一款基于STM32的心电采集及分析处理系统的设计

随着社会的进步，经济的发展，人口老龄化的成都越来越严重，心脏病作为一种常见的慢性疾病，也是长期以来一直威胁着人类的健康，及时的发现和预防在减少心血管疾病危害中极为重要，心电图作为检测心脏疾病的主要依据，目前还是在特定的场合才能够使用，而且价格非常昂贵，仅每年就有约16万名患者接受支架手术，每年的增长率超过了20%。我国每年在心脏疾病中的耗费就达到了3000亿元。

由于场合限制和价格原因，导致病人得不到实时监控，对病人的病情诊断和治疗时极为不利的。便携式的心电图仪不仅能够实时给病人检查，还能够将病人所得到的心电图后发送给医生做进一步的判定。通过大容量的存储器件能够对患者进行长时间的监护，并记录心电数据。

1、系统设计方案

系统设计主要是便携与数据处理能力，在体积，能耗上能够符合正常的工作和生活的要求，同时不给使用者带来额外的影响。因此控制芯片采用STM32系列的F107芯片，设计的要求根据心电信号的特点，应具备放大倍数在400-1000之间，滤波器带宽为0.05HZ-100HZ，共模抑制比要大于80dB，工频信号幅值不高于心电信号的6%，误差不高于6%。

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因此设计的系统原理结构图如图1所示。系统中采用STM32的内部采用的是ADC进行AD转换，进一步提高精度可以替换为外部的AD，控制系统采用的是外部按键和LCD触摸屏来完成。可以实时回放心电图及传送到上位机进行存储。

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：准确提取心电信号，把信号处理为可以提供分析的有效信号。

2）处理电路：主要包括滤波、显示、存储、分析、传输等。

3）按键电路：完成开始、暂停等功能。

4）显示电路：完成心电图的显示与回放功能。

5）上位机设计：在PC机上进行心电信号的存储，并转换为心电图形。

6）电源电路：提供系统所需的电压。

2、硬件设计

心电图仪的硬件电路包含处理器、存储电路、通用接口等。硬件设计上需要考虑成本和便携性，因此需要考虑这些特殊要求。有针对性的去选择和设计。总体要求是，选用适合的处理器，满足计算要求即可，便于开发，避免造成开发上的浪费。注重软件设计，在软件能够解决的情况下，尽量采用软件去解决问题，简化硬件结构，降低成本。

心电信号驱动电路采用电源为3-5V，电流小于0.5mA，量程为0-4mV，信号的增益为950倍，输入阻抗为1000000M，共模抑制比为65dB。

控制系统采用STM32F107的最小系统，参照芯片手册来完成。人机交互界面采用彩色的LCD，颜色丰富，尺寸为4.7寸，TFT材质的液晶屏。

存储模块的电路设计，基于STM32有512K字节的闪存，64K的SRAM，本设计采用MicroSD卡作为系统存储器，使用SDIO作为通信接口。

电源电路采用的是ASM1117芯片，直接输出3.3V电压。

3、软件设计

软件采用的是Keil5进行ARM开发。该系统将采用模块化的编程，将分为SD卡驱动、LCD驱动、触摸驱动、采用滤波计算、控制模块驱动等。最后通过整体的整合进行统一调试。

系统软件主要分为两个大的部分：

1）下位机软件，主要是STM32的驱动程序，主要完成心电信号的采集，软件滤波、实时时钟模块、液晶显示模块和通信模块。主程序是一个while（1）的无限循环程序，不停的扫描指令，并完成相应的功能。

2）上位机软件。上位机的控制主要是读取下位机的信息，通过串口与下位机进行通讯，获得下位机采集到的心电信号和存储的心电信号，并在上位机界面上显示出来。

4、结论

本系统实现了基于嵌入式的心电图仪的开发。以低廉的成本完成了设备的开发，同时体积小，能够实现实时监测的功能。在熟悉硬软件开发环境后，采用模块化的设计，把整个系统划分为多个小模块逐步实现。

科技的高速发展，为医疗器械的发展带来了极大的机遇，利用高科技带来的技术革命去更新医疗器械是一个巨大的市场机会。嵌入式技术的发展必将为人类医疗事业带来巨大的帮助。为每一个家庭服务。