件設計及測試，該便攜式心電圖儀符合醫藥行業中關于心電監護儀的基本要求。與市面上同類產品相比，文中設計的心電圖儀具有價格低廉、精確度高以及體積較小易于攜帶的優勢。

參考文獻

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