基于STM32的心電采集設計

1 總體設計方案

心電采集包括模擬采集和數字處理兩部分，本設計通過AgCl電極和三導聯線心電采集線采集人體心電信號，通過前置放大電路，帶通濾波電路，50 Hz雙T陷波后再經主放大電路和電平抬升電路把心電信號的幅度控制在STM32的A/D采集范圍內，STM32通過定時器設定A/D采樣頻率，通過均值濾波的方式對得到的數字信號進行處理，最后在彩屏上描繪出心電圖形，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

2.1 主控模塊電路設計

主 控模塊的STM32F103VET單片機是控制器的核心，該單片機是ST意法半導體公司生產的32位高性能、低成本和低功耗的增強型單片機，其內核采用 ARM公司最新生產的Cortex—M3架構，最高工作頻率72 MHz、512 kB的程序存儲空間、64 kB的RAM，8個定時器/計數器、兩個看門狗和一個實時時鐘RTC，片上集成通信接口有兩個I2C、3個SPI、5個USART、一個USB、一個 CAN、一個SDIO，并集成有3個ADC和一個DAc，具有100個I/O端口。主控單片機管腳排列圖如圖2所示。

圖2 STM32F103VET單片機管腳排列圖

2.2 前置放大電路的設計

前 置放大電路是模擬信號采集的前端，也是整個電路設計的關鍵，它不僅要求從人體準確地采集到微弱的心電信號，還要將干擾信號降到最低，由于心電信號屬于差分 信號，所以電路應采用差動放大的結構，同時要求系統具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點。因此，選擇合適的運算放大器至關重要，這里選擇儀用運放 AD620實現前置放大，AD620具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流低功耗等特點，使之適合ECG監測儀等醫療應用。AD620的放大倍數由1與8腳 之間的反饋電阻決定，增益G=49.4 kΩRG+1，由于心電信號中含有較大的直流分量，因此前置放大電路的放大倍數不能過大，在這里選擇放大約10倍，因此反饋電阻R6取約5 kΩ，為提高電路的共模抑制能力，這里用一個OP07檢測R10，R4上的共模信號驅動導線屏蔽層，消除分布電容。同時用另一個OP07運放和 R5，C3，R7組成右腿驅動電路，在R10，R4上檢測到的共模信號經反相放大器后經R7，反饋到人的右腿，進一步抑制了共模信號和50 Hz工頻干擾，這里右腿驅動有一個對交流電的反饋通路，交流電的干擾可能對人體產生危害，因此這里要注意做好絕緣措施，同時保護電阻R7盡可能大，取1 MΩ以上。此外系統電源的不穩定也對心電信號的采集有較大影響，因此在本系統中，所有運放的電源腳都并聯兩個0.1μF和10μF的電容退耦，提高系統的 穩定性，前置放大電路的電路圖如圖3所示。

圖3 前置放大電路

2.3 帶通濾波器的設計

從 前置放大電路輸出的心電信號還含有較大直流分量和肌電信號，基線漂移等干擾成分，所需采集的有用心電信號在0.03～100 Hz范圍之間，因此需設計合理的濾波器使該范圍內的信號得以充分通過，而該范圍以外的信號得到最大限度的衰減，這里采用具有高精度，低偏置，低功耗特點的 兩個OP07運放分別組成二階有源高通濾波器和低通濾波器，高通濾波器由C11，C17，R7，R10組成，截止頻率f1≈0.03 Hz，低通濾波器由R8，R9，C10，C13組成，截止頻率約為f2≈100 Hz，系統帶通濾波器的電路如圖4所示。