简易心电图仪设计报告

简易心电图仪 设计 制作人: 余波(2010080060021) 张雯霁(2010013100033) 李翔鹏(2010013100004) 摘要:针对心电监护设备体积笨重、价格昂贵和不便于携带的局限性,设计了一种基于STM32芯片能够实时监控并且价格低廉的便携式心电信号采集仪。相比静态心电监护仪,具有可移动化、便于携带和实时的优点。能够存储24 h心电数据并可以通过USB接口与PC机进行数据传输。采用TFT-LCD实时显示心电波形,具有良好的人机交互界面。 1.系统整体设计 1.0引言 心脏病作为一种常见多发慢性疾病,长期以来一直威胁着人类的健康,及时发现和预防在减少心血管疾病危害中极为重要。而心电图则是治疗此类疾病的主要依据,但是目前由于心电图机的应用场合的限制和HOLITER的价格非常昂贵,使得病人得不到实时监控,这对病人的病情诊断和治疗是极为不利的。便携式心电图设备的出现使心电信号能够在更多场合进行采集,它既可以实现可移动化,又可以实时的对心电信号进行。通过内置大容量存储器件能够对患者进行长时间的实时监护,并记录患者的心电数据,通过USB接口与PC机进行数据传输,以提交到专业医疗机构做进一步分析和诊断。 1.1系统整体设计概述 系统原理框图可以用图1表示。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、电平抬升后,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,采用SD卡可以存储24 h的心电数 据,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。 2.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、分析、存储和数据传送功能。 2.1心电采集电路 心电采集电路是整个便携式心电图仪的核心,直接决定整个系统性能的好坏。心电采集电路主要包括:输入缓冲及前置放大、右腿驱动、高低通滤波器、主放大和电平抬升。体表心电信号的频率主要集中在0.05~100 Hz,幅度为10mV~4 mV,典型值为1 mV,是一种低频率的微弱双极性信号。而STM32的ADC输入端电压范围是0-3.3 V,因此需要对心电信号进行放大和电平抬升,总体放大倍数约为1 000倍,然后再通过电平抬升电路抬高1 V左右。心电测量中,实际的电极不可能完全对称,这样将会引起基线漂移现象,还有无处不在的电源工频干扰(50 Hz),肌电干扰等,这些都要求心电前置放大器必须有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80dB以上。心电前置放大电路及右腿驱动电路如图。 图1.前置放大电路 本设计选用INAl18仪表放大器作为系统前置放大器,它具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输人阻抗等特点,它的增益可达1 000倍,计算公式为G=1+50 k/Rg。电极极化电压最大可达 300 mV,为了防止前置放大器进入截止或饱和状态,必须限制其放大倍数,这里增益取10,由G一1 +50/Rg得出Rg=5.6 kom,外部电阻Rg选用阻值为5.6 kom的精密线绕电阻。由于人体的阻抗和心电电极阻抗非常大,所以在前置放大前设计了一级跟随作为信号缓冲。为了更好地抑制50 Hz干扰,采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连,以降低人体的共模电压。 2.2带通滤波及主放大电路 心电信号频带主要集中在0.05--100 Hz,因此带通滤波器设计的带宽为0.03--30 Hz以滤除干扰信号。带通滤波器用高低通滤波器来构成,如图所示,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50 Hz 干扰进入电路,本文不再设计50 Hz陷波器,而改为用软件的方法通过设计数字滤波器来滤除工频干扰,实验结果表明,通过高低通滤波后的信号波形清晰、特征明显,虽有一定得工频干扰,但完全可以用软件设计来滤除。 图2.高低通滤波电路 图中高通滤波器由OP07、c2、R2。组成,设置其截至频率为f=0.03 Hz,低通滤波器由OP07、c1、R1,组成,设置其截止频率为,一30 Hz。主放大电路要放大100倍左右,为更好地适应实际应用加入滑动变阻器使其倍数可调。 R4 100kΩ 100ΩKey=A 50% 图3.主放大电路 图4.加法器电路 示波器采集到的心电波形比较干净,符合心电波形的特征,同时看到该波形还有一些波纹,即50 Hz 干扰存在,经过软件滤波可 以消除这些干扰。 