基于ADS1298的便携式心电采集卡的设计

何超文，冯智毅

广州医科大学附属第三医院 医疗设备科，广东 广州 510150

引言

心电图（Electrocardiogram，ECG）是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的诊断参考价值[1-3]。在临床上，可辅助医生做出准确的诊断，比如诊断心率失常、心肌缺血、心肌炎及心包炎等[1-3]。随着移动式医疗设备概念日渐升温，便携式设计是设备开发的一个新热点。由此可见，便携式心电检测设备显得尤为关键和具有市场发展前景。然而，目前的传统心电检测设备存在体积较大、便携性差、价格昂贵、封闭式设计及扩展性差等劣势，不利于心电检测的功能扩展和基础研究，为临床使用者和科研学者带来各种不便。随着电子和计算机技术的进步和发展，开发出更多便携性高、使用灵活、成本低和性能多样的设备成为可能，例如流动性体检、家庭心电检测跟踪、远程心电诊断检测等[4-5]。这类设备的特点是以ECG提取为核心，辅以特定功能需求的外围设备，实现各类使用需求的衍生式设备。这类设备核心在于一个性能优异及扩展性高的心电采集模块，并在外设电路设计方面做针对性考虑，可提升设备的设计效率。

针对上述需求，本文设计一种心电检测的核心采集卡，可作为各类心电检测特定需求的基础平台。该采集卡是选用单片机STM32作为主控，搭配医疗模拟前端芯片ADS1298构成的数据采集器，完成人体心电信号的数据采集。同时，本文以该采集卡完成一个心电采集测试，结果表明本采集卡可完成心电信号的采集与存储，并具备便携性高、低成本、使用方便及扩展性强的优点。

1 心电采集卡框架

本文的心电采集卡采用模拟信号和数字信号分区混合设计方案[6]，其结构框架框如图1所示。心电采集卡主要由隔离电源、SD卡、单片机STM32和数据采集器组成，实现心电信号采集及存储一体化和小型化。其中，信号通路主要是：电极所采集人体心电信号传输至数据采集器中完成信号调理及A/D转换为数字信号，并存储于SD卡中。功能丰富的STM32可搭配不同特定功能需求的外围设备，实现各样衍生式心电检测设备。

图1 心电采集卡设计结构框架

2 采集卡硬件设计

2.1 单片机控制器

单片机控制器选用市场上一款以意法半导体ST公司的STM32F103ZET6作为主控制器的最简核心板，其基于Cortex-M3内核的32位高速ARM微处理器，系统工作频率高达72 MHz，内置flash 512 KB和SRAM 64 KB，可存储程度复杂的程序代码和建立数据缓存空间[7-8]。其具有丰富的总线接口，如SPI、I2C、SDIO和USART等，可用于控制数据采集器和读写SD卡[8]。同时，STM32F103主控的数据总线及功能接口丰富，可搭配各种特定功能需要的外围设备，可衍生出不同使用目的的心电采集设备。

2.2 数据采集器

为了更好地提取出心电信号和保护人体，本采集卡的数据采集器由预处理电路和医疗级模拟前端芯片ADS1298电路构成。从电极引出的心电信号先经过预处理电路调理后，再传入ADS1298电路进行信号放大、滤波及A/D转换。

2.2.1 预处理电路

预处理电路图如图2所示，本数据采集器的所有通道均接有预处理电路，此电路由一阶无源低通滤波和限幅电路组成，由RC元件组成100 Hz截止频率的低通滤波[9-10]，用于实现信号采集的抗混叠和消除电路的高频噪声；限幅电路利用二极管单向导通特性，实现钳位保护效果，防止电路的过高电压对人造成伤害。

图2 预处理电路

2.2.2 医疗模拟信号前端芯片

本数据采集器的主要功能由TI公司的医疗模拟前端芯片ADS1298实现，该芯片专为心电生理信号采集设计的，其特点是八通道，4 µVpp低噪声，32 kHz高采样率，24倍可编程增益PGA，115 dB高共模抑制比、低功耗0.5 mW/通道、内置基准电压以及振荡器等[11]。芯片内部集成有医疗心电采集应用所需的全部常规功能，如右腿驱动、电极掉落检测和威尔逊中心终端等[11-15]。此外，该芯片集成SPI通信接口，传输速度高达4 MB/s，可实时准确地传送所采集的心电数据。SPI接口是一种高速的、全双工及同步的通信总线，只占四根线，可节约管脚和使电路设计简单。由于芯片ADS1298具有高度集成特性以及性能优良，可简化电路复杂度，减少PCB布局空间，提高心电采集卡的便携性、稳定性和抗干扰性。

本数据采集器应用电路如图3所示，设计为数字时钟采用芯片内置时钟振荡器，参考电压采用外部提供的+2.5 V及±2.5 V双电源供电模式，采集器的模拟地和数字地经零电阻接通，启用内置右腿驱动反馈至电极RLD，可抑制共模信号干扰[15-18]。芯片SPI的四引脚/CS、SCLK、DOUT、DIN和数据完成信号脚/DRDY分别接STM32的PC5、PA5、PA6、PA7、PC4引脚，可将心电数据有效快速传输至STM32中。

