1、杭州电子科技大学硕士学位论文基于STM32的便携式心电图仪的设计与实现姓名：武利珍申请学位级别：硕士专业：电路与系统指导教师：张文超20091201杭州电子科技大学硕士学位论文 I 摘 要 目前我国心血管病发病率及相关危险因素均有增长趋势，而心电图是其诊断的重要依据。但是，常规心电图设备具有体积笨重、价格昂贵和不便于携带的局限性，患者不可能长期待在医院 0，所以研发便携式心电监护产品就显得更加重要。 本课题完成了基于 STM32 微处理器的心电采集及分析处理系统的方案设计、硬件和软件设计与实现，心电信号采集电路 是 其关键部分，主要完成信号的正确提取。心电处理电路主要完成信号的 A/D 转换、
2、滤波、存储、通信及显示等 功能 。 系统属于典型的生物医学信号采集处理系统，处理的对象是强噪声背 景下的微弱心电信号，噪声和干扰 的存在 对前端采集电路提出了更高的要求。根据心电信号的特点，选用精密仪表放大器为主要元件设计了前置放大电路。为更好的降低干扰的影响，设计了右腿驱动电路、高 通和 低通滤波电路，成功提取了心电信息。心电处理电路通过 A/D 转换把模拟信号转换成数字信号送至微处理器做进一步处理，该部分电路主要包括 STM32 处理器电路、 SD卡存储、串口通信、 LCD 接口电路等，选用 ST 公司的低成本、低功耗的 Cortex-M3 核处理器STM32F103VC 作为控制核心。
3、软件部分主要完成心电信号的采集、滤波、显示 、存储和数据上传等功能，开发工具是IAR Embedded Workbench for ARM，采用 C 语言来编程。主程序通过调用各种子程序模块完成特定的功能。子程序包括系统外设初始化、信号采集、数字滤波、波形绘制、数据 分析与存储、串口通信子程序等 ，并利用 SD 卡建立了文件系统。 本系统首先利用 MATLAB 开发工具从 MIT-BIH 标准心电数据库读出一些心电数据进行滤波算法验证，最终采用 简单整系数滤波器的设计方法 ，有效地抑制了噪声和干扰。另外本系统还可以通过 RS232 串行口与上位机通信，利用上位机强大的数据处理与分 析功能对上传
4、的数据信息作进一步的处理。上位机管理软件采用 VC+ 6.0 软件开发平台，利用 MFC 设计了一个 实用的心电信号采集系统，该界面实现了数据采集、处理、存储、分析和显示等功能。 本课题较好地完成了预期的设想，设计与实现了系统的硬件电路，完成了系统软件的编写和调试 ，制作了样机一台。 测试结果证明， 达到 了设计 要求 。 关键词 ： 心电图仪 ，心电信号， 信号采集， 信号处理， SD 卡， STM32 杭州电子科技大学硕士学位论文 II ABSTRACT At present, the rate of cardiovascular disease and the related hazar
5、d factor in our country have increased. ECG is an important method of diagnosing heart disease. However, conventional ECG devices have limitations of a big size and bulky volume and not easy to carry. It is not convenient for patients to stay in the hospital for long, so it becomes very important to
6、 develop a portable ECG monitor. The project proposed a plan of ECG acquisition, analysis and processing system which based on STM32, and completed its hardware and software design. The core of the system is ECG acquisition circuit, which is to complete the signal extraction. The function of the ECG
7、 signal processing circuit is to complete the A/D acquisition, displaying, filtering and storage of the signal. The system is a typical biomedical signal collecting-processing one, which processes weak signals in strong noise background. Because of the impact of noise and interference, the front-end
8、 acquisition circuit needs to have higher performance. According to the characteristics of ECG, the precision instrumentation amplifiers are chosen to design the preamplifier circuit. In order to reduce the interference effects, right leg drive circuits, high- pass filter and low-pass filter is desi
9、gned to extract the ECG signal. Through the A / D converter of ECG processing circuit, analog signals are converted into digital signals, which are sent to the microprocessor for further processing. ECG processing circuit, core of which is a microcontroller of low cost and low power Cortex-M3 by ST,
