一种基于STM32的心电采集仪设计方案

　　1 总体设计方案

　　心电采集包括模拟采集和数字处理两部分，本设计通过AgCl电极和三导联线心电采集线采集人体心电信号，通过前置放大电路，带通滤波电路，50 Hz双T陷波后再经主放大电路和电平抬升电路把心电信号的幅度控制在STM32的A/D采集范围内，STM32通过定时器设定A/D采样频率，通过均值滤波的方式对得到的数字信号进行处理，最后在彩屏上描绘出心电图形，系统总体框图如图1所示。

　　2 硬件设计

　　2.1 主控模块电路设计

　　主控模块的STM32F103VET单片机是控制器的核心，该单片机是ST意法半导体公司生产的32位高性能、低成本和低功耗的增强型单片机，其内核采用ARM公司最新生产的Cortex—M3架构，最高工作频率72 MHz、512 kB的程序存储空间、64 kB的RAM，8个定时器/计数器、两个看门狗和一个实时时钟RTC，片上集成通信接口有两个I2C、3个SPI、5个USART、一个USB、一个CAN、一个SDIO，并集成有3个ADC和一个DAc，具有100个I/O端口。主控单片机管脚排列图如图2所示。

　　2.2 前置放大电路的设计

　　前置放大电路是模拟信号采集的前端，也是整个电路设计的关键，它不仅要求从人体准确地采集到微弱的心电信号，还要将干扰信号降到最低，由于心电信号属于差分信号，所以电路应采用差动放大的结构，同时要求系统具有高共模抑制比、高输入阻抗、低漂移等特点。因此，选择合适的运算放大器至关重要，这里选择仪用运放AD620实现前置放大，AD620具有高精度、低噪声、低输入偏置电流低功耗等特点，使之适合ECG监测仪等医疗应用。AD620的放大倍数由1与8脚之间的反馈电阻决定，增益G=49.4 kΩRG+1，由于心电信号中含有较大的直流分量，因此前置放大电路的放大倍数不能过大，在这里选择放大约10倍，因此反馈电阻R6取约5 kΩ，为提高电路的共模抑制能力，这里用一个OP07检测R10，R4上的共模信号驱动导线屏蔽层，消除分布电容。同时用另一个OP07运放和R5，C3，R7组成右腿驱动电路，在R10，R4上检测到的共模信号经反相放大器后经R7，反馈到人的右腿，进一步抑制了共模信号和50 Hz工频干扰，这里右腿驱动有一个对交流电的反馈通路，交流电的干扰可能对人体产生危害，因此这里要注意做好绝缘措施，同时保护电阻R7尽可能大，取1 MΩ以上。此外系统电源的不稳定也对心电信号的采集有较大影响，因此在本系统中，所有运放的电源脚都并联两个0.1μF和10μF的电容退耦，提高系统的稳定性，前置放大电路的电路图如图3所示。

　　2.3 带通滤波器的设计

　　从前置放大电路输出的心电信号还含有较大直流分量和肌电信号，基线漂移等干扰成分，所需采集的有用心电信号在0.03～100 Hz范围之间，因此需设计合理的滤波器使该范围内的信号得以充分通过，而该范围以外的信号得到最大限度的衰减，这里采用具有高精度，低偏置，低功耗特点的两个OP07运放分别组成二阶有源高通滤波器和低通滤波器，高通滤波器由C11，C17，R7，R10组成，截止频率f1≈0.03 Hz，低通滤波器由R8，R9，C10，C13组成，截止频率约为f2≈100 Hz，系统带通滤波器的电路如图4所示。

　　2.4 50 Hz双T陷波器设计

　　工频是心电信号中最主要也最常见的干扰源，虽然前面的右腿驱动电路对其有一定的抑制作用，但是仍有较大部分进入了后面的电路，因此有必要设计截止频率为50 Hz的带阻电路来进一步滤除干扰，带阻电路也称陷波器，顾名思义，带阻电路就是使某特定频率范围内的信号大幅衰减，而对该频率范围外的信号几乎不产生影响。双T陷波电路是典型的带阻电路，在双T网络中，两个T型网络的参数是对称的，如图5所示的50 Hz双T陷波电路中，R13=R14=2R16=R=32 kΩ，C20=2C19=2C18=C=200 nF，本质上是由两个T型高通滤波器和低通滤波器并联组成，图5所示电路的截止频率f0=1/2πRC≈50 Hz。

　　2.5 主放大以及电平抬升电路设计

　　心电信号的幅度约为0～4 mV，STM32 AD转换的输入电平要求为3.3 V，因此，为了单片机能够处理采集到心电信号，需将采集到的模拟信号放大800～1 000倍。前置放大电路已放大了10倍，理论上主放大电路约放大100倍即可。为确保信号不失真，一般单级放大不超过10倍，因此，可采取两级放大的方式来达到放大100倍的效果，U9固定放大10倍，U11的反馈电阻采用可调电阻，这样就可以通过变阻器的调节达到放大100的效果。此外，因为STM32单片机的A/D采集不能采集负电平，因此这里设计了如U7所示的电平抬升电路把心电信号提到0电平以上，方便单片机采集。

　　3 软件设计

　　得到心电信号后要输入STM32进行AD采集和软件滤波，最终送LCD实现波形显示，单片机初始化后，程序设计定时器每6 ms中断一次，在中断函数里，对读取到的A/D值采取均值滤波的形式滤除干扰，然后把之转换与彩屏对应的坐标值，在彩屏上画线实现波形的实时显示，整个系统的程序流程如图7所示。

　　4 测试结果分析

　　通过电极片和三导联线在人的左臂，右臂，右腿部采集心电信号经前端模拟电路和STM32处理后，最后在示波器和彩屏上得到的心电信号如图8所示。

　　从彩屏和示波器上所得的心电图来看，50 Hz工频信号和基线漂移得到了较好的抑制，从示波器上可看出，相邻两个波峰之间的时间大约为900 ms，这与真实的心电信号基本吻合，图像清晰稳定，能够较好地反映人体心电特征。

　　5 结束语

　　本设计实现的是以STM32为控制核心，以AD620，OP07为模拟信号采集端的小型心电采集仪，该设计所测心电波形基本正常，噪声干扰得到有效抑制，电路性能稳定，基本满足家居监护以及病理分析的要求，整个系统设计简单，成本低廉，具有一定的医用价值。