基于STM32芯片和TFT-LCD的便携式心电图仪设计

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，以提交到医疗机构做进一步分析和诊断。

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24h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。

图1 心电图仪原理框图

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，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0.05～100Hz，幅度为10μV～4mV，典型值为1mV，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0～3.3V，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1000倍，然后再通过电平抬升电路抬高1V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（50Hz），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80dB以上。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）

图2  心电前置放大电路及右腿驱动电路

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1000倍，计算公式为G=1+50k/Rg。电极极化电压可达300mV，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=5.6kΨ，外部电阻Rg选用阻值为5.6kΨ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跟随作为信号缓冲。为了更好地抑制50Hz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。

2.2、带通滤波及主放大电路

心电信号频带主要集中在0.05～100Hz，因此带通滤波器设计的带宽为0.03～110Hz以滤除干扰信号。带通滤波器用高低通滤波器来构成，如图3所示，基于小型化和成本考虑，硬件滤波只用一阶高通滤波器和一阶低通滤波器，虽然设计了右腿驱动电路，但是仍然有50Hz干扰进入电路，本文不再设计50Hz陷波器，而改为用软件的方法通过设计数字滤波器来滤除工频干扰。

图3  高、低通滤波电路

图3中高通滤波器由U5A、C4、R6组成，设置其截至频率为f=0.03Hz，低通滤波器由U5B、C5、R7组成，设置其截止频率为f=110Hz。

主放大电路要放大100倍左右，为更好地适应实际应用加入滑动变阻器使其倍数可调。心电采集电路处理后的波形如图4所示。

图4  示波器采集到的波形

从图4看出示波器采集到的心电波形比较干净，符合心电波形的特征，同时看到该波形还有一些波纹，即50Hz干扰存在，经过软件滤波可以消除这些干扰。

2.3、STM32处理器及主要接口电路

2.3.1、TFT-LCD液晶接口设计

选用320＊240TFT液晶来显示波形，而用STM32的FSMC模块来控制液晶就非常合适。FSMC即灵活的静态存储控制器，它能够与同步或异步的存储器和16bit的PC存储器卡接口，其一大特色是访问外部设备的时序可编程：等待周期可编程、总线恢复周期可编程、输出使能和写使能延迟可编程、独立地读写时序和协议。这样就可以把液晶当做外部存储设备来使用，配置好读写及控制信号时序，只要指定指针就可以实现对液晶的读写访问。

2.3.2、SD卡接口与USB数据传输设计

SD卡有存储容量大、成本低、读写速度快的优点，正逐渐成为存储设备的主流。其访问方式有两种：SPI模式和SDIO模式。STM32有这两种模式的接口，本文选用SPI模式。接口电路如图5。

图5  SD卡接口电路

心电数据的存储对便携式心电图仪来说是必要的，本文在存储设计上实现了两个功能：一是支持24h心电数据存储;二是建立基于SD卡的文件系统，把心电数据存储为TXT文件格式。这样处理有一个优点，既可以用心电图仪的USB接口与PC机进行数据传输，也可以把SD卡拔下来用读卡器把数据读入PC机。

STM32内含USB模块，因此省去了外扩USB芯片，另外ST公司还提供了大量USB的实例，只需稍加修改就可应用到实际工程中，加快了开发进程。图6是USB读取SD卡中的数据截图。

图6 SD卡存储的心电数据

3、软件设计

软件采用功能模块化设计方法，通过分析，可以得到控制系统主程序和ADC中断程序的软件流程图，主程序主要完成图形菜单和波形绘制。ADC中断服务子程序完成电压的采集和标志位的传递。图7为绘制心电波形流程图，图8为ADC中断程序流程图。ADC设置为外部触发。DrawEcgflag是画图标志位，Savefalg是存储标志位。

图7  绘制心电波形程序流程图

图8  ADC中断子程序流程图

4、测试结果分析

将三个电极的一端分别接到人体的左右臂和右腿，令一端接入采集电路的三个输入端，在采样频率200Hz时的波形如图9所示。

图9  采样频率200Hz时液晶显示的波形

从图9中TFT液晶显示的波形看出，该心电图仪显示波形清晰、稳定，波形特征明显，能够满足实际应用的需要。

5、小结

采用STM32作为主控芯片，其内部包含丰富的功能模块，拥有标准和先进的通信接口，无需外扩芯片即可完成心电信号的采集、存储和数据通信。使得整个心电图仪具有体积小、功耗低的特点。满足了便携式设备的基本要求。实验表明该系统达到了预期效果。随着心血管疾病的发病率不断地逐年上升，这种便携式心电图仪具有很高的应用价值和良好的市场前景。