基于STM32的便攜式心電信號采集系統設計

李紅利，劉培軍，陳國崴，張榮華，李月軍

（1.天津工業大學 電氣工程與自動化學院，天津 300387；2.杭申集團有限公司，杭州 311234）

在科學研究和醫療診斷等領域，人體的心電（ECG）信號具有非常重要的意義，其中包含了大量的生理和病理信息[1].傳統心電信號采集裝置的核心部分是心電信號放大器和模數轉換器件，因其內部模塊組成較為復雜，整個儀器體積往往比較龐大，對使用環境要求較高[2].另外，傳統的模數轉換芯片精度較低、性能較差、功耗較高，從而導致ECG信號測量精度低[3].為克服以上缺點，本文基于STM32芯片，采用ADS1298前端采集芯片和LabVIEW上位機顯示平臺，設計了一套便攜式、高精度、小型化的實時心電信號采集顯示系統，并進行實驗，結果表明該系統能夠實現人體ECG信號的高精度（μV/bit）采集，并能實時動態顯示波形.

1 系統設計

1.1 系統框架

選用TI公司的24位高精度、低能耗的ADS1298前端采集轉換芯片，它是一款SOC芯片，在內部可調增益設為最小值1時，可識別0.286 μV的電壓變化，芯片內部通過軟件編程調節增益，可精確識別ECG信號的微小變化.選擇性能優越的STM32系列單片機作為控制器.ADS1298通過SPI傳輸方式將轉換后的數字信號傳送到STM32F103RCT6控制器，數據暫儲存在控制器；然后通過配置藍牙模塊與上位機部分的參數，數據將從控制器無線透傳到LabVIEW上位機，實現實時在線傳輸；最后，在LabVIEW上位機進行巴特沃斯濾波，包括高低通濾波、帶通濾波和工頻陷波處理等，進而實時動態顯示心電波形.系統框架見圖1.

圖1 系統框架Fig.1 System framework

1.2 預處理電路和主體硬件電路

預處理電路，即前置濾波電路，如圖2所示.該部分由二階無源低通濾波電路和3 V的限壓電路組成，可消除高頻干擾和對A/D芯片進行過壓保護.低通截止頻率為122.7 Hz，A/D采集芯片的供電電壓為3 V，滿足心電頻率及輸入端電壓通過的要求.

根據ADS1298芯片手冊，配置其外圍電路，如圖3所示.

圖2 前置濾波電路Fig.2 Prefilter circuit

圖3 A/D芯片外圍電路Fig.3 A/D peripheral circuit

1.3 藍牙模塊

系統采用德飛萊藍牙串口v2.0版模塊[4]，它具有高速通信和低功耗的優點，并且具備向下兼容的特點.藍牙模塊輸入電壓為3.3~6 V，傳輸距離為15 m，具有防反接和狀態指示燈功能，可以通過AT命令切換主機和從機模式、設置通訊比特率等.

1.4 LabVIEW上位機

LabVIEW上位機部分主要包括外置的顯示面板和內部的軟件程序.軟件部分采用基于圖形的編程方式（G語言），G語言編程可縮短開發時間，降低開發難度[5-8].使用J-link下載器將編寫的程序加載到控制器內，進行數據采集，A/D采集轉換后的數據通過藍牙串口發送到LabVIEW上位機，然后對數據進行濾波處理，這里采用6階巴特沃斯濾波，先分3次進行干擾濾除，再進行適當的低通、帶阻、帶通濾波，最終得到心電波形圖.

LabVIEW軟件程序的主要部分為一個while循環，進行連續的數據讀取和處理，循環內部設置一個停止按鈕和一個條件結構.停止按鈕用于停止數據傳輸.條件結構內部設置VISA Config和VISA讀取函數2個模塊.VISA Config確定數據來自哪個串口.VISA讀取函數用于讀取藍牙串口發送來的數據，通過設置一個屬性節點，以保證每次都能將串口中的數據讀完，然后利用一個條件結構對得到的字符串進行處理，進行3次巴特沃斯濾波.具體的程序流程如圖4所示.

圖4 LabVIEW軟件程序Fig.4 Program of LabVIEW

2 實驗

2.1 測試對象基本信息

實驗采集并處理4名受試者的ECG信號，4名受試者的基本信息見表1.

表1 受試者基本信息Tab.1 Basic information of the subjects

2.2 實驗結果

為驗證所設計的LabVIEW上位機程序的有效性，使用模擬心電信號發生器產生原始信號，見圖5（a），經LabVIEW上位機程序濾波后得到的模擬ECG波形見圖5（b）.

圖5 軟件濾除工頻干擾Fig.5 Software filter frequency interference

由圖5可見，原始信號中的工頻干擾基本濾除，說明本文設計的濾波程序是有效的.

4名受試者的ECG波形圖見圖6.比較4名受試者的ECG波形圖，可以明顯看出4人的心率及心電特征波略有差異，波形均呈周期性變化，P波、QRS波、T波和ST段等特征均比較明顯，可用于心率失常、心肌梗塞等病理分析，實驗結果說明本文設計的系統是有效可行的.

經驗模態分解（EMD）算法適用于非線性非平穩信號處理，是一種性能非常優越的濾波算法，常用于人體生理信號檢測分析[9-12].本文利用LabVIEW上位機存儲的原始信號數據，使用Matlab對EMD算法進行了實現.以1號受試者為例，經A/D轉換后的原始信號見圖7.圖7的數據信號經分解得到的8個IMF，去掉高頻部分后，經重構得到圖8所示的波形圖，圖8與圖6（a）的ECG波形基本一致，這進一步說明本文設計的心電信號采集系統是切實可行的.

圖6 4名受試者的ECG波形圖Fig.6 ECG waveform s of four subjects

圖7 1號受試者的原始ECG信號Fig.7 Original ECG signal of No.1 subject

圖8 經EMD重構的信號波形Fig.8 Reconstructed signal waveform by EMD

3 結論

采用TI公司的24位高精度ADS1298芯片、G語言編寫的LabVIEW上位機以及性能穩定良好的STM32作為核心控制器，設計了一套心電信號實時采集顯示系統，實驗結果表明該系統能夠滿足設計要求，與傳統系統相比，本系統程序設計比較簡單，實現了信號無線傳輸和波形圖實時顯示，為醫療診斷、病理檢測提供了可靠的實驗基礎.