基于STM32 單片機的心電監測系統

李昊霖 徐凌樺

0 概述

科學技術發展水平日新月異，醫療水平逐漸提高，人們越來越關注自己和家人的健康狀況。在眾多生理信號中，心電信號的監測一直都是各國研究者們深入研究和學習的重點，由于傳統的ECG 儀器相對較大并且依賴于PC 和顯示器顯示器，而從國內外心電圖儀的發展趨勢來看，新型心電監測設備越來越便攜化，智能化，遠程化。因此，便攜性和易操作是目前家用心電監護儀設備亟待解決的問題[1]。在這樣的背景下，本文設計了一款使用STM32F103ZET6 作為主控芯片，AD8232 芯片作為前端采樣，ADC 配合DMA快速采集傳輸心電信號，再對所采集心電信號進行處理，最后根據使用者需求選擇顯示方式，從而實現一款輕便小巧、操作簡單、低成本的心電監測設備的設計。

1 系統結構

本文設計的心電監測系統由STM32F103ZET6 最小系統、AD8232 模擬前端、OLED顯示模塊、HC-05 藍牙模塊組成，醫用AgCl 采樣電極通過單導聯的方式將感知的心電信號傳輸到AD8232 模塊，進行初步信號調理及放大后，由STM32 單片機的ADC 采集并進行數據處理，最后將采集的心電信息通過OLED 模塊或者上位機顯示出來。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

選用STM32F03ZET6 芯片作為主控單元，該芯片采用的CPU 是 ARM 的 32 位 Cortex-M3，擁有片上 128K 的閃存，還有20K 的RAM，同時內置了3 個12 位精度的片上AD/DA 轉換器以及串行端口外設。并支持各種外設，如定時器，ADC，SPI，USB，IIC 和UART。使得它在簡單的電路上就能執行信號采集和數據濾波。

2.2 AD8232 模塊

綜合考慮性能和成本性能方面，選擇AD8232 作為本次設計的模擬前端。AD8232 采用雙極點高通濾波器來消除運動偽像和電極半電池電位[2]。AD8232 模塊的默認的外圍電路連接配置為0.5Hz 的雙極點高通濾波器，以及雙極性40Hz 低通濾波器。同時通過驅動第三電極來實現最佳共模抑制。除了40Hz 濾波功能外，運算放大器的增益也配置為11，因此系統總增益為1 100[3]。選擇AD8232 的原因是因為單芯片模擬信號鏈前端芯片大大方便了系統設計。

2.3 OLED 模塊

顯示屏的選擇方面主要考慮價格，因為各種屏幕都能實現功能，所以根據經費情況，選擇性價比最高的0.96 的128*64 OLED 顯示屏模塊作為心電監測的屏幕。

2.4 HC-05 藍牙模塊

在與主機的數據通信中，選擇最經典的HC-05 藍牙模塊，數據通過串口傳輸到主機。在本設計中，它可以通過TX 和RX接口連接到STM32F103ZET6。該模塊非常靈活，使用方便。

2.5 按鍵及LED 電路

為了實現更好的人機交互，本設計通過三個按鈕來實現硬件側的模式選擇和相關的功能切換。物理按鈕可用于使操作方便可靠，用戶可以通過簡單地顯示和指導了解如何操作硬件。按鍵1 選擇本地模式，按鈕2 選擇上位機模式。在本地模式中，按鈕3 用于在本地模式下顯示心電圖之后顯示心率。

3 軟件設計

3.1 系統軟件算法設計

系統軟件流程設計為上電后，需要通過按鈕選擇系統的工作模式，有上位機模式和本地模式兩種工作模式，本地模式下又可選擇顯示心電圖或者顯示心率。選擇本地模式后，系統可以與上位機分開工作，實現心率波形的測量顯示和心率計算。在本地模式下，測量的開始和結束以及測量后的顯示數據可以分別由兩個按鈕控制;當選擇上位機模式時，系統通過藍牙將所有采集的數據傳輸到安卓主機，上位機負責數據處理。

3.2 ADC 及 DMA 算法配置

本次設計應用ADC 的定時器觸發ADC 轉換功能，再通過DMA 傳輸數據。通過設置好的時間間隔觸發ADC 轉換，就能夠做到ADC 的定時采樣轉換的功能，之后可以在程序的死循環中不斷檢測DMA 的轉換完成狀態標志位，轉換完成之后的數據才可被讀取。DMA 配置為雙緩沖機制，類似于乒乓操作模式，建立2 個緩沖區緩沖區。當緩沖區1 存滿時，接收的數據自動傳送到緩沖區2，并對緩沖區1 中的數據進行濾波處理，因此交替采樣濾波可以大大提高系統的工作速度，同時也保證數據接收不受暫停影響，非常高效實用。

3.3 數字濾波器設計

本設計的工頻陷波和高通濾波均采用IIR 濾波器來設計。IIR 濾波器的設計借助MATLAB 的FDATOOL 工具包可以直接生成相關參數。再通過工具箱提供的將其參數翻譯成C 語言形式的功能，復制到STM32 的程序中可直接應用該濾波器。

4 結果測試與改進

在分別完成心電采集系統的硬件及軟件部分后，得到了下圖1 的顯示效果，存在較大誤差，在綜合分析了多種可能情況后出的結論為：（1）測試電路搭建太簡陋使用了較多杜邦線（2）AD8232 模塊與導聯線接觸不良。在檢查了原因后我對測試電路做出了改進。在通過硬件改進以及數字濾波器的使用后，得到下圖2 心電信號顯示效果，可以看到顯示效果有了明顯的改善。

圖1 改進前

圖2 改進后

5 結束語

本文設計了一款基于STM32 單片機的心電監測系統，可以實現心電信號的監測，以及通過本地OLED 屏幕顯示或者將數據發送到上位機來顯示心電圖及心率。顯示效果良好，可以很好地完成心電信號的監測，實現心電監測設備的小型化、便攜化、遠程化。