基于Cortex-M3的心電采集儀的設(shè)計(jì)

段水平

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)

基于Cortex-M3的心電采集儀的設(shè)計(jì)

段水平

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長沙 410004)

介紹了一種簡單易用的便攜式心電信號(hào)的采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32處理器,選用AgCl電極及Ⅲ導(dǎo)聯(lián)線從強(qiáng)噪聲環(huán)境下采集提取人體心電信號(hào),再經(jīng)OP07和AD620A、OPA2604為核心元件的模擬前端對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行濾波放大,并通過STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理,得到能夠反映人體實(shí)際心電特征的信號(hào),且在LCD上實(shí)時(shí)顯示出來。該設(shè)計(jì)簡單,系統(tǒng)功耗低、穩(wěn)定性高,適合于心血管病人家庭使用。

STM32;AD620;OPA2604;心電信號(hào)

心血管類疾病一直是醫(yī)學(xué)界的重要疾病,心電檢測(cè)則是一種重要的輔助診斷方法,心電采集電路是心電采集儀的關(guān)鍵部分,心電幅度只有mV級(jí),屬于微弱信號(hào),其頻率范圍在0.05～100 Hz之間,幅度在0～4 mV之間,且信號(hào)中易混雜其他電信號(hào),使心電噪聲變大[1-2]。因此,設(shè)計(jì)良好的調(diào)理電路和選擇合適的控制器才能提取有用信息?；诖?設(shè)計(jì)選用32位ARM內(nèi)核處理芯片STM32F103ZET為控制核心,OP07和AD620為模擬前端,本設(shè)計(jì)簡單穩(wěn)定,心電信號(hào)得到了實(shí)時(shí)顯示。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)包括模擬采集和數(shù)字處理部分兩部分,設(shè)計(jì)通過電極和Ⅲ導(dǎo)聯(lián)線采集人體心電信號(hào),通過前置放大處理,帶通濾波處理,50 Hz雙T陷波處理后再經(jīng)主放大處理和電平抬升處理,通過配置ADC相關(guān)寄存器控制A/D采樣頻率,通過陷波濾波后在彩色屏幕上描繪出心電圖形,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器的選型

系統(tǒng)采用了ST公司基于Cortex-M3為內(nèi)核的32位微處理器STM32F103VET[3-6],最高頻率為72 Hz,該芯片的設(shè)計(jì)滿足低功耗、集成性高、實(shí)用性強(qiáng)的要求,它內(nèi)部集成了最大儲(chǔ)存空間為512 kB的Flash和64 kB的SRAM,以及大量的I/O口和外設(shè)連接在APB總線上,豐富的片上資源降低了系統(tǒng)功耗的同時(shí)也簡化了系統(tǒng)硬件。

2.2 前置放大電路

通常用電極提取的心電信號(hào)較弱,需要前置放大電路將心電信號(hào)放大,同時(shí)對(duì)共模干擾信號(hào)有較好的抑制,它將干擾信號(hào)降到最低的同時(shí)能從人體準(zhǔn)確地采集到微弱的心電信號(hào),同時(shí)要求系統(tǒng)具備高共模抑制比(CMRR)、高輸入阻抗、低噪聲等特點(diǎn),在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要的作用。這里選擇運(yùn)放AD620實(shí)現(xiàn)前置放大,AD620有較高的共模抑制比,噪聲系數(shù)小,放大頻帶寬,精度較高,其核心是三級(jí)運(yùn)放電路,適用于小信號(hào)的前置放大電路。但輸入阻抗較低,設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)緩沖電路。AD620的1、8引腳外接增益反饋電阻。在這里選擇放大約10倍[7],Rg=49.4/(G-1),計(jì)算得反饋電阻R6應(yīng)為5.1 kΩ。右腿驅(qū)動(dòng)電路以一個(gè)OP07運(yùn)放和R6,C3,R7組成,在電阻R10,R4上獲得的共模信號(hào)送入反向放大器后經(jīng)R7,再連接到人的右腿,這樣就使得工頻干擾信號(hào)得到有效地降低,大幅提高了系統(tǒng)的共模抑制比。此外在所有運(yùn)放的電源腳都并聯(lián)兩個(gè)10 μF和0.1 μF的退耦電容以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,前置放大電路如圖2所示。

