基于Cortex-M3的心电采集仪的设计

段水平

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410004)

基于Cortex-M3的心电采集仪的设计

段水平

(长沙理工大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410004)

介绍了一种简单易用的便携式心电信号的采集系统。系统采用STM32处理器,选用AgCl电极及Ⅲ导联线从强噪声环境下采集提取人体心电信号,再经OP07和AD620A、OPA2604为核心元件的模拟前端对采集到的心电信号进行滤波放大,并通过STM32单片机进行数字化处理,得到能够反映人体实际心电特征的信号,且在LCD上实时显示出来。该设计简单,系统功耗低、稳定性高,适合于心血管病人家庭使用。

STM32;AD620;OPA2604;心电信号

心血管类疾病一直是医学界的重要疾病,心电检测则是一种重要的辅助诊断方法,心电采集电路是心电采集仪的关键部分,心电幅度只有mV级,属于微弱信号,其频率范围在0.05～100 Hz之间,幅度在0～4 mV之间,且信号中易混杂其他电信号,使心电噪声变大[1-2]。因此,设计良好的调理电路和选择合适的控制器才能提取有用信息。基于此,设计选用32位ARM内核处理芯片STM32F103ZET为控制核心,OP07和AD620为模拟前端,本设计简单稳定,心电信号得到了实时显示。

1 总体设计方案

系统包括模拟采集和数字处理部分两部分,设计通过电极和Ⅲ导联线采集人体心电信号,通过前置放大处理,带通滤波处理,50 Hz双T陷波处理后再经主放大处理和电平抬升处理,通过配置ADC相关寄存器控制A/D采样频率,通过陷波滤波后在彩色屏幕上描绘出心电图形,系统实现框图如图1所示。

图1 系统实现方框图

2 硬件设计

2.1 微处理器的选型

系统采用了ST公司基于Cortex-M3为内核的32位微处理器STM32F103VET[3-6],最高频率为72 Hz,该芯片的设计满足低功耗、集成性高、实用性强的要求,它内部集成了最大储存空间为512 kB的Flash和64 kB的SRAM,以及大量的I/O口和外设连接在APB总线上,丰富的片上资源降低了系统功耗的同时也简化了系统硬件。

2.2 前置放大电路

通常用电极提取的心电信号较弱,需要前置放大电路将心电信号放大,同时对共模干扰信号有较好的抑制,它将干扰信号降到最低的同时能从人体准确地采集到微弱的心电信号,同时要求系统具备高共模抑制比(CMRR)、高输入阻抗、低噪声等特点,在整个系统中起着重要的作用。这里选择运放AD620实现前置放大,AD620有较高的共模抑制比,噪声系数小,放大频带宽,精度较高,其核心是三级运放电路,适用于小信号的前置放大电路。但输入阻抗较低,设计中加入了一个缓冲电路。AD620的1、8引脚外接增益反馈电阻。在这里选择放大约10倍[7],Rg=49.4/(G-1),计算得反馈电阻R6应为5.1 kΩ。右腿驱动电路以一个OP07运放和R6,C3,R7组成,在电阻R10,R4上获得的共模信号送入反向放大器后经R7,再连接到人的右腿,这样就使得工频干扰信号得到有效地降低,大幅提高了系统的共模抑制比。此外在所有运放的电源脚都并联两个10 μF和0.1 μF的退耦电容以提高系统的稳定性,前置放大电路如图2所示。

图2 前置放大电路

2.3 带通滤波器的设计

带通滤波器的作用就是使在0.05～100 Hz范围内的用心电信号保留下来,而在此范围之外的噪音信号最大程度地衰减。 这里采用具有超低谐波失真、低噪声、高增益带宽特点的俩个OPA2604运放分别组成二阶有源高通滤波器和低通滤波器[8],高通滤波器截止频率f1≈0.05 Hz,低通滤波器截止频率约为f2≈100 Hz,如图3所示。

2.4 50 Hz双T陷波器设计

尽管对工频做了一定的抑制,但工频干扰仍影响了后续电路,因此这里设计了带阻电路来进一步滤除工频干扰,这些谐波频率分量通过50 Hz陷波[10-11],然后通过一个二阶压控电压源低通滤波器,降低高频率的肌电干扰与电开关容滤波引起的开关噪声,从而达到较好的滤波效果。

图4 具正反馈的双T陷波电路

这里陷波采用正反馈双T陷波电路,两个T型网络的参数相同,图4所示电路的截止频率计算公式为f0=1/2πRC,约为50 Hz。

2.5 主放大以及抬升电路设计

系统采用STM32内部的A/D转换模块,其输入电平为3.3 V,而心电信号的幅值为0～4 mV。预设采集到的模拟信号增益放大800倍以达到要求。前置放大电路已增益10 dB,理论上主放大电路约放大增益80 dB即可。通常单级放大不超过10倍以确保信号不失真,因此,这里采用两个OPA2604放大的方式以达到放大要求,U9固定放大10倍,U11的反馈电阻采用可调电阻,这样就可以通过变阻器的调节达到放大80 dB的效果。采集信号经过两级放大后含有双极性电平,而STM32内部A/D采集只能采集正电平,因此设计了电平抬升电路消除负电平以确保心电波形的完整性。

图5 主放大电路及电平抬升电路

3 软件设计

主程序系统初始化后,打开全局中断,等待中断响应,程序通过定时器隔一段时间中断一次,把A/D读取到的值软件滤波,最后转换为相对屏幕的坐标,实现心电波形显示。如图6所示。

图6 软件流程图

4 测试结果

通过AgCl电极及Ⅲ导联线在人的左臂,右臂,右腿部采集,将得到的心电信号经模拟电路处理和STM32转化,在系统启动20 s后在示波器上得到稳定波形,如图7所示。

图7 示波器显示效果图

从示波器上所得的心电图来看,工频干扰和噪声干扰得到了较好的抑制,得到图形与医用仪器所测的心电信号基本吻合,能够反映人体心电信号。

5 结束语

系统有模拟和数字俩部分构成,根据心电信号微弱、噪声强等特点,模拟部分以OP07、AD620、OPA2604为核心构成了前置放大电路,带通滤波电路,陷波器,主放大电路及电平抬升电路,心电信号通过模拟电路处理后基本满足采集要求,再由STM32微控制器实现A/D转换,最后在彩屏上显示。采集的心电波形基本符合要求,噪声得到有效滤除,基本满足日常监护要求。

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Design of an Electrocardiogram Acquisition Instrument Based on Cortex-M3

DUAN Shuiping

(College of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004,China)

This paper introduces a portable data acquisition system for acquiring ECG signals,which is easy to operate.The system adopts the STM32 processor,the AgCl electrode and Ⅲ lead wire collecting human ECG signals from environments with strong noise.The signals are then filtered and amplified through the analog front end which has OP07,AD620A,and OPA2604 as the core component.Finally the signals are digitalized by using STM32 SCM with signals which can reflect the actual ECG features obtained and displayed on the LCD in real time.The design has the advantages of simplicity,low power consumption,high stability,and is therefore suitable for families of cardiovascular patients.

STM32;AD620;OPA2604;ECG-single

2014- 08- 19

段水平(1988—),男,硕士研究生。研究方向:嵌入式系统与智能控制。E-mail:251556032@qq.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.026

R540.4+1;TP368.2

A

1007-7820(2015)04-095-03