基于ADS1298的便攜式心電采集卡的設(shè)計(jì)

何超文，馮智毅

廣州醫(yī)科大學(xué)附屬第三醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備科，廣東 廣州 510150

引言

心電圖（Electrocardiogram，ECG）是反映心臟興奮的電活動(dòng)過(guò)程，它對(duì)心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的診斷參考價(jià)值[1-3]。在臨床上，可輔助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷，比如診斷心率失常、心肌缺血、心肌炎及心包炎等[1-3]。隨著移動(dòng)式醫(yī)療設(shè)備概念日漸升溫，便攜式設(shè)計(jì)是設(shè)備開(kāi)發(fā)的一個(gè)新熱點(diǎn)。由此可見(jiàn)，便攜式心電檢測(cè)設(shè)備顯得尤為關(guān)鍵和具有市場(chǎng)發(fā)展前景。然而，目前的傳統(tǒng)心電檢測(cè)設(shè)備存在體積較大、便攜性差、價(jià)格昂貴、封閉式設(shè)計(jì)及擴(kuò)展性差等劣勢(shì)，不利于心電檢測(cè)的功能擴(kuò)展和基礎(chǔ)研究，為臨床使用者和科研學(xué)者帶來(lái)各種不便。隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，開(kāi)發(fā)出更多便攜性高、使用靈活、成本低和性能多樣的設(shè)備成為可能，例如流動(dòng)性體檢、家庭心電檢測(cè)跟蹤、遠(yuǎn)程心電診斷檢測(cè)等[4-5]。這類設(shè)備的特點(diǎn)是以ECG提取為核心，輔以特定功能需求的外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各類使用需求的衍生式設(shè)備。這類設(shè)備核心在于一個(gè)性能優(yōu)異及擴(kuò)展性高的心電采集模塊，并在外設(shè)電路設(shè)計(jì)方面做針對(duì)性考慮，可提升設(shè)備的設(shè)計(jì)效率。

針對(duì)上述需求，本文設(shè)計(jì)一種心電檢測(cè)的核心采集卡，可作為各類心電檢測(cè)特定需求的基礎(chǔ)平臺(tái)。該采集卡是選用單片機(jī)STM32作為主控，搭配醫(yī)療模擬前端芯片ADS1298構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集器，完成人體心電信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，本文以該采集卡完成一個(gè)心電采集測(cè)試，結(jié)果表明本采集卡可完成心電信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，并具備便攜性高、低成本、使用方便及擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 心電采集卡框架

本文的心電采集卡采用模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分區(qū)混合設(shè)計(jì)方案[6]，其結(jié)構(gòu)框架框如圖1所示。心電采集卡主要由隔離電源、SD卡、單片機(jī)STM32和數(shù)據(jù)采集器組成，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)采集及存儲(chǔ)一體化和小型化。其中，信號(hào)通路主要是：電極所采集人體心電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集器中完成信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)于SD卡中。功能豐富的STM32可搭配不同特定功能需求的外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各樣衍生式心電檢測(cè)設(shè)備。

圖1 心電采集卡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架

2 采集卡硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制器

單片機(jī)控制器選用市場(chǎng)上一款以意法半導(dǎo)體ST公司的STM32F103ZET6作為主控制器的最簡(jiǎn)核心板，其基于Cortex-M3內(nèi)核的32位高速ARM微處理器，系統(tǒng)工作頻率高達(dá)72 MHz，內(nèi)置flash 512 KB和SRAM 64 KB，可存儲(chǔ)程度復(fù)雜的程序代碼和建立數(shù)據(jù)緩存空間[7-8]。其具有豐富的總線接口，如SPI、I2C、SDIO和USART等，可用于控制數(shù)據(jù)采集器和讀寫(xiě)SD卡[8]。同時(shí)，STM32F103主控的數(shù)據(jù)總線及功能接口豐富，可搭配各種特定功能需要的外圍設(shè)備，可衍生出不同使用目的的心電采集設(shè)備。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

為了更好地提取出心電信號(hào)和保護(hù)人體，本采集卡的數(shù)據(jù)采集器由預(yù)處理電路和醫(yī)療級(jí)模擬前端芯片ADS1298電路構(gòu)成。從電極引出的心電信號(hào)先經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路調(diào)理后，再傳入ADS1298電路進(jìn)行信號(hào)放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換。