圖2 前置放大電路

2.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

帶通濾波器的作用就是使在0.05～100 Hz范圍內(nèi)的用心電信號(hào)保留下來,而在此范圍之外的噪音信號(hào)最大程度地衰減。 這里采用具有超低諧波失真、低噪聲、高增益帶寬特點(diǎn)的倆個(gè)OPA2604運(yùn)放分別組成二階有源高通濾波器和低通濾波器[8],高通濾波器截止頻率f1≈0.05 Hz,低通濾波器截止頻率約為f2≈100 Hz,如圖3所示。

2.4 50 Hz雙T陷波器設(shè)計(jì)

盡管對(duì)工頻做了一定的抑制,但工頻干擾仍影響了后續(xù)電路,因此這里設(shè)計(jì)了帶阻電路來進(jìn)一步濾除工頻干擾,這些諧波頻率分量通過50 Hz陷波[10-11],然后通過一個(gè)二階壓控電壓源低通濾波器,降低高頻率的肌電干擾與電開關(guān)容濾波引起的開關(guān)噪聲,從而達(dá)到較好的濾波效果。

圖4 具正反饋的雙T陷波電路

這里陷波采用正反饋雙T陷波電路,兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)相同,圖4所示電路的截止頻率計(jì)算公式為f0=1/2πRC,約為50 Hz。

2.5 主放大以及抬升電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊,其輸入電平為3.3 V,而心電信號(hào)的幅值為0～4 mV。預(yù)設(shè)采集到的模擬信號(hào)增益放大800倍以達(dá)到要求。前置放大電路已增益10 dB,理論上主放大電路約放大增益80 dB即可。通常單級(jí)放大不超過10倍以確保信號(hào)不失真,因此,這里采用兩個(gè)OPA2604放大的方式以達(dá)到放大要求,U9固定放大10倍,U11的反饋電阻采用可調(diào)電阻,這樣就可以通過變阻器的調(diào)節(jié)達(dá)到放大80 dB的效果。采集信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大后含有雙極性電平,而STM32內(nèi)部A/D采集只能采集正電平,因此設(shè)計(jì)了電平抬升電路消除負(fù)電平以確保心電波形的完整性。

圖5 主放大電路及電平抬升電路

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序系統(tǒng)初始化后,打開全局中斷,等待中斷響應(yīng),程序通過定時(shí)器隔一段時(shí)間中斷一次,把A/D讀取到的值軟件濾波,最后轉(zhuǎn)換為相對(duì)屏幕的坐標(biāo),實(shí)現(xiàn)心電波形顯示。如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

通過AgCl電極及Ⅲ導(dǎo)聯(lián)線在人的左臂,右臂,右腿部采集,將得到的心電信號(hào)經(jīng)模擬電路處理和STM32轉(zhuǎn)化,在系統(tǒng)啟動(dòng)20 s后在示波器上得到穩(wěn)定波形,如圖7所示。

圖7 示波器顯示效果圖

從示波器上所得的心電圖來看,工頻干擾和噪聲干擾得到了較好的抑制,得到圖形與醫(yī)用儀器所測(cè)的心電信號(hào)基本吻合,能夠反映人體心電信號(hào)。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)有模擬和數(shù)字倆部分構(gòu)成,根據(jù)心電信號(hào)微弱、噪聲強(qiáng)等特點(diǎn),模擬部分以O(shè)P07、AD620、OPA2604為核心構(gòu)成了前置放大電路,帶通濾波電路,陷波器,主放大電路及電平抬升電路,心電信號(hào)通過模擬電路處理后基本滿足采集要求,再由STM32微控制器實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,最后在彩屏上顯示。采集的心電波形基本符合要求,噪聲得到有效濾除,基本滿足日常監(jiān)護(hù)要求。

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Design of an Electrocardiogram Acquisition Instrument Based on Cortex-M3

DUAN Shuiping

(College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004,China)

This paper introduces a portable data acquisition system for acquiring ECG signals,which is easy to operate.The system adopts the STM32 processor,the AgCl electrode and Ⅲ lead wire collecting human ECG signals from environments with strong noise.The signals are then filtered and amplified through the analog front end which has OP07,AD620A,and OPA2604 as the core component.Finally the signals are digitalized by using STM32 SCM with signals which can reflect the actual ECG features obtained and displayed on the LCD in real time.The design has the advantages of simplicity,low power consumption,high stability,and is therefore suitable for families of cardiovascular patients.

STM32;AD620;OPA2604;ECG-single

2014- 08- 19

段水平(1988—),男,碩士研究生。研究方向:嵌入式系統(tǒng)與智能控制。E-mail:251556032@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.026

R540.4+1;TP368.2

A

1007-7820(2015)04-095-03