基于stm32的便携式心电图仪设计(编辑修改稿)

基于stm32的便携式心电图仪设计(编辑修改稿)内容摘要：

分别通过跳线帽可选高低电平，以改变芯片启动模式，其启动模式具体如下表 1 所示。 表 1 启动模式说明 (4) 模块有 4 个数字电源供电引脚， 1 个模拟电源供电引脚以及相应的接地引脚。 在电源端要注意接滤波电容，模拟地和数字地引脚之间最好通过 0 欧 电阻隔离。 电源和地之间加若干去藕电容。 人机交互界面 的 设计 人机交互界面是人与机器进行沟通交流的 设备，它可以把人的指令传入给 MCU，也可以让设备显示出我们所想知道的信息。 显示界面设计 首先，针对要完成一款便携式心电仪的设计，那么在 LCD的选择上，就要符合实际的需要，必须要考虑功耗和成本。 对于人机交互部分，显然采用单色液晶显然已经不能满足的需要，因 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 13 此把 LCD 的选择定位在了彩色液晶上。 主要从以下几个参数做出选择： (1) 颜色要丰富。 从美观角度来讲，在液晶上不同类型的数据最好能够以不同的颜色来区分。 比如波形、汉字、数字最好颜色不同。 所以在液晶的颜色上要达到一定的数量。 (2) 尺寸。 便 携式式是本系统设计时的一个指标，因此液晶的尺寸不易过大，但也要便于观察，选择时要符合实际情况，过大则不便于随身携带，过小则可能出现汉字或数字不便于观察等问题。 (3) 功耗。 对于便携式嵌入式设备来说，低功耗是一般都作为一项重要的指标，在外边使用时能够尽可能地延长电池的工作时间 (4) 材质。 液晶主要有两类： STN 型和 TFT 型，后者较之前者显示效果更佳，但耗电能方面也高于前者。 (5) 价格。 正如上面所提到的，性价比高是本系统设计的一个目标，因此要可能的用符合设计要求价格低廉的产品。 因此，根据上 述几点本设计选用了 寸真彩 TFT 液晶触摸屏， 320*240像素， 26 万色， 16 位并行接口，可以直接用 AVR、 ARM STM32等 MCU 驱动。 相关参数：  分辨率： QVGA 240 x 320  尺寸： 英寸  控制器： IL9320  触摸屏： 4 线电阻式  接脚： 30PIN 间距  背光： 4 LED 并联 具体接口电路设计如图 4 所示 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 14 图 4 LCD显示界面借口 按键设计 对于实现人机交互的场合，按键是比较常用的，通过按键来选 择系统的功能，完成对系统的访问控制。 本系统用了 5 个按键，分别定义为上、下、 左、右、中键，前四个按键是对设置或访问的液晶显示对象进行选择，中间 是确定键，这样就实现了既可以用 按键 功能，也可以用按键来实现对系统的设置，按键电路的实现比较简单，这里不再详述。 具体电路实现如图 5 所示。 图 5 按键接口电路 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 15 前置放大电路以及右腿驱动电路 前置放大电路要完成的功能是实现信号的差分放大，该部分电路在整个采集电路中至关重要，因为后续信号的处理都是以此为基础的。 因此要选择一款合适的差分运放芯片。 选择时一般考虑以下几点： (1) 增益 由于心电信号非常微弱，均值在 1mV 左右，而采集电压一般要达到 1V 左右，所以心电放大倍数在 1000 倍左右。 一般为了抑制零点漂移，提高共模抑制比，应该分多级实现放大。 (2) 频率响应 所谓频率响应是指放大器对不同信号频率的反应，心电信号的范围低于 100Hz，所以要求放大器要对此频率范围的信号尽可能不失真的放大出来。 可以设计高通、低通滤波器来压缩频带，滤除该频带以外的干扰信号。 必要时还需要设计 50Hz 工频干扰抑制电路，通过这样处理后，得到的信号才可能有诊断价值。 (3) 共模抑制比 电极不对称、电气设备运行时的干扰都易产生极化电压，然后通过放大电路其值极有可能远比心电信号大得多，从而将微弱的信号淹没。 因此要求放大器有很高的共模抑制比。 一般要求要达到 80db 以上。 (4) 输入阻抗 心电信号是微弱的，且具有高阻抗的特性，只有高输入阻抗才有可能不失真的引出心电信号，不然由于分压的因素，会极大的衰减心电信号，从 而导致无法正确采集。 (5) 低噪声、低漂移 在心电放大器中，还有两个较重要的参数即噪声和漂移。 在设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，提高输入阻抗。 另外，温漂会引入直流电压增益从而给心电信号带来干扰。 因此，选用的放大器要特别注意这两个参数。 综上所述该方案选用具有上述 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 16 优点的 AD620， 具体 设计电路图如图 6 所示。 图 6 前置信号采集电路 由于人类受到大量的外部干扰， 心电电极和电力线之问由于存在电容耦合会产生位移电流 Id， 降低位移电流干扰的一种有效办法是采用右腿驱动法，图 7为右腿驱动的具体连接电路。 右腿不直接接地而是接到辅助运算放大器的输出。 