李昊霖 徐凌樺

0 概述

科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平日新月異，醫(yī)療水平逐漸提高，人們越來越關(guān)注自己和家人的健康狀況。在眾多生理信號中，心電信號的監(jiān)測一直都是各國研究者們深入研究和學(xué)習(xí)的重點，由于傳統(tǒng)的ECG 儀器相對較大并且依賴于PC 和顯示器顯示器，而從國內(nèi)外心電圖儀的發(fā)展趨勢來看，新型心電監(jiān)測設(shè)備越來越便攜化，智能化，遠(yuǎn)程化。因此，便攜性和易操作是目前家用心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)備亟待解決的問題[1]。在這樣的背景下，本文設(shè)計了一款使用STM32F103ZET6 作為主控芯片，AD8232 芯片作為前端采樣，ADC 配合DMA快速采集傳輸心電信號，再對所采集心電信號進(jìn)行處理，最后根據(jù)使用者需求選擇顯示方式，從而實現(xiàn)一款輕便小巧、操作簡單、低成本的心電監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的心電監(jiān)測系統(tǒng)由STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)、AD8232 模擬前端、OLED顯示模塊、HC-05 藍(lán)牙模塊組成，醫(yī)用AgCl 采樣電極通過單導(dǎo)聯(lián)的方式將感知的心電信號傳輸?shù)紸D8232 模塊，進(jìn)行初步信號調(diào)理及放大后，由STM32 單片機的ADC 采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將采集的心電信息通過OLED 模塊或者上位機顯示出來。

2 硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

選用STM32F03ZET6 芯片作為主控單元，該芯片采用的CPU 是 ARM 的 32 位 Cortex-M3，擁有片上 128K 的閃存，還有20K 的RAM，同時內(nèi)置了3 個12 位精度的片上AD/DA 轉(zhuǎn)換器以及串行端口外設(shè)。并支持各種外設(shè)，如定時器，ADC，SPI，USB，IIC 和UART。使得它在簡單的電路上就能執(zhí)行信號采集和數(shù)據(jù)濾波。

2.2 AD8232 模塊

綜合考慮性能和成本性能方面，選擇AD8232 作為本次設(shè)計的模擬前端。AD8232 采用雙極點高通濾波器來消除運動偽像和電極半電池電位[2]。AD8232 模塊的默認(rèn)的外圍電路連接配置為0.5Hz 的雙極點高通濾波器，以及雙極性40Hz 低通濾波器。同時通過驅(qū)動第三電極來實現(xiàn)最佳共模抑制。除了40Hz 濾波功能外，運算放大器的增益也配置為11，因此系統(tǒng)總增益為1 100[3]。選擇AD8232 的原因是因為單芯片模擬信號鏈前端芯片大大方便了系統(tǒng)設(shè)計。

2.3 OLED 模塊

顯示屏的選擇方面主要考慮價格，因為各種屏幕都能實現(xiàn)功能，所以根據(jù)經(jīng)費情況，選擇性價比最高的0.96 的128*64 OLED 顯示屏模塊作為心電監(jiān)測的屏幕。

2.4 HC-05 藍(lán)牙模塊

在與主機的數(shù)據(jù)通信中，選擇最經(jīng)典的HC-05 藍(lán)牙模塊，數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)街鳈C。在本設(shè)計中，它可以通過TX 和RX接口連接到STM32F103ZET6。該模塊非常靈活，使用方便。

2.5 按鍵及LED 電路

為了實現(xiàn)更好的人機交互，本設(shè)計通過三個按鈕來實現(xiàn)硬件側(cè)的模式選擇和相關(guān)的功能切換。物理按鈕可用于使操作方便可靠，用戶可以通過簡單地顯示和指導(dǎo)了解如何操作硬件。按鍵1 選擇本地模式，按鈕2 選擇上位機模式。在本地模式中，按鈕3 用于在本地模式下顯示心電圖之后顯示心率。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件算法設(shè)計

系統(tǒng)軟件流程設(shè)計為上電后，需要通過按鈕選擇系統(tǒng)的工作模式，有上位機模式和本地模式兩種工作模式，本地模式下又可選擇顯示心電圖或者顯示心率。選擇本地模式后，系統(tǒng)可以與上位機分開工作，實現(xiàn)心率波形的測量顯示和心率計算。在本地模式下，測量的開始和結(jié)束以及測量后的顯示數(shù)據(jù)可以分別由兩個按鈕控制;當(dāng)選擇上位機模式時，系統(tǒng)通過藍(lán)牙將所有采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧恐鳈C，上位機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。

3.2 ADC 及 DMA 算法配置

本次設(shè)計應(yīng)用ADC 的定時器觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換功能，再通過DMA 傳輸數(shù)據(jù)。通過設(shè)置好的時間間隔觸發(fā)ADC 轉(zhuǎn)換，就能夠做到ADC 的定時采樣轉(zhuǎn)換的功能，之后可以在程序的死循環(huán)中不斷檢測DMA 的轉(zhuǎn)換完成狀態(tài)標(biāo)志位，轉(zhuǎn)換完成之后的數(shù)據(jù)才可被讀取。DMA 配置為雙緩沖機制，類似于乒乓操作模式，建立2 個緩沖區(qū)緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)1 存滿時，接收的數(shù)據(jù)自動傳送到緩沖區(qū)2，并對緩沖區(qū)1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，因此交替采樣濾波可以大大提高系統(tǒng)的工作速度，同時也保證數(shù)據(jù)接收不受暫停影響，非常高效實用。

3.3 數(shù)字濾波器設(shè)計

本設(shè)計的工頻陷波和高通濾波均采用IIR 濾波器來設(shè)計。IIR 濾波器的設(shè)計借助MATLAB 的FDATOOL 工具包可以直接生成相關(guān)參數(shù)。再通過工具箱提供的將其參數(shù)翻譯成C 語言形式的功能，復(fù)制到STM32 的程序中可直接應(yīng)用該濾波器。

4 結(jié)果測試與改進(jìn)

在分別完成心電采集系統(tǒng)的硬件及軟件部分后，得到了下圖1 的顯示效果，存在較大誤差，在綜合分析了多種可能情況后出的結(jié)論為：（1）測試電路搭建太簡陋使用了較多杜邦線（2）AD8232 模塊與導(dǎo)聯(lián)線接觸不良。在檢查了原因后我對測試電路做出了改進(jìn)。在通過硬件改進(jìn)以及數(shù)字濾波器的使用后，得到下圖2 心電信號顯示效果，可以看到顯示效果有了明顯的改善。

圖1 改進(jìn)前

圖2 改進(jìn)后

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款基于STM32 單片機的心電監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)心電信號的監(jiān)測，以及通過本地OLED 屏幕顯示或者將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機來顯示心電圖及心率。顯示效果良好，可以很好地完成心電信號的監(jiān)測，實現(xiàn)心電監(jiān)測設(shè)備的小型化、便攜化、遠(yuǎn)程化。