基于STM32芯片和TFT-LCD的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)

便攜式心電圖設(shè)備的出現(xiàn)使心電信號(hào)能夠在更多場(chǎng)合進(jìn)行采集，它既可以實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)化，又可以實(shí)時(shí)的對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行分析。通過(guò)內(nèi)置大容量存儲(chǔ)器件能夠?qū)颊哌M(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，并記錄患者的心電數(shù)據(jù)，通過(guò)USB接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以提交到專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)做進(jìn)一步分析和診斷。

系統(tǒng)原理框圖可以用圖1表示。心電信號(hào)由電極獲取，送入心電采集電路，經(jīng)前置放大、主放大、高低通濾波、電平抬升后，得到符合要求的心電信號(hào)，并送入到STM32的ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。為了更好地抑制干擾信號(hào)，在電路中還引入了右腿驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)控制芯片采用STM32，TFT-LCD的觸摸功能加上少量按鍵可以建立良好的人機(jī)交互環(huán)境，可以通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示和回放，采用SD卡可以存儲(chǔ)24h的心電數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)USB可靠地傳輸?shù)絇C機(jī)，以便對(duì)心電數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。

圖1 心電圖儀原理框圖

系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槿蟛糠郑盒碾姴杉娐?，主要完成心電信?hào)的提取;帶通濾波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號(hào)，使之符合處理要求;STM32處理電路，完成心電信號(hào)的顯示、分析、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳送功能。

心電采集電路是整個(gè)便攜式心電圖儀的核心，直接決定整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。心電采集電路主要包括：輸入緩沖及前置放大、右腿驅(qū)動(dòng)、高低通濾波器、主放大和電平抬升。

體表心電信號(hào)的頻率主要集中在0.05～100Hz，幅度為10μV～4mV，典型值為1mV，是一種低頻率的微弱雙極性信號(hào)。而STM32的ADC輸入端電壓范圍是0～3.3V，因此需要對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大和電平抬升，總體放大倍數(shù)約為1000倍，然后再通過(guò)電平抬升電路抬高1V左右。心電測(cè)量中，實(shí)際的電極不可能完全對(duì)稱，這樣將會(huì)引起基線漂移現(xiàn)象，還有無(wú)處不在的電源工頻干擾（50Hz），肌電干擾等，這些都要求心電前置放大器必須有很高的共模抑制比。一般要求共模抑制比在80dB以上。心電前置放大電路及右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖2。（未畫(huà)出放大器的正負(fù)電源）

圖2  心電前置放大電路及右腿驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)選用INA118儀表放大器作為系統(tǒng)前置放大器，它具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點(diǎn)，它的增益可達(dá)1000倍，計(jì)算公式為G=1+50k/Rg。電極極化電壓最大可達(dá)300mV，為了防止前置放大器進(jìn)入截止或飽和狀態(tài)，必須限制其放大倍數(shù)，這里增益取10，由G=1+50/Rg得出Rg=5.6kΨ，外部電阻Rg選用阻值為5.6kΨ的精密線繞電阻。由于人體的阻抗和心電電極阻抗非常大，所以在前置放大前設(shè)計(jì)了一級(jí)跟隨作為信號(hào)緩沖。為了更好地抑制50Hz干擾，采用右腿電極經(jīng)電阻與放大器接地端相連，以降低人體的共模電壓。