基于STM32的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)

摘 要：針對心電監(jiān)護(hù)設(shè)備體積和質(zhì)量較大，價格昂貴，不便于攜帶等因素，本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的心電采集及分析處理系統(tǒng)。相比普通的心電圖儀，本裝置具有可移動，便于攜帶和實(shí)時監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)床邊診斷。本裝置的信號處理電路是最關(guān)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(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：STM32；濾波電路；心電信號

隨著社會的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口老齡化的成都越來越嚴(yán)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(fā)現(xiàn)和預(yù)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(jù)，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(shù)，每年的增長率超過了20%。我國每年在心臟疾病中的耗費(fèi)就達(dá)到了3000億元。

由于場合限制和價格原因，導(dǎo)致病人得不到實(shí)時監(jiān)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?qū)崟r給病人檢查，還能夠?qū)⒉∪怂玫降男碾妶D后發(fā)送給醫(yī)生做進(jìn)一步的判定。通過大容量的存儲器件能夠?qū)颊哌M(jìn)行長時間的監(jiān)護(hù)，并記錄心電數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是便攜與數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)的要求根據(jù)心電信號的特點(diǎn)，應(yīng)具備放大倍數(shù)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)中采用STM32的內(nèi)部采用的是ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提高精度可以替換為外部的AD，控制系統(tǒng)采用的是外部按鍵和LCD觸摸屏來完成?？梢詫?shí)時回放心電圖及傳送到上位機(jī)進(jìn)行存儲。

整個系統(tǒng)有以下幾個部分組成：

1）采集電路：準(zhǔn)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?shù)取?/p>

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(jī)設(shè)計(jì)：在PC機(jī)上進(jìn)行心電信號的存儲，并轉(zhuǎn)換為心電圖形。

6）電源電路：提供系統(tǒng)所需的電壓。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)?？傮w要求是，選用適合的處理器，滿足計(jì)算要求即可，便于開發(fā)，避免造成開發(fā)上的浪費(fèi)。注重軟件設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)，降低成本。

心電信號驅(qū)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(tǒng)采用STM32F107的最小系統(tǒng)，參照芯片手冊來完成。

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

存儲模塊的電路設(shè)計(jì)，基于STM32有512K字節(jié)的閃存，64K的SRAM，本設(shè)計(jì)采用MicroSD卡作為系統(tǒng)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(shè)計(jì)

軟件采用的是Keil5進(jìn)行ARM開發(fā)。該系統(tǒng)將采用模塊化的編程，將分為SD卡驅(qū)動、LCD驅(qū)動、觸摸驅(qū)動、采用濾波計(jì)算、控制模塊驅(qū)動等。最后通過整體的整合進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試。

系統(tǒng)軟件主要分為兩個大的部分：

1）下位機(jī)軟件，主要是STM32的驅(qū)動程序，主要完成心電信號的采集，軟件濾波、實(shí)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(huán)程序，不停的掃描指令，并完成相應(yīng)的功能。

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

4 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式的心電圖儀的開發(fā)。以低廉的成本完成了設(shè)備的開發(fā)，同時體積小，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測的功能。在熟悉硬軟件開發(fā)環(huán)境后，采用模塊化的設(shè)計(jì)，把整個系統(tǒng)劃分為多個小模塊逐步實(shí)現(xiàn)。

科技的高速發(fā)展，為醫(yī)療器械的發(fā)展帶來了極大的機(jī)遇，利用高科技帶來的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械是一個巨大的市場機(jī)會。嵌入式技術(shù)的發(fā)展必將為人類醫(yī)療事業(yè)帶來巨大的幫助。為每一個家庭服務(wù)。

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作者簡介：

吳威寧（1994-），男，侗族，貴州人，學(xué)生，本科，武漢紡織大學(xué)通信工程。