心电监测系统设计

赵静 肖清泉

摘要：文章基于STM32F4单片机为核心，设计了一款心电监测系统。本款设备主要设计了柔性线路板和多个电路模块，并实现了心电信号的采集、预处理、放大、AD转换、无线传输，最终在上位机界面上实时显示一条心电波形，且对心电数据进行保存或清除等操作。

关键词：STM32F4单片机；柔性线路板；心电信号处理

中图分类号：TP18      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）28-0090-03

1 引言

随着近几年科学技术的迅速发展，嵌入式和无线通信技术扮演着越来越重要的角色，医疗监护仪已逐渐向小型化、智能化、多功能化等方面的发展，且正在转向家用型[1]。健康意识的提升和移动互联网普及正带来一场医学的变革，健康信息的基础理论缺失和医工结合关键技术的缺乏制约着健康服务业发展。人体传感器网络的学术思想核心是针对个体，通过泛在式检测和交互干预，实现健康信息智能获取，健康状态辨识和反馈调节，从而在尽量不影响正常生活的情况下，推动个人—家庭—社区—医院互联互通的健康服务网络建立，同时弥补健康信息学的理论空白。

2 心电系统设计

心电监测系统是以最新一代低功耗、超强处理能力的STM32F4单片机为核心，用3.7V锂电池或5V电压经过稳压器输出1.8V，使各个模块处于正常工作状态。首先通过电极片采集心电信号，滤波后通过OPA4330运算放大器对心电信号放大，利用STM32F4单片机的AD功能把模拟心电信号转换为数字信号，然后采用串口方式把数据传送给蓝牙接收模块，最终使用上位机软件把接收到的二进制数据恢复成心电波形，并实时显示、保存数据或者清除数据等操作。电路整体方案见图1。系统的充电电路中带有红色和绿色两个LED指示灯，指示充电等状态。

2.1 一次性电极片的使用

随着医疗器械的飞速发展，心电监护仪和一次性心电电极等在临床上得到了广泛应用。在采集心电信号时，电极片与导联线相连接配合使用。一次性心电电极片的优点：方便、粘贴牢固、防止交叉感染，且在使用前需注意以下几项：

①使用前，可用湿棉布或消毒酒精棉擦拭要粘贴的身体部位，确保粘贴部位干净；

②粘贴时应轻轻按压，确保电极中心的导电胶紧贴皮肤[2]。

2.2 心电信号采集电路设计

在心电采集电路中，选用OPA4330放大器主要是具有稳定的性能，零漂移放大器可以提高心电波形的质量。心电采集电路见图2。INP接电极的正极，INN接电极的负极，RLD接电极的公共端，形成3导联的心电采集电路；采集的心电信号接入INP1、INN1两端，再通过两级RC低通滤波后输入到电压跟随器中，检测电极是否连接正常。若电压跟随器输出端为稳定的高电平时，表明电极脱落，需要进行调整；若其输出为微弱的低电平心电信号，则表明电极处于正常连接状态。RLD端也通过两级RC低通滤波电路，目的是去除人体携带的共模信号。在电路中设置了右腿驱动电路，利用并联负反馈使50Hz共模干扰信号降低到1%以下，提高共模抑制比。

2.3 蓝牙串口电路的设计

CC2640蓝牙主要应用在健康和医疗、穿戴医疗、智能家居终端、智能穿戴设备、体育和健身、心率监测仪器等方面，且需要较少的外围元器件，电路设计较简单，所以本文选用的是4mm×4mmRSM VQFN32封装的CC2640器件。它与STM32F4单片机相连接的引脚分别是PB6/UART1_RX和PB7/UART1_TX，用来实现蓝牙和STM32F4的串口通信；不论蓝牙模块处于任何状态，只要该BLE_WKUP的IO 口被拉低，模块将立刻被唤醒退出休眠模式；无论处于什么状态，若引脚被拉高，模块即可进入休眠模式；PC13_BTRST脚是蓝牙的复位脚，该脚被拉低则表示蓝牙模块复位。蓝牙模块电路原理图见图3。

2.4 充电电路设计

BL4054是一款采用恒定电压电流线性充电的芯片，具有可编程性、充电电流可达800mA、无需MOSFET、检测电阻器或隔离管、预设充电电压4.2V、精确度可达1%、检测充电电流输出、过压保护、自动再充电、低功耗待机模式、软启动限制浪涌电流等性能[3]。本文采用的是5脚SOT-23封装的BL4054芯片，通过给USB口上电，来启动BL4054充电模块，并利用STM32F4单片机的PA15的引脚端口控制充电状态。当检测到锂电池电压过低时，设置PA15的I/O口为高电平，红色LED灯由灭到亮，锂电池开始进行恒流充电模式。在充电开始阶段，电池电压值处于逐渐上升阶段；当电压上升至设定值4.2V时，便开始进入恒压充电模式，充电电流随时间逐渐减小，当达到预设的最小值后，红色LED灯由亮到灭，完成充电过程[4]。充电电路设计见图4。

