如今，心血管類疾病已經(jīng)成為威脅人類身體健康的重要疾病之一，而清晰有效的心電圖為診斷這類疾病提供了依據(jù)，心電采集電路是心電采集儀的關(guān)鍵部分，心電信號屬于微弱信號，其頻率范圍在0.03~100 Hz之間，幅度在0~5 mV之間，同時心電信號還摻雜有大量的干擾信號，因此，設(shè)計良好的濾波電路和選擇合適的控制器是得到有效心電信號的關(guān)鍵。基于此，本文設(shè)計了以STM32為控制核心，AD620和OP07為模擬前端的心電采集儀，本設(shè)計簡單實用，噪聲干擾得到了有效抑制。

1、總體設(shè)計方案

心電采集包括模擬采集和數(shù)字處理兩部分，本設(shè)計通過AgCl電極和三導(dǎo)聯(lián)線心電采集線采集人體心電信號，通過前置放大電路，帶通濾波電路，50 Hz雙T陷波后再經(jīng)主放大電路和電平抬升電路把心電信號的幅度控制在STM32的A/D采集范圍內(nèi)，STM32通過定時器設(shè)定A/D采樣頻率，通過均值濾波的方式對得到的數(shù)字信號進行處理，最后在彩屏上描繪出心電圖形，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2、硬件設(shè)計 2.1 主控模塊電路設(shè)計

主控模塊的STM32F103VET單片機是控制器的核心，該單片機是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本和低功耗的增強型單片機，其內(nèi)核采用Cortex-M3架構(gòu)，最高工作頻率72 MHz、512 kB的程序存儲空間、64 kB的RAM，8個定時器/計數(shù)器、兩個看門狗和一個實時時鐘RTC，片上集成通信接口有兩個I2C、3個SPI、5個USART、一個USB、一個CAN、一個SDIO，并集成有3個ADC和一個DAc，具有100個I/O端口。主控單片機管腳排列圖如圖2所示。

圖2 STM32F103VET單片機管腳排列圖

2.2 前置放大電路的設(shè)計

前置放大電路是模擬信號采集的前端，也是整個電路設(shè)計的關(guān)鍵，它不僅要求從人體準確地采集到微弱的心電信號，還要將干擾信號降到最低，由于心電信號屬于差分信號，所以電路應(yīng)采用差動放大的結(jié)構(gòu)，同時要求系統(tǒng)具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點。因此，選擇合適的運算放大器至關(guān)重要，這里選擇儀用運放AD620實現(xiàn)前置放大，AD620具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流低功耗等特點，使之適合ECG監(jiān)測儀等醫(yī)療應(yīng)用。AD620的放大倍數(shù)由1與8腳之間的反饋電阻決定，增益G=49.4 kΩRG+1，由于心電信號中含有較大的直流分量，因此前置放大電路的放大倍數(shù)不能過大，在這里選擇放大約10倍，因此反饋電阻R6取約5 kΩ，為提高電路的共模抑制能力，這里用一個OP07檢測R10，R4上的共模信號驅(qū)動導(dǎo)線屏蔽層，消除分布電容。同時用另一個OP07運放和R5，C3，R7組成右腿驅(qū)動電路，在R10，R4上檢測到的共模信號經(jīng)反相放大器后經(jīng)R7，反饋到人的右腿，進一步抑制了共模信號和50 Hz工頻干擾，這里右腿驅(qū)動有一個對交流電的反饋通路，交流電的干擾可能對人體產(chǎn)生危害，因此這里要注意做好絕緣措施，同時保護電阻R7盡可能大，取1 MΩ以上。此外系統(tǒng)電源的不穩(wěn)定也對心電信號的采集有較大影響，因此在本系統(tǒng)中，所有運放的電源腳都并聯(lián)兩個0.1μF和10μF的電容退耦，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，前置放大電路的電路圖如圖3所示。