2.2.1 預(yù)處理電路

預(yù)處理電路圖如圖2所示，本數(shù)據(jù)采集器的所有通道均接有預(yù)處理電路，此電路由一階無(wú)源低通濾波和限幅電路組成，由RC元件組成100 Hz截止頻率的低通濾波[9-10]，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集的抗混疊和消除電路的高頻噪聲；限幅電路利用二極管單向?qū)ㄌ匦裕瑢?shí)現(xiàn)鉗位保護(hù)效果，防止電路的過(guò)高電壓對(duì)人造成傷害。

圖2 預(yù)處理電路

2.2.2 醫(yī)療模擬信號(hào)前端芯片

本數(shù)據(jù)采集器的主要功能由TI公司的醫(yī)療模擬前端芯片ADS1298實(shí)現(xiàn)，該芯片專為心電生理信號(hào)采集設(shè)計(jì)的，其特點(diǎn)是八通道，4 μVpp低噪聲，32 kHz高采樣率，24倍可編程增益PGA，115 dB高共模抑制比、低功耗0.5 mW/通道、內(nèi)置基準(zhǔn)電壓以及振蕩器等[11]。芯片內(nèi)部集成有醫(yī)療心電采集應(yīng)用所需的全部常規(guī)功能，如右腿驅(qū)動(dòng)、電極掉落檢測(cè)和威爾遜中心終端等[11-15]。此外，該芯片集成SPI通信接口，傳輸速度高達(dá)4 MB/s，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳送所采集的心電數(shù)據(jù)。SPI接口是一種高速的、全雙工及同步的通信總線，只占四根線，可節(jié)約管腳和使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。由于芯片ADS1298具有高度集成特性以及性能優(yōu)良，可簡(jiǎn)化電路復(fù)雜度，減少PCB布局空間，提高心電采集卡的便攜性、穩(wěn)定性和抗干擾性。

本數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用電路如圖3所示，設(shè)計(jì)為數(shù)字時(shí)鐘采用芯片內(nèi)置時(shí)鐘振蕩器，參考電壓采用外部提供的+2.5 V及±2.5 V雙電源供電模式，采集器的模擬地和數(shù)字地經(jīng)零電阻接通，啟用內(nèi)置右腿驅(qū)動(dòng)反饋至電極RLD，可抑制共模信號(hào)干擾[15-18]。芯片SPI的四引腳/CS、SCLK、DOUT、DIN和數(shù)據(jù)完成信號(hào)腳/DRDY分別接STM32的PC5、PA5、PA6、PA7、PC4引腳，可將心電數(shù)據(jù)有效快速傳輸至STM32中。

圖3 ADS1298功能簡(jiǎn)化架構(gòu)

2.3 供電電源部分

結(jié)合本心電采集卡的便攜式開(kāi)發(fā)目標(biāo)，采集卡的供電方式采取干電池供電。本電源部分結(jié)構(gòu)如圖4所示。干電池組的輸出電壓VCC先經(jīng)過(guò)DC-DC電源隔離芯片DCR010505再進(jìn)入之后的各電源芯片中[19]。其中，利用線性穩(wěn)壓芯片TPS73625和反向電荷泵芯片TPS60403對(duì)輸入電壓VCC進(jìn)行變換，為本采集卡提供±2.5 V模擬電壓AVDD/AVSS；利用電壓芯片REF3313可把輸入電壓降為+3.3 V，為本采集卡提供+3.3 V數(shù)字電壓DVDD。本干電池組由四節(jié)1.2 V、1300 mAh的鎳氫電池串聯(lián)提供，經(jīng)各芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)理論計(jì)算可續(xù)航大約20 h。

此外，一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓是A/D高精度轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，因此本采集卡的基準(zhǔn)電壓由芯片REF5025和OPA350組成。電源芯片REF5025具有高精度0.05%、低溫漂3 ppm/℃的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)放OPA350作用是緩沖基準(zhǔn)電壓，為A/D轉(zhuǎn)換提供一個(gè)高性能的+2.5 V參考電壓Vref。

圖4 供電電源框架

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

本采集卡內(nèi)有一塊金士頓8 GB的SD記憶卡，其負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所采集的心電信號(hào)原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集器所記錄的心電數(shù)據(jù)為24 bit格式，估計(jì)其可存儲(chǔ)約16 h長(zhǎng)度的心電數(shù)據(jù)。本采集卡的STM32主控通過(guò)SDIO總線與SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)通信，讀寫(xiě)速度高達(dá)18 MB/s。STM32內(nèi)核通過(guò)FATFS文件系統(tǒng)管理SD卡的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)讀寫(xiě)程序變得更加簡(jiǎn)便規(guī)范[20]。