2.3 STM32处理器及主要接口电路 STM32系列32bit闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核,工作频率为72 MHz,内置高速存储器,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12bit的ADC、3个通用16bit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。其工作电压为常见的3.3 V。该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。 2.3.1 TFLR-LCD液晶接口设计 选用320*240 TI叮液晶来显示波形,而用STM32的FSMC模块来控制液晶就非常合适。FSMC即灵活的静态存储控制器,它能够与同步或异步的存储器和16bit的PC存储器卡接口,其一大特色是访问外部设备的时序可编程:等待周期可编程、总线恢复周期可编程、输出使能和写使能延迟可编程、独立地读写时序和协议。这样就可以把液晶当做外部存储设备来使用,配置好读写及控制信号时序,只要指定指针就可以实现对液晶的读写访问。这样处理,一是简化了对液晶的操作,只需指定读写数据的指针就可完成操作,二是提高了访问速度,避免了用端口模拟时序访问液晶产生的“拉幕”现象。 2.3.2 SD卡接口与USB数据传输设计 SD卡有存储容量大、成本低、读写速度快的优点,正逐渐成为存 储设备的主流。其访问方式有两种:SPI模式和SDIO模式。STM32有这两种模式的接口,本文选用SPI模式。 心电数据的存储对便携式心电图仪来说是必要的,本文在存储设计上实现了两个功能:一是支持24 h心电数据存储;二是建立基于SD卡的文件系统,把心电数据存储为TXT文件格式。这样处理 有一个优点,既可以用心电图仪的USB接口与PC机进行数据传输,也可以把SD卡拔下来用读卡器把数据读入PC机。STM32内含USB模块,因此省去了外扩USB芯片,另外ST公司还提供了大量USB的实例,只需稍加修改就可应用到实际中,加快了开发进 程。 3.软件设计 软件采用功能模块化设计方法,通过分析,可以得到控制系统主程序和ADC中断程序的软件流程。 4.测试结果分析 将三个电极的一端分别接到人体的左右臂和右腿,令一端接入采集电路的三个输入端 系统性能测试与分析 4.1性能测试 直流稳压电源、双踪示波器、数字型万用表。 4.2测试数据及结果 (一)通频带内增益及频率响应 函数发生器产生5mv的输入信号,测量其频率响应。 (Hz) 系统的高频截止频率在120Hz,达到目要求。总体上看系统信号在1Hz到120Hz范围内,频带内的响应满足在3dB之内,基本满足要求。 (二)共模抑制比测试 测试差模信号:右腿驱动,一端输入接地,另一端接=1mv,f=50Hz 的交流信号,测得=1050; 共模增益:右腿驱动接地,正负端输端共接2V/20Hz正弦信号,输出100mv,=0.05; 共模抑制比为:KCMRR=86.4dB; 满足了题目要求的共模抑制比大于60dB的要求。 4.3测试分析 (1)高频干扰:在一开始的测试中,心电图始终存在的明显的高频干扰,经排查发现是手上空气中有着许多工频信号,使得心电图存在50Hz的噪音信号。经多次调整,在主放大器上加了一低通滤波器后,效果有了明显的改善。 (2)由于时间匆忙,加上电子元件不容易买到,焊接方面有所欠缺,使得系统细节方面有所不足,有些地方容易引入干扰信号,但整体方面基本达到题目的要求,并且能够回放波形,有低成本易开发的优点。 5.小结 这次比赛给了我们一个平台,使我们从枯燥的课本理论知识中走了出来,走到实际的工程应用中去。综合应用电子技术知识和技能,灵活的设计应用具体的电路,设计制作出符合要求的系统作品。在这一过程中,我们的理论知识认知水平、电路设计能力、分析解决问题的能力都有了大幅度的提高。作为团队的一员,我们彼此相互团结,竭诚协作、共同提高。通过这次比赛我们对团队精神有了更深的认识。在这次比赛的过程中,我们遇到了各种各样的问题,但是我们没有沮丧、气馁,更没有妥协。面对问题我们冷静分析,逐步排除各种可能的原因,经过苦苦的探索最终所有问题都得以完美解决。我们能在如此短的时间里完成较为复杂的系统作品,得益于平时老师的谆谆教导,以及学校社会等各界的支持和帮助。当然,我们的设计还存在着一些缺陷,在此恳请各位老师批评指正, 以便我们能在将来设计中进一步改进提高。 参考文献: [1]代少升,张跃孙.张和君,等.便携式远程心电实时监护仪的研制口].医疗卫生设备。2006,27(9)t1-2. [2]黄敏松,行鸿彦,刘建成.ECG监护仪前置放大电路设计.现代电子技术.2007, 16:187-189. [3]Winter B B,Webster J G Driven-right-leg a IEEE Tm&Biomed.Eng.1983。BME-30:62-66. [4] 童诗白.模拟电子技术[M].北京t高等教育出版社。2001.133-14& [5]Crisfi,R著,徐盛等译.现代数字信号处理[M].北京:机械工业出版社, 2005.129-148. 11