图3 ADS1298功能简化架构

2.3 供电电源部分

结合本心电采集卡的便携式开发目标，采集卡的供电方式采取干电池供电。本电源部分结构如图4所示。干电池组的输出电压VCC先经过DC-DC电源隔离芯片DCR010505再进入之后的各电源芯片中[19]。其中，利用线性稳压芯片TPS73625和反向电荷泵芯片TPS60403对输入电压VCC进行变换，为本采集卡提供±2.5 V模拟电压AVDD/AVSS；利用电压芯片REF3313可把输入电压降为+3.3 V，为本采集卡提供+3.3 V数字电压DVDD。本干电池组由四节1.2 V、1300 mAh的镍氢电池串联提供，经各芯片数据手册理论计算可续航大约20 h。

此外，一个稳定的基准电压是A/D高精度转换的关键，因此本采集卡的基准电压由芯片REF5025和OPA350组成。电源芯片REF5025具有高精度0.05%、低温漂3 ppm/℃的优点，运放OPA350作用是缓冲基准电压，为A/D转换提供一个高性能的+2.5 V参考电压Vref。

图4 供电电源框架

2.4 数据存储器

本采集卡内有一块金士顿8 GB的SD记忆卡，其负责存储所采集的心电信号原始数据，数据采集器所记录的心电数据为24 bit格式，估计其可存储约16 h长度的心电数据。本采集卡的STM32主控通过SDIO总线与SD卡进行数据读写通信，读写速度高达18 MB/s。STM32内核通过FATFS文件系统管理SD卡的读写数据，让数据读写程序变得更加简便规范[20]。

3 采集卡软件设计

3.1 采集卡固化程序

本采集卡中SMT32固化程序采用Keil软件作为开发环境，包括数据采集模块、按键模块、主控模块及SD卡读写模块。固化程序通过烧录器下载至STM32中，断电后重新上电也即可正常工作。其中，数据采集模块负责通过STM32对芯片ADS1298进行初始化、控制采集及数据调取的任务；按键模块负责人机交互的选择作用；主控模块负责调度各子模块间有条不紊的配合工作；SD卡模块负责存储心电信号原始数据，用作离线分析。

3.2 采集卡工作流程

本采集卡的工作流程如图5所示，步骤为：①采集卡上电后，首先初始化采集卡所有系统参数；②启动采集卡的外围设备自检，并初始化数据采集器，红灯1亮，提示操作人可准备开始心电记录；③检测开始按键是否按下，若是则灯2亮和灯1灭，数据采集器ADS1298开始采集人体心电数据，在STM32中断进程读出数据；④单片机STM32将数据采集器ADS1298所采集的心电原始数据存储于SD卡中，或传输至外围设备中；⑤检测停止按键是否按下，若没有按下，则循环进行步骤②、③和④；反之，则灯2灭灯1亮，指示心电信号采集结束。

4 采集卡测试

旨在验证本心电采集卡所采集到的数据结果的正确性、可靠性和稳定性，对本采集卡进行了准确性及稳定可重复性的验证。本文设计了一个三导联的心电信号采集测试，如图6所示，数据采集器的通道正输入端接左手，负输入端接右手，右腿电路输出端接右腿，。电极安置、测试操作和参数等均按常规ECG记录要求[21]。

图5 采集卡的工作流程

图6 本采集卡实物及实际应用

本采集卡在内设的Micro SD卡中新建了一个ecg.txt文本文档，用于存储所采集的心电信号原始数据，如图7所示，方便日后随时离线分析研究数据。

对通过本采集卡所采集并存储于SD卡内的心电数据，利用软件Matlab作离线数据处理，用plot工具重新画出心电信号波形，如图8a所示。由图8a中可见，所采集的原始心电数据除了有心电信号基本成分，还混杂着工频干扰等噪声。如图8b为经过Matlab软件的50 Hz陷波数字滤波处理后的心电信号波形，清晰可见心电信号基本成分波形，由此可得本心电采集卡能基本完成心电信号的采集和存储。

图7 存储于SD卡的心电原始数据

图8 同组数据的原始心电波形与50 Hz陷波处理后的心电波形对比

5 结论与展望

本文所提出的基于ADS1298的便携式心电采集卡，选用单片机STM32作为主控，搭配医疗模拟前端芯片ADS1298构成的数据采集器，完成人体心电信的数据采集。以此采集卡为核心，辅以特定功能需求的外围设备并通过合适的传输技术，可搭建各类衍生式心电检测设备。经测试结果表明，本心电采集卡不但满足心电信号记录的要求，并且具有便携式高、低功耗、低成本、低噪声及抗干扰强的特点。未来，本文可针对不同的特定使用目的，辅以不同功能的外围设备，尝试开发出各类心电检测平台，并考虑可于STM32中增加更多数字滤波处理，保证所采集的心电信号质量，可提高采集成功性。