基于stm32的便携式心电图仪毕业设计

基于stm32的便携式心电图仪毕业设计内容摘要：

电图仪的硬件 设计 便携式心电图仪要求具有可移动性和再开发性，不仅便于携带、功能尽可能的完善 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 5 能够实时对心电信号进行处理，而且要求随着发展可以进一步升级满足人们更多的需求。 本心电图仪集信号的采集、处理、传输三大功能于一体。 对于这些功能，即需要相对独立的模块化设计，又需要良好的协调。 因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针 对性的进行器件的选择和设计。 总体电路要遵循 ： (1) 选择合适的处理器，尽量选择片上系统（ System on Chip， SoC）设计硬件系统，减少硬件复杂度并降低成本。 (2) 选择典型电路，按照模块化设计，系统扩展与 I/O 的配置充分满足应用系统的功能要求，并留有适当冗余，以便进行二次开发。 (3) 注重软硬件结合，软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，降低能耗和设备成本。 (4) 必须考虑芯片的驱动能力，有必要的可靠性及抗干扰设计它包括去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等 [8]。 最小核心系统的设计 以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格 综合性要求的专用计算机系统，由硬件和软件两部分有机的结合在一起，作为一种典型的嵌入式应用 [9]。 由于便携式心电图仪有很强的可移动性，便于使用者携带，同时也要求功能完善，能够实时对心电信号进行处理。 集信号采集 — 处理 — 传输三大功能于一体。 对于这些功能，即需要相对独立的模块化设计，又需要良好的协调。 因此，在开发过程中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针对性的进行器件的选择和设计。 处理器 的选择 处理器相当于人体的大脑机制，整个系统在处理器合理指挥调度下才能完成我们赋予他们的任务，所以一款合适的处理器对于整个系统来说是非常重要的。 经过综合考虑本设计对 处理器的选择主要从以下 五 个方面来考虑： (1) 处理器的处理速度：在本设计中，处理器不仅要进行滤波处理，同时还要实时显示出心电波形，在通信的情况下还要与 PC 机进行通信，因此，处理器要有较高的处理速度。 (2) 处理器在完成任务的复杂程度：在本设计中，处理器要负责信号的采集、信号的滤波处理、心电波形的显示、数据存储以及通信。 (3) 尽可能简化 外围电路的复杂程度 ：一个系统中所使用的元器件越多、电路结构越复杂，则系统的出问题的概率越大，可靠性与稳定性越差。 因此在选择 MCU 的时候，希望 MCU 内部集成功能单元越多越好，这样就能简化系统设计，增加系统的可靠 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 6 性及稳定性。 (4) 尽可能减少生产成本：在本系统中，由于多数属于 家庭使用及野外环境的不确 定性因素较多，对于普及性的大众化产品 ，希望替换成本越低越好，其中 处理器 的成本占了整个系统的 重要的 一部分，能够降低 处理器 的成本也就 从而 降低 了产品的总成本。 (5) 尽可能底的功耗：便携式设备对低 功耗的要求都较高，必须最低限度的减少功耗，手持式设备的续航能力也是众多参数比较受关注的一点，如何能有长时间的续航能力也是我们需要注意的一点。 综合以上几 个方面， 最终选用了意法半导体公司推出的新型 32 位 ARM 内 核处理器 芯片 STM32 系列中的 STM32F103ZET6。 最小核心系统电路的设计 STM32F103x 增强型系列 芯片 使用高性能的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 内核，工作频率为 最高可达 72MHz，内置高速存储器 (高达 128K 字节的 FLASH 和 20K 字节的SRAM)，丰富的增强 I/O 端口和连接到两条 APB 总线的外设。 所有型号的器件都包含2 个 12 位的 ADC、 3 个通用 16 位定时器和一个 PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达 2 个 I2C 和 SPI、 3 个 USART、一个 USB 和一个 CAN。 工作电压为。 图 2 是 STM32F103x 的模块框图 [9]。 STM32 微控制器有如下优点： (1) STM32 内部有高达 128K 字节的内置闪存存储器，用于存放程序和数据。 多达 20K 字节的内置 SRAM， CPU 能以 0 等待周期访问 (读 /写 )。 这样在我们所设计的系统中就去掉了以往很多嵌入式项目设 计中所需要的用于外部程序存储器的 Flash 芯片和用于外部数据存储器的 SRAM 芯片，大大节约了系统成本，提高了系统可靠性及稳定性 [10]。 (2) STM32 增强型系列拥有内置的 ARM 核心，因此它与所有的 ARM 工具和软件兼容。 这给项目的开发工作带来了很大的便利，因为在以前的工作中曾经使用过其他ARM 核心的微控制器，所积累的经验在本项目的开发中得到了充分发挥。 而且由于可用于 ARM 开发的工具软件很多，大大加快了项目开发的速度和效率。 (3) STM32 的内部 FLASH 是在线可编程的。 在我们的项目中，设 备运行的配置参数 会存储在 FLASH 中的固定位置，每次启动设备时，程序会读取这些参数来进行初始化。 但在某些情况下，需要远程设置或修改配置参数。 这一功能使得可以在不用接JTAG 烧写器的情况下根据 USART 接口接收到的数据来修改 FLASH 中的配置参数，在设备再次启动时，就会读取新参数来进行初始化。 (4) STM32 有优秀的功耗控制。 高性能并非意味着高功耗。 STM32 经过特殊处理， 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 7 针对应用中三种主要的功耗需求进行优化，这三种能耗需求分别是运行模式下的高效率的动态耗电机制、待机状态时极低的电能消耗和电池供电时的 低电压工作能力 [11]。 (5) STM32 拥有强大的库函数。 它采取与以往不同设计方法，通过把各个外设封装成标准库函数 的方式，屏蔽了底层硬件细节，能够使开发人员很轻松地完成产品的开发，缩短系统开发时间。 图 2 STM32F103x 的模块框图 STM32 固件库。 STM32 固件库提供易用的函数可以使用户方便地访问 STM32 的 各个标准外设，并使用它们的所有特性。 USB 开发工具集。 在更广的应用领域中， USB 功能的实现将变得越来越方便，因 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 8 为 USB 开发工具集提供了完整的，经过验证的固件包，使得用户可以顺利地开发各个类的 USB 固件。 (6) STM32F103xx 增强型支持三种低功耗模式，可以在要求低功耗、短启动时间和多 种唤醒事件之间达到最佳的平衡。 总之， STM32 芯片在项目中的使用，使得整个系统的运行效率、稳定性、功耗、生产成本等都比同类系统有了较大的提升。 本设计中最小核心系统设计图如图 3 所示。 图 3 最小核心系统设计图 由图 3 中可以看出，在设计 STM32 最小系统时要注意一 下几个部分： (1) 复位电路：利用 RC 电路的延时特性，设计了简单的复位电路，有此可简单计算出延时时间，这里用一个 10 k 电阻和 181。 F 的电容，时间延时大约为 ，符合STM32 系统芯片的复位要求。 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 9 (2) 晶振电路：这里选用两个晶振，首先 8M 无源晶振，晶振两端分别通过 22pF的电容接地，另一个 的晶振使用的 15pF 的电容接地电路简单，并能很容易的就能使晶振起振。 (3) 芯片上的 BOOT0 和 BOOT1 引脚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 0O 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 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 10 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 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，中键是确定键，这样就实现 了既可以用触摸功能，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。 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 11 图 5 按键接口电路 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 基于 STM32 的便携式心电图仪设计 12 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。