基于STM32的心電采集設(shè)計

1 總體設(shè)計方案

心電采集包括模擬采集和數(shù)字處理兩部分，本設(shè)計通過AgCl電極和三導(dǎo)聯(lián)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(jīng)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(nèi)，STM32通過定時器設(shè)定A/D采樣頻率，通過均值濾波的方式對得到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，最后在彩屏上描繪出心電圖形，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控模塊電路設(shè)計

主 控模塊的STM32F103VET單片機(jī)是控制器的核心，該單片機(jī)是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本和低功耗的增強(qiáng)型單片機(jī)，其內(nèi)核采用 ARM公司最新生產(chǎn)的Cortex—M3架構(gòu)，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(shù)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(jī)管腳排列圖如圖2所示。

圖2 STM32F103VET單片機(jī)管腳排列圖

2.2 前置放大電路的設(shè)計

前 置放大電路是模擬信號采集的前端，也是整個電路設(shè)計的關(guān)鍵，它不僅要求從人體準(zhǔn)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(yīng)采用差動放大的結(jié)構(gòu)，同時要求系統(tǒng)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(yùn)算放大器至關(guān)重要，這里選擇儀用運(yùn)放 AD620實現(xiàn)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(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。AD620的放大倍數(shù)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(shù)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(qū)動導(dǎo)線屏蔽層，消除分布電容。同時用另一個OP07運(yùn)放和 R5，C3，R7組成右腿驅(qū)動電路，在R10，R4上檢測到的共模信號經(jīng)反相放大器后經(jīng)R7，反饋到人的右腿，進(jìn)一步抑制了共模信號和50 Hz工頻干擾，這里右腿驅(qū)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(chǎn)生危害，因此這里要注意做好絕緣措施，同時保護(hù)電阻R7盡可能大，取1 MΩ以上。此外系統(tǒng)電源的不穩(wěn)定也對心電信號的采集有較大影響，因此在本系統(tǒng)中，所有運(yùn)放的電源腳都并聯(lián)兩個0.1μF和10μF的電容退耦，提高系統(tǒng)的 穩(wěn)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(shè)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(shè)計合理的濾波器使該范圍內(nèi)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(yùn)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(tǒng)帶通濾波器的電路如圖4所示。