基于STM32的便携式心电图仪设计

　　心脏病作为一种常见多发慢性疾病,长期以来一直威胁着人类的健康,及时发现和预防在减少心血管疾病危害中极为重要。而心电图则是治疗此类疾病的 主要依据,但是目前由于心电图机的应用场合的限制和HOLITER的价格非常昂贵,使得病人得不到实时监控,这对病人的病情诊断和治疗是极为不利的。

　　便携式心电图设备的出现使心电信号能够在更多场合进行采集,它既可以实现可移动化,又可以实时的对心电信号进行分析。通过内置大容量存储器件能 够对患者进行长时间的实时监护,并记录患者的心电数据,通过USB接口与PC机进行数据传输,以提交到专业医疗机构做进一步分析和诊断[1]。

　　1　系统整体设计概述

　　系统原理框图可以用图1表示。心电信号由电极获取,送入心电采集电路,经前置放大、主放大、高低通滤波、电平抬升后,得到符合要求的心电信号, 并送入到STM32的ADC进行AD转换。为了更好地抑制干扰信号,在电路中还引入了右腿驱动电路。系统控制芯片采用STM32,TFT-LCD的触摸功 能加上少量按键可以建立良好的人机交互环境,可以通过LCD实时显示和回放,采用SD卡可以存储24 h的心电数据,数据通过USB可靠地传输到PC机,以便对心电数据做进一步的分析。

　　2　系统主要硬件结构及电路

　　系统主要划分为三大部分:心电采集电路,主要完成心电信号的提取;带通滤波及主放大电路,用于调理采集到的信号,使之符合处理要求;STM32处理电路,完成心电信号的显示、分析、存储和数据传送功能。

　　2·1　心电采集电路

　　心电采集电路是整个便携式心电图仪的核心,直接决定整个系统性能的好坏。心电采集电路主要包括:输入缓冲及前置放大、右腿驱动、高低通滤波器、主放大和电平抬升。

　　体表心电信号的频率主要集中在0·05 ~100 Hz,幅度为10μV~4 mV,典型值为1 mV,是一种低频率的微弱双极性信号。而STM32的ADC输入端电压范围是0~3·3 V,因此需要对心电信号进行放大和电平抬升,总体放大倍数约为1 000倍,然后再通过电平抬升电路抬高1 V左右。心电测量中,实际的电极不可能完全对称,这样将会引起基线漂移现象,还有无处不在的电源工频干扰(50 Hz),肌电干扰等,这些都要求心电前置放大器必须有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80 dB以上[2]。心电前置放大电路及右腿驱动电路如图2。(未画出放大器的正负电源)

　　本设计选用INA118仪表放大器作为系统前置放大器,它具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输入阻抗等特点,它的增益可达1 000倍,计算公式为G= 1 + 50 k /Rg。电极极化电压最大可达300 mV,为了防止前置放大器进入截止或饱和状态,必须限制其放大倍数,这里增益取10,由G=1+50/Rg得出Rg=5·6 kΩ,外部电阻Rg选用阻值为5·6 kΩ的精密线绕电阻。由于人体的阻抗和心电电极阻抗非常大,所以在前置放大前设计了一级跟随作为信号缓冲。为了更好地抑制50 Hz干扰,采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连,以降低人体的共模电压[3]。