(完整版)基于STM32的便携式心电图仪设计

目录1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11.1 心电图仪在医学领域中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11.2 便携式心电图仪的发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22 系统总体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42.1 主要功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42.2 系统设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53 便携式心电图仪的硬件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯63.1 最小核心系统的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73.1.1 处理器的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73.1.2 最小核心系统电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯83.2 人机交互界面的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯123.2.1 显示界面设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯123.2.2 按键设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143.3 前置放大电路以及右腿驱动电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153.4 滤波电路以及陷波电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯163.5 电源电路的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯184 便携式心电图仪的软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯194.1 软件开发平台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯194.2 软件系统整体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214.2.1 软件总体分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214.2.2 STM32 软件系统设计流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯214.2.3 软件总体流程图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234.3 信号采集程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯234.4 数字滤波程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯254.5 液晶程序设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯265 系统调试结果及误差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯275.1 调试手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯275.2 测量调试以及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯285.2.1 采集电路的测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯285.2.2 滤波算法测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯295.2.3 整体测试和结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯30 结束语⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯341 引言随着社会的进步、经济的发展以及人们生活水平的逐步提高，我国人口老龄化程度越来越严重，与此伴随的心脏病一类的疾病的发病率也不断攀升，人们的身体健康产生了巨大的威胁。

相关数据表明，我国因心脑血管疾病死亡的人数将近占总死亡人数的一半[1]。

根据相关部门的调查显示，我国每年大约有近一半的死亡病例为冠心病，而且死亡率还在逐年递增。

每年约有16 万名患者接受支架植入手术，手术施行每年的增长率超过了五分之一。

在我国因心脑血管疾病每年耗费达3000 亿元，由于受测试手段的局限，预防率、治疗率及控制率依然很低。

预防率是有效防治心脑血管疾病的关键因素，而且有效的方便的心电监测仪器是完成这一任务的有力工具。

1.1 心电图仪在医学领域中的应用人类的心脏有规律性的膨胀和收缩，从而使血液的循环。

在心脏肌肉每次收缩之前，都会产生一股微小的生物电流，加上人体的体液能够导电，这些微小电流可以通过体液的传递就会反映到人体的表面皮肤上。

不过受限于身体各部分组织不同、距心脏的距离不同，会造成体表的不同部位的电位有所不同。

通过捕捉这个现象，将心电图显示出来的心电检测仪器，根据这些人体生物电信号，我们可以从不同角度观察心脏的活动情况。

这是我们对心脏基本功能及其病理研究，具有重要的参考价值[2]。

心电图能够在一定程度上反映心律的运行状况，人的心肌受损的程度、发展过程以及心房、心室的功能结构情况都能通过它表现出来。

这些都可以在心脏手术和药物的使用上提供重要的参考[3]。

常规心电监护设备体积笨重、价格昂贵和不便于携带，但是随着社会生活水平的提高，医疗器械家庭化开始逐渐进入我们的日常生活，家庭化的心电图仪器功能没有专业的大型的医疗设备齐全，但是它具有体积小、操作简单的优点，同时可以在一定程度上满足了人们的基本应用。

我们可以用它在家庭或则其他地方很方便的进行心电图信号的测量，并根据进一步的处理，做基本的诊断，也可以把这些数据提交到专业机构做进一步的详尽的诊断。

这样也可以避免那些行动不便的病人，利用互联网技术，把数据通过远程传送的方式，提交到专业机构或指定的医院惊醒专业诊断和分析。

为了能够在更多场合更方便的诊断，各种各样的便携式心电图设备应运而生，常规心电图仪由于笨重只能在病人静卧的情况下记录的心电活动，历时时间短，获取的信息量很少，所以在有限时间内有些非正常的情况被发现的概率也是很低的。