圖3 前置放大電路

2.3 帶通濾波器的設(shè)計

從前置放大電路輸出的心電信號還含有較大直流分量和肌電信號，基線漂移等干擾成分，所需采集的有用心電信號在0.03~100 Hz范圍之間，因此需設(shè)計合理的濾波器使該范圍內(nèi)的信號得以充分通過，而該范圍以外的信號得到最大限度的衰減，這里采用具有高精度，低偏置，低功耗特點的兩個OP07運放分別組成二階有源高通濾波器和低通濾波器，高通濾波器由C11,C17,R7，R10組成，截止頻率f1≈0.03 Hz，低通濾波器由R8，R9，C10，C13組成，截止頻率約為f2≈100 Hz，系統(tǒng)帶通濾波器的電路如圖4所示。

圖4 帶通濾波器

2.4 50 Hz雙T陷波器設(shè)計

工頻是心電信號中最主要也最常見的干擾源，雖然前面的右腿驅(qū)動電路對其有一定的抑制作用，但是仍有較大部分進入了后面的電路，因此有必要設(shè)計截止頻率為50 Hz的帶阻電路來進一步濾除干擾，帶阻電路也稱陷波器，顧名思義，帶阻電路就是使某特定頻率范圍內(nèi)的信號大幅衰減，而對該頻率范圍外的信號幾乎不產(chǎn)生影響。雙T陷波電路是典型的帶阻電路，在雙T網(wǎng)絡(luò)中，兩個T型網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)是對稱的，如圖5所示的50 Hz雙T陷波電路中，R13=R14=2R16=R=32 kΩ，C20=2C19=2C18=C=200 nF，本質(zhì)上是由兩個T型高通濾波器和低通濾波器并聯(lián)組成，圖5所示電路的截止頻率f0=1/2πRC≈50 Hz。

圖5 50Hz 帶阻濾波器

2.5 主放大以及電平抬升電路設(shè)計

心電信號的幅度約為0~4 mV,STM32 AD轉(zhuǎn)換的輸入電平要求為3.3 V,因此，為了單片機能夠處理采集到心電信號，需將采集到的模擬信號放大800~1 000倍。前置放大電路已放大了10倍，理論上主放大電路約放大100倍即可。為確保信號不失真，一般單級放大不超過10倍，因此，可采取兩級放大的方式來達到放大100倍的效果，U9固定放大10倍，U11的反饋電阻采用可調(diào)電阻，這樣就可以通過變阻器的調(diào)節(jié)達到放大100的效果。此外，因為STM32單片機的A/D采集不能采集負電平，因此這里設(shè)計了如U7所示的電平抬升電路把心電信號提到0電平以上，方便單片機采集。

圖6 主放大以及電平抬升電路電路

3、軟件設(shè)計

得到心電信號后要輸入STM32進行AD采集和軟件濾波，最終送LCD實現(xiàn)波形顯示，單片機初始化后，程序設(shè)計定時器每6 ms中斷一次，在中斷函數(shù)里，對讀取到的A/D值采取均值濾波的形式濾除干擾，然后把之轉(zhuǎn)換與彩屏對應(yīng)的坐標值，在彩屏上畫線實現(xiàn)波形的實時顯示，整個系統(tǒng)的程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

4、測試結(jié)果分析

通過電極片和三導(dǎo)聯(lián)線在人的左臂，右臂，右腿部采集心電信號經(jīng)前端模擬電路和STM32處理后，最后在示波器和彩屏上得到的心電信號如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)效果展示圖

從彩屏和示波器上所得的心電圖來看，50 Hz工頻信號和基線漂移得到了較好的抑制，從示波器上可看出，相鄰兩個波峰之間的時間大約為900 ms,這與真實的心電信號基本吻合，圖像清晰穩(wěn)定，能夠較好地反映人體心電特征。

5、結(jié)束語

本設(shè)計實現(xiàn)的是以STM32為控制核心，以AD620,OP07為模擬信號采集端的小型心電采集儀，該設(shè)計所測心電波形基本正常，噪聲干擾得到有效抑制，電路性能穩(wěn)定，基本滿足家居監(jiān)護以及病理分析的要求，整個系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本低廉，具有一定的醫(yī)用價值。