从 两个 电阻结点检出共模电压，它经过辅助的反相放大器放大后通过电阻反馈到右腿。 采用右腿驱动电路，对 50Hz干扰的抑制并不以损失心电信号的频率成分为代价。 但由于右腿驱动存在交流干扰电压的反馈电路，而交流电流经人体，成为不安全因素，限流电阻通常在 1MΩ以上。 图 7 右腿驱动电路 滤波电路以及陷波电路的设计 为滤除干扰需要设计带通滤波器，使频率为 ～ l00Hz 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 17 的心电信号通过，该范围以外的信号将大幅度衰减掉。 滤波器有无源滤波器和有源滤波器两种。 无源低通 滤波器是由无源器件（电阻，电容，电感）组成。 其带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高，这个缺点不符合信号处理的要求 [12]。 因此本设计选用有源低通滤波器。 由 RC 元件与运算放大器组成的滤波器称为 RC 有源滤波器，其功能是让一定的频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。 具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的。 只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的特性。 常用的方法是巴特沃斯（ Butterworth）逼近和切比雪夫（ Chebysher） [13]逼近。 保证信号的原形，采用较平坦的巴特沃斯 有源滤波。 高通滤波器的设计与低通滤波器相似，这里不再叙述。 带通滤波器用高低通滤波器来构成，如图 8 所示。 高通滤波器由 U C Rdip11 组成，其截至频率为 f=，低通滤波器由 U Cdip Rsop4 组成，截至频率为 f=110Hz。 图 8 带通滤波电路 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， 所以本设计增加了 50Hz 陷波电路 ， 如图 9 所示通过该 方法来滤除工频干扰，实验结果表明，通过高低通滤波后 再加上陷波电 路 的信号波形 清晰、特征明显。 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 18 图 9 50Hz 陷波电路 电源电路的设计 电源电路是整个系统中十分重要的一环，随着便携式产品的普及，如何降低功耗成为工程师面临的急需解决的问题。 如果电源不稳定可能造成系统不能正常工作，严重的甚至烧坏芯片引发事故。 因此电源管理越发显得重要。 电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。 电源电路设计主要考虑用哪种类型的电源器件，输入输出电压，输出电流以及控制状态 [15]。 心电采集电路需要土 5V 电源， STM32 工作电压为 ， 本设计用 电池供电，中正负 5V 电压可以采用 7805 和 7905 来产生，它 通过外围的电感电容的组合提供升满足运放使用的正电压和负电压， 图 10 是其典型应用。 图 10 正负 5V 电源电路 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 19 的电压采用 AMS1117 产生，其最大的特点是简单易用，而且性价比高，输入电压 5V~12V，直接输出。 电路如图 11所示。 图 11 AMS1117稳压电路 4 便携式心电图仪 的 软件 设计 该系统的软件设计沿用经典 的是模块化的编程思想，首先 根据要求 设计好系统 的总 软件流程，然后 再 分 别实现系统 各模块 的功能。 在完成硬件电路设计和电路 制作后，再进 行整体 的统一 调试。 本章主要讨论系统软件在 STM32 上的编程与实现。 软件开发平台 Keil 是德国 Keil 公司（现已并入 ARM 公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前 ARM 内核单片机开发的主流工具。 Keil提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（ uVision）将这些功能组合在一起。 uVision 当前最高版本是uVision3,它的界面和常用的微软 VC++的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。 uVision3 IDE 是一款集编辑，编译和项目管理于一身的基于 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 20 窗口的软件开发环境。 uVision3 集成了 C 语言编译器，宏编译，链接 /定位，以及 HEX 文件产生器。 如图 12 所示， 是它的 一个典型的调试 窗口 ， 它主要包括 以下几个窗口： 图 12 Keil MDK开发环境  工程区：用于访问文件组和文件，调试是可以查看 CPU寄存器。  输出窗口 ： 显示编译结果，以便快速查找错误的地方，同时还是调试命令输入输出窗口，也可以用于显示查找结果。  内存窗口：显示指定地址内村里的内容。 查看和调用  堆 栈窗。