基于STM32 单片机的心电监测系统

2020-08-14李昊霖徐凌桦

科技视界 2020年22期

李昊霖徐凌桦

0 概述

科学技术发展水平日新月异，医疗水平逐渐提高，人们越来越关注自己和家人的健康状况。在众多生理信号中，心电信号的监测一直都是各国研究者们深入研究和学习的重点，由于传统的ECG 仪器相对较大并且依赖于PC 和显示器显示器，而从国内外心电图仪的发展趋势来看，新型心电监测设备越来越便携化，智能化，远程化。因此，便携性和易操作是目前家用心电监护仪设备亟待解决的问题[1]。在这样的背景下，本文设计了一款使用STM32F103ZET6 作为主控芯片，AD8232 芯片作为前端采样，ADC 配合DMA快速采集传输心电信号，再对所采集心电信号进行处理，最后根据使用者需求选择显示方式，从而实现一款轻便小巧、操作简单、低成本的心电监测设备的设计。

1 系统结构

本文设计的心电监测系统由STM32F103ZET6 最小系统、AD8232 模拟前端、OLED显示模块、HC-05 蓝牙模块组成，医用AgCl 采样电极通过单导联的方式将感知的心电信号传输到AD8232 模块，进行初步信号调理及放大后，由STM32 单片机的ADC 采集并进行数据处理，最后将采集的心电信息通过OLED 模块或者上位机显示出来。

2 硬件设计

2.1 主控芯片

选用STM32F03ZET6 芯片作为主控单元，该芯片采用的CPU 是 ARM 的 32 位 Cortex-M3，拥有片上 128K 的闪存，还有20K 的RAM，同时内置了3 个12 位精度的片上AD/DA 转换器以及串行端口外设。并支持各种外设，如定时器，ADC，SPI，USB，IIC 和UART。使得它在简单的电路上就能执行信号采集和数据滤波。

2.2 AD8232 模块

综合考虑性能和成本性能方面，选择AD8232 作为本次设计的模拟前端。AD8232 采用双极点高通滤波器来消除运动伪像和电极半电池电位[2]。AD8232 模块的默认的外围电路连接配置为0.5Hz 的双极点高通滤波器，以及双极性40Hz 低通滤波器。同时通过驱动第三电极来实现最佳共模抑制。除了40Hz 滤波功能外，运算放大器的增益也配置为11，因此系统总增益为1 100[3]。选择AD8232 的原因是因为单芯片模拟信号链前端芯片大大方便了系统设计。

2.3 OLED 模块

显示屏的选择方面主要考虑价格，因为各种屏幕都能实现功能，所以根据经费情况，选择性价比最高的0.96 的128*64 OLED 显示屏模块作为心电监测的屏幕。

2.4 HC-05 蓝牙模块

在与主机的数据通信中，选择最经典的HC-05 蓝牙模块，数据通过串口传输到主机。在本设计中，它可以通过TX 和RX接口连接到STM32F103ZET6。该模块非常灵活，使用方便。

2.5 按键及LED 电路

为了实现更好的人机交互，本设计通过三个按钮来实现硬件侧的模式选择和相关的功能切换。物理按钮可用于使操作方便可靠，用户可以通过简单地显示和指导了解如何操作硬件。按键1 选择本地模式，按钮2 选择上位机模式。在本地模式中，按钮3 用于在本地模式下显示心电图之后显示心率。

3 软件设计

3.1 系统软件算法设计

系统软件流程设计为上电后，需要通过按钮选择系统的工作模式，有上位机模式和本地模式两种工作模式，本地模式下又可选择显示心电图或者显示心率。选择本地模式后，系统可以与上位机分开工作，实现心率波形的测量显示和心率计算。在本地模式下，测量的开始和结束以及测量后的显示数据可以分别由两个按钮控制;当选择上位机模式时，系统通过蓝牙将所有采集的数据传输到安卓主机，上位机负责数据处理。

3.2 ADC 及 DMA 算法配置

本次设计应用ADC 的定时器触发ADC 转换功能，再通过DMA 传输数据。通过设置好的时间间隔触发ADC 转换，就能够做到ADC 的定时采样转换的功能，之后可以在程序的死循环中不断检测DMA 的转换完成状态标志位，转换完成之后的数据才可被读取。DMA 配置为双缓冲机制，类似于乒乓操作模式，建立2 个缓冲区缓冲区。当缓冲区1 存满时，接收的数据自动传送到缓冲区2，并对缓冲区1 中的数据进行滤波处理，因此交替采样滤波可以大大提高系统的工作速度，同时也保证数据接收不受暂停影响，非常高效实用。

3.3 数字滤波器设计

本设计的工频陷波和高通滤波均采用IIR 滤波器来设计。IIR 滤波器的设计借助MATLAB 的FDATOOL 工具包可以直接生成相关参数。再通过工具箱提供的将其参数翻译成C 语言形式的功能，复制到STM32 的程序中可直接应用该滤波器。

4 结果测试与改进

在分别完成心电采集系统的硬件及软件部分后，得到了下图1 的显示效果，存在较大误差，在综合分析了多种可能情况后出的结论为：（1）测试电路搭建太简陋使用了较多杜邦线（2）AD8232 模块与导联线接触不良。在检查了原因后我对测试电路做出了改进。在通过硬件改进以及数字滤波器的使用后，得到下图2 心电信号显示效果，可以看到显示效果有了明显的改善。