基于STM32和LabVIEW的心電信號采集系統(tǒng)設計

陳培敏，田楊萌，王彩霞，王宏偉，郝少華

（北京信息科技大學，北京 100192）

0 引 言

據(jù)最新的《中國心血管疾病報告》顯示，目前估計全國心血管疾病患者人數(shù)達2.9億，隨著人口老齡化的增長患者人數(shù)還會不斷上升。心血管病是一系列涉及循環(huán)系統(tǒng)的疾病，具有突發(fā)性，若無法及時發(fā)現(xiàn)則存在失去生命的風險，因此在日常生活中對心血管疾病患者進行心電監(jiān)護尤其重要[1]。本文針對上述需求，克服了傳統(tǒng)心電圖機價格昂貴、不可攜帶、不可傳輸心電信號等缺點，設計了一套便攜式，集心電信號采集、無線傳輸、信號處理等功能于一體的心電信號采集系統(tǒng)。

將STM32F103芯片作為系統(tǒng)下位機的核心，主要包括單片機模塊、藍牙模塊、AD8232采集模塊和電源模塊[2]，用于實現(xiàn)心電信號的采集，并將采集到的信號通過藍牙以無線傳輸方式上傳至上位機。將采集到的心電信號通過主控芯片STM32F103的SPI接口控制采集芯片AD8232，完成心電信號的放大、濾波、共模抑制和模數(shù)轉換，再通過UART接口連接藍牙芯片，完成上位機和下位機的通信。上位機采用LabVIEW作為開發(fā)平臺，利用LabVIEW的串口通信功能實現(xiàn)與下位機的數(shù)據(jù)通信[3]。

1 系統(tǒng)設計方案

系統(tǒng)采用意法半導體（ST）公司微控制器STM32F103[4]、ECG信號處理模塊AD8232、藍牙模塊HM-13和LabVIEW軟件相結合的監(jiān)測方案。其中，STM32F103和AD8232組成下位機，主要用于心電信號的采集；藍牙模塊主要用于實現(xiàn)硬件采集電路和上位機的數(shù)據(jù)傳輸；LabVIEW作為上位機，主要用于通過藍牙串口接收下位機采集到的數(shù)據(jù)，完成對采集數(shù)據(jù)的顯示、分析和存儲等[5]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 心電信號采集電路

將AD8232芯片作為采集心電信號的控制芯片。AD8232是一款用于ECG及其他生物電測量的集成信號調理模塊。該模塊可在具有運動或遠程電極產(chǎn)生噪聲的情況下提取信號，并放大、過濾微弱的生物電信號。AD8232還內置有導聯(lián)脫落檢測電路和一個自動快速恢復電路，可在導聯(lián)重新連接后迅速恢復信號，其功能如圖2所示。該模塊內置有一個專用儀表放大器（IA）、一個運算放大器（A1）、一個右腿驅動放大器（A2）和一個中間電源電壓基準電壓緩沖器（A3）[6]。

圖2 AD8232功能框圖

2.2 藍牙傳輸電路

本系統(tǒng)采用HM-13藍牙模塊取代硬件電路中的串口發(fā)送（發(fā)送原理與串口發(fā)送電路原理一致）。HM-13藍牙模塊和STM32單片機的連接電路如圖3所示[6]。

圖3 藍牙傳輸電路圖

在圖3中，STM32單片機的PA9/U1_TX引腳連接HM-13藍牙模塊的UART_TX引腳， PA10/U2_RX引腳連接UART_RX引腳[7]，接3.3 V電壓，PIO1引腳連接一個藍牙指示燈，將數(shù)字化的心電信號通過藍牙模塊實時發(fā)送。與單片機控制串口連接電路類似，實現(xiàn)了無線傳輸，改變了傳統(tǒng)的傳輸方式。

3 系統(tǒng)軟件設計

因所用MCU為意法半導體（ST）公司設計生產(chǎn)的STM32F103系列芯片，故下位機開發(fā)軟件采用Keil5，上位機軟件采用LabVIEW 2014版本。

系統(tǒng)軟件設計可分為三個部分，即STM32下位機程序、HM-13藍牙驅動程序和LabVIEW上位機程序。STM32下位機程序是整個系統(tǒng)的核心，藍牙驅動程序有效保證了下位機和上位機的通信。首先下位機上電復位，初始化設備后打開藍牙串口與上位機通信，之后開啟ADC轉換功能，將傳輸采樣數(shù)據(jù)送至串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，再由上位機程序控制下位機讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析、處理和顯示。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序框圖

接3.3 V電壓后，單片機首先應完成系統(tǒng)時鐘的配置，在PC端打開藍牙驅動，連接藍牙設備。連上后等待上位機發(fā)送啟動、停止等命令，單片機以中斷方式接收命令并執(zhí)行相應操作，開啟相應ADC通道，轉換后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機[8]。

4 測試方法

可用多種導聯(lián)方法采集人體心電信號。本文主要介紹標準雙極肢體導聯(lián)法，共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ導聯(lián)。

（1）Ⅰ導聯(lián)：左上肢接放大器正輸入端，右上肢接放大器負輸入端。

（2）Ⅱ導聯(lián)：左下肢接放大器正輸入端，右上肢接放大器負輸入端。

（3）Ⅲ導聯(lián)：左下肢接放大器正輸入端，左上肢接放大器負輸入端。

本系統(tǒng)采用標準Ⅰ導聯(lián)，原因如下：

（1）標準Ⅰ導聯(lián)測得的信號波形幅度大，特征點明顯[8]。

（2）標準Ⅰ導聯(lián)從上肢采集信號，更容易被大家接受。本設計采用標準Ⅰ導聯(lián)，將電極夾分別夾在左右手腕處，下位機上電后，系統(tǒng)開始采集心電信號，可在LabVIEW顯示面板上看到實時采集的心電波形。

5 結 語

本文系統(tǒng)包括STM32，AD8232芯片及外部信號采集和調理電路，通過HM-13藍牙模塊傳輸心電信號至PC端，采用LabVIEW強大的數(shù)據(jù)處理功能，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本和難度，實現(xiàn)了人體心電信號的采集、顯示、傳輸?shù)裙δ堋Ｔ撓到y(tǒng)操作簡單方便，具有一定的推廣價值。