而便携式监护装置可以在随时随地的进行实时监护，并把数据存储起来。

这样不仅可以节省时间，还可以得到实时的监护，所以研发便携式心电监护产品具有重要意义。

本文主要研究的便携式心电图仪，即将普通心电图设备小型化、家庭化，具有低价位、体积小、便于携带和使用方便等特点。

1.2 便携式心电图仪的发展状况1887年英国生理学Einthoven 通过对毛细管的静电计记录了心动的电流图[4]。

1895 年他开始了对心脏动作电流的进一步研究，并通过对德?阿森瓦尔氏的镜影电流计的设计改进，提高了心电图的质量。

1903 年他成功的设计了弦线式电流计，通过反射镜记录心动电流，解决了以前测量设备的惰性大，记录误差大以及需要繁琐的数学计算等缺点。

同时，他又制定心电图的影线在纵坐标上波动1cm，代表1mV 的电位差，在横坐标上移动1cm 为0.4秒的标准。

这种方法简单直观，并采用P、Q、R、S、T 等字母标出心电图上的各波，这种标记方法一致沿用至今。

1912 年在他深入研究了正常心电图的波动范围后，提出了著名的“爱因托芬三角”理论。

1924 年Einthoven 教授获得了诺贝尔生理学和医学奖[5]。

总之这位被尊称为“心电图之父”的生理学家对心电图的创立及发展有着巨大的贡献。

心电图从此开始逐步走进协助诊断疾病，并通过发展被广泛应用于临床。

随着社会的发展，心电图检测理论越来越成熟与完善，另外机械、电子、计算机等技术的迅猛发展，带动了医疗器械发生了革命性变化，极大的增强了心电图机的功能。

随着现代科学技术的发展，特别是计算机、微电子、机械电子在医疗领域的广泛应用，极大的促进了心电设备的发展。

目前各大医疗器械厂商都投入巨资开发性能更强、功能更加完善的心电设备，比如欧姆龙、北京超思、亚新、均在该领域的研究与生产上有所突破。

综观当前心电检测仪器发展趋势，主要向以下几个方向发展：（1）系统化随着医院计算机管理网络化、信息存储介质和IC 卡等的应用及Internet 的全球化而产生的。

电子病历是信息技术和网络技术在医疗领域的必然产物，我国卫生部先后在2010，2011 发布了关于电子病历系统的规范和通知文件。

而实时心电数据将在该系统中有着重要的作用。

（2）数字化随着计算机科学、机械电子的迅猛发展，医疗器械的数字化程度越来越高，比如数字滤波器的使用，极大的降低了心电干扰，提高了心电判断的准确率。

（3）无线化无线传感技术的发展能够促使心电检测无线化，从而摆脱传统心脏检测的繁琐程序。

同时，能减轻病人的心里紧张程度，实现心电检测的方便性。

（4）自动化自动测量和分析是医疗仪器的发展方向，使医疗器械智能化是目前医疗器械设计的目标之一。

（5）远程化计算机技术、网络通信技术的快速发展，为远程医疗的实现提供了可能，将心电数据通过远程传输，在远端对心电数据加以分析处理并提出诊断结果，从而实现远程医疗。

如目前出现的基于GPRS 网络的远程心电监护系统就是这个发展趋势的体现。

总之，科技不断进步，人们的需求也在变化，心电图是记录心脏电活动状态的记录，包括心脏节律和频率以及电压的高低等信息，可用于诊断各种心律失常、心肌病变、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。

同时对心脏病的诊断和治疗也提供了确切的理论依据。

设计符合市场需求的产品是企业生存的根本，利用高科技带来的技术革命去更新医疗器械更是一个巨大的市场机会，我们相信，在未来几年里，家庭化的监护设备必将越来越普及[6]。

2 系统总体设计由于心电信号的微弱性，我们对心电信号的提取具有一定难度。

另外受到50Hz 及其倍频干扰和极化电压的影响，对前置放大器和信号滤波电路的设计提出了更高的要求。

因此在设计前端硬件电路时，要根据信号的特征，选择最佳的器件。

同时便携式设备必须是低功耗设备这限制了多数的微处理器，锂电池供电对信号仅仅用硬件滤波还不能达到分析信号的要求，硬件滤波的一个缺点是，要想获得更好的滤波效果，必须设计更高的阶数，而这无疑会增加系统的体积。

因此还有必要采用软件滤波的方法，这就对处理器的速度和软件的优化提出了更高的要求[7]。

采取软件滤波即设计数字滤波器，数字滤波器有多种，这样就必须寻找一种行之有效的滤波算法。

2.1 主要功能本文的目的是通过先进微处理器的应用研究的主要内容是通过将嵌入式技术、数字信号处理技术和信号采集技术的结合，设计一个能够完成信号提取和分析功能的嵌入式心电图监测系统。

主要研究工作如下：(1) 心电图仪的硬件设计：采集电路：准确提取生理信号，把信号处理为可供采集分析的有效信号；处理电路：完成信号的采集、滤波、显示、分析和传输等。

(2) 心电图仪的软件设计：STM32 芯片各模块初始化程序；数字滤波处理程序；人机交互界面的程序设计；2.2 系统设计方案系统原理结构图如图1 所示。

心电信号由电极获取，送人心电采集电路，经前置放大、主放大、高低通滤波，得到符合要求的心电信号，并送入到STM32 的ADC 进行AD 转换。

为了更好地抑制干扰信号，在电路中还引入了右腿驱动电路。

系统控制芯片采用STM32，TFT-LCD 的触摸功能加上少量按键可以建立良好的人机交互环境，可以通过LCD 实时显示和回放，数据通过USB 可靠地传输到PC 机，以便对心电数据做进一步的分析。

系统主要硬件结构及电路系统主要划分为三大部分：心电采集电路，主要完成心电信号的提取；带通滤波及主放大电路，用于调理采集到的信号，使之符合处理要求；STM32 处理电路，完成心电信号的显示和分析功能。

图1 系统原理结构图整个系统有以下几个部分组成：（1）采集电路：主要有前置放大电路、带通滤波电路和主放大电路组成，心电信号由电极获取后送入心电采集电路，经处理后得到符合要求的心电信息。

（2）处理电路：主要完成对心电数据的滤波、陷波、放大、分析、显示和传输控制。

（3）按键电路：完成良好的人机交互。

（4）显示电路：实时显示出心电波形和心电相关信息。

（5）上位机设计：在PC 机上处理和显示心电波形。

（6）电源电路：设计稳定可靠的电源电路，为整个系统提供电源，降低系统功耗。