2.5 電源模块设计

TPS73218电源芯片输出低压1.8V。VIN引脚由电池供电，EN引脚由单片机I/O口控制，当给EN端高电平时，芯片正常输出电压，若给EN端低电平时，关闭电源，减少功耗。由于负载脉动电压中含有交流成分，采用由电容和电感组成的复式滤波电路。电源电路见图5，由电感L3、电容C22和C23构成的π型滤波电路，把对交流阻抗大的电感元件与负载串联，以滤除较大的纹波电压；把对交流阻抗小的电容元件与负载并联，以滤除旁路较大的纹波电流。

3 柔性线路板设计

柔性线路板是以聚酰薄膜或聚酯亚胺为材料制成的，能够在二维平面上设计，三维平面上立体安装，具有可挠性、高密度布线、质量轻、厚度薄、散热性强、安装方便、提高空间利用率等特点[5]。因此柔性线路板的出现，实现了电子产品的高度集成化。为了实现心电监测设备能够更好地与人体表面相贴合、提高空间利用率。

本文设计的FPC线路板是一个四层板，为了保证底层的高度相同，因此本设计把所有的元器件都放置在顶层。四层板的第一层Top Layer和第四层Bottom Layer主要都是用来连接信号线；第二层GND Layer主要是放置地线；第三层VCC Layer主要是放置电源线。线路板的一到四层制板完成以后，为了避免电路板被氧化，在外层涂覆绝缘的树脂层，来更好地保护线路板；接下来将丝印层Top overlay使用白色的文字印刷在绝缘树脂层上面；然后对需要焊接的焊点进行镀金，保护端点，进行焊点测试，使线路板更稳定地工作，最后对多联片的线路板进行切割，再次对线路板进行测试，保证可靠性。

4 程序设计

采集到的心电信号通过软硬件结合实现低通滤波、高通滤波、去除50Hz工频和去基线漂移[6]。主函数主要是针对心电监测系统，先长按开关键，若时间超过3S，AD退出休眠模式、SIAT退出休眠模式；若时间未超过3S，系统仍处于休眠模式。长按启动键以后，系统开始工作，判断电极是否脱落，如果脱落时间超过5S，系统会停止采样再次进入休眠模式；若电极片连接正常，心电数据经过滤波、放大、采样转换。当心电数组存满时，通过蓝牙将心电数据发送至上位机。运行时电极检测电路会每隔3S运行一次，保证电极正常连接持续获取数据。如果电极有断开，则返回到初始状态。程序流程图见图6。

5 上位机应用程序设计

为了能够实时地观察到心电波形，保存数据、删除数据等操作，软件代码要具有很好的移植性，基于以上要求，本软件的开发是在Windows操作系统上设计的，运用DriverStudios中的DriverWorks为开发工具。运用DriverWorks设计USB驱动程序。然后将从机模块插入电脑USB接口中，电脑进行提示驱动设备安装成功，则可以正常使用。

PC机显示波形的原理是将下位机采集的二进制数据恢复成心电波形便于观察，首先根据采样频率的时间间隔恢复波形数据，组成数组，将数组送给波形图控件，进行显示[7]。系统用户界面主要用来显示波形、串口连接和提示连接等，根据界面上的按钮对心电数据采取相应的操作，PC机用户界面实时地显示心电波形见图7。

6 结束语

本文研究的心电监测系统主要适合于家庭或个人。该系统主要有心电信号采集、心电波形显示、数据存储、清除等功能。对于有心脏病史的患者可以监控自己的心电波形变化，给医生提供诊断的依据，提供最佳的治疗时间，这是一种预防心脏病突发的有效方法。

参考文献：

[1] 明琦翔，庞晓萌，吴晨.现代农业科技园与养老产业基地有机结合的研究[J].海峡科技与产业，2014（2）：85-87.

[2] 刘延勇.多频经胸电阻抗技术检测肺水肿的初步研究[D].西安：第四军医大学，2004.

[3] 王麗芳，宋仁旺，闫晓梅.高集成度的矿灯电源管理电路[J].太原科技大学学报，2014，35（4）：267-270.

[4] 侯秀杰，夏辉，雷天华，等.煤矿井下交换机的不间断供电系统设计[J].煤矿机械，2015，36（2）：22-24.

[5] 何继贤.柔性印刷电路板缺陷检测系统研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[6] 马健，陆为民.一种新型的动态心电数据存储器设计[J].中国医学装备，2010，7（3）：8-10.

[7] 林静.基于USB接口的虚拟心电监护仪设计[D].广州：华南理工大学，2009.

【通联编辑：唐一东】