3 采集卡軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集卡固化程序

本采集卡中SMT32固化程序采用Keil軟件作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵模塊、主控模塊及SD卡讀寫(xiě)模塊。固化程序通過(guò)燒錄器下載至STM32中，斷電后重新上電也即可正常工作。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)通過(guò)STM32對(duì)芯片ADS1298進(jìn)行初始化、控制采集及數(shù)據(jù)調(diào)取的任務(wù)；按鍵模塊負(fù)責(zé)人機(jī)交互的選擇作用；主控模塊負(fù)責(zé)調(diào)度各子模塊間有條不紊的配合工作；SD卡模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)心電信號(hào)原始數(shù)據(jù)，用作離線分析。

3.2 采集卡工作流程

本采集卡的工作流程如圖5所示，步驟為：①采集卡上電后，首先初始化采集卡所有系統(tǒng)參數(shù)；②啟動(dòng)采集卡的外圍設(shè)備自檢，并初始化數(shù)據(jù)采集器，紅燈1亮，提示操作人可準(zhǔn)備開(kāi)始心電記錄；③檢測(cè)開(kāi)始按鍵是否按下，若是則燈2亮和燈1滅，數(shù)據(jù)采集器ADS1298開(kāi)始采集人體心電數(shù)據(jù)，在STM32中斷進(jìn)程讀出數(shù)據(jù)；④單片機(jī)STM32將數(shù)據(jù)采集器ADS1298所采集的心電原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡中，或傳輸至外圍設(shè)備中；⑤檢測(cè)停止按鍵是否按下，若沒(méi)有按下，則循環(huán)進(jìn)行步驟②、③和④；反之，則燈2滅燈1亮，指示心電信號(hào)采集結(jié)束。

4 采集卡測(cè)試

旨在驗(yàn)證本心電采集卡所采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果的正確性、可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)本采集卡進(jìn)行了準(zhǔn)確性及穩(wěn)定可重復(fù)性的驗(yàn)證。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)三導(dǎo)聯(lián)的心電信號(hào)采集測(cè)試，如圖6所示，數(shù)據(jù)采集器的通道正輸入端接左手，負(fù)輸入端接右手，右腿電路輸出端接右腿，。電極安置、測(cè)試操作和參數(shù)等均按常規(guī)ECG記錄要求[21]。

圖5 采集卡的工作流程

圖6 本采集卡實(shí)物及實(shí)際應(yīng)用

本采集卡在內(nèi)設(shè)的Micro SD卡中新建了一個(gè)ecg.txt文本文檔，用于存儲(chǔ)所采集的心電信號(hào)原始數(shù)據(jù)，如圖7所示，方便日后隨時(shí)離線分析研究數(shù)據(jù)。

對(duì)通過(guò)本采集卡所采集并存儲(chǔ)于SD卡內(nèi)的心電數(shù)據(jù)，利用軟件Matlab作離線數(shù)據(jù)處理，用plot工具重新畫(huà)出心電信號(hào)波形，如圖8a所示。由圖8a中可見(jiàn)，所采集的原始心電數(shù)據(jù)除了有心電信號(hào)基本成分，還混雜著工頻干擾等噪聲。如圖8b為經(jīng)過(guò)Matlab軟件的50 Hz陷波數(shù)字濾波處理后的心電信號(hào)波形，清晰可見(jiàn)心電信號(hào)基本成分波形，由此可得本心電采集卡能基本完成心電信號(hào)的采集和存儲(chǔ)。

圖7 存儲(chǔ)于SD卡的心電原始數(shù)據(jù)

圖8 同組數(shù)據(jù)的原始心電波形與50 Hz陷波處理后的心電波形對(duì)比

5 結(jié)論與展望

本文所提出的基于ADS1298的便攜式心電采集卡，選用單片機(jī)STM32作為主控，搭配醫(yī)療模擬前端芯片ADS1298構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集器，完成人體心電信的數(shù)據(jù)采集。以此采集卡為核心，輔以特定功能需求的外圍設(shè)備并通過(guò)合適的傳輸技術(shù)，可搭建各類衍生式心電檢測(cè)設(shè)備。經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明，本心電采集卡不但滿足心電信號(hào)記錄的要求，并且具有便攜式高、低功耗、低成本、低噪聲及抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)。未來(lái)，本文可針對(duì)不同的特定使用目的，輔以不同功能的外圍設(shè)備，嘗試開(kāi)發(fā)出各類心電檢測(cè)平臺(tái)，并考慮可于STM32中增加更多數(shù)字濾波處理，保證所采集的心電信號(hào)質(zhì)量，可提高采集成功性。