10、 mainly include power management circuits, STM32 processor circuits, SD card storage circuits, serial communication circuits, LCD interface circuits and so on. The software design used C language to program and completed ECG collection, filtering, display, storage and communication. The development
11、tool is IAR Embedded Workbench for ARM. The main program completed a variety of specific functions by calling the subroutine modules. Subroutines included system initialization, ADC, digital filtering, waveform displaying, data storage, serial communication and so on. This system validated the ECG a
12、lgorithms using ECG data from MIT-BIH ECG database by MATLAB, and at last suppressed noise and interference effectively by using a simple integer coefficient filter design method. Besides, the system can also communicate with the host computer by RS232 serial port, so PC can further process the uplo
13、aded data using its powerful data processing and analysis capabilities. Host machine management software implemented a low-cost ECG signal acquisition system using VC+6.0 software development platform. The management software is to realize the functions of data acquisition, processing, display, stor
14、age and analysis. 杭州电子科技大学硕士学位论文 III The subject realized the desired target, including designing the systems hardware and software, and making a prototype machine. The system was proved running well, and could meet the design requirements. Keywords: ECG Device, ECG, Signal Collection, Signal Proces
15、sing, SD Card, STM32 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离
16、校后，发表论文或使用论文工作成果时署 名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及 意义 近年来， 随着 社会的 进步和经济的 发展，生活水平 的 逐步提高， 以及 我国 人口老龄化程度 越来越严重， 心脏病一类 的 疾病 的发病率不断攀升 ，严重影响人们的身体健康，成为威胁人类健康的第一因素。 在我国 ，
17、因心脑血管疾病死亡 的 人数约占总死亡人数的 44%。 根据 2008年中 国慢性心脏病年报显示，国内每年近 50%的死亡病例为冠心病，且 该 数字在 逐年递增1。去年约有 16 万名患者接受支架植入手术，手术施行总数的年增长率超过 20%。 据估计我国心脑血管 疾病 每年耗费达 3000 亿元， 然而受测试手段的局限，知晓率、治疗率及控制率 仍然 很低 ， 特别是知晓率是有效防治心脑血管疾病的关键因素，而有效的便携式心电检测监测仪器是完成 早期发现的有力工具 。 心脏 能够有规律性的 发生兴奋和收缩， 从而 推动血液的循环。 在 心脏肌肉 每次 收缩之前，都 有 一股微小的生物电流 产生 。
18、 由于人体的体液能够导电，这些微小电流通过体 液的传递就会反映到 人体的表面皮肤上，由于身体各部分组织不同，距心脏的距离不同，从而造成体 表的不同部位 的电位有所不同 。 根据这个现象，出现了一些心电检测仪器， 通过测量人体这些生物电信号，从不同角度观察心脏的活动情况， 并 将心电图显示出来。 这 对心脏基本功能及其病理研究方面，具有重要的参考价值 2。 心电图 能够反映心律的运行状况， 一定程度上 反映心肌受损的程度 、 发展过程 以及 心房、心室的功能结构 情况。 从而能够在 心脏手术和药物的使用上提供一定的 参考 价值 。然而 在检查心脏功能的时候， 心电图并非 是 必不可少的指标 ，
19、因为 心电图比较 复杂， 有时正常的心电图 不一定证明心功能正常 ， 相反，心肌的损伤和功能的缺陷并不总能 反映在 心电图 中 3。 常规心电监护设备具有体积笨重、价格昂贵和不便于携带的局限性， 随着社会生活水平的提高，家庭化的医疗器械开始逐渐进入人们的日常生活，家庭化的心电图仪器具有体积小、方便使用的优点，但功能 没有专业的大型的医疗设备齐全，但在一定程度上 满足 了 人们的基本应用。比如 能够在 家庭 或则其他地方很方便的 进行心电图信号的测量， 并把波形显示出来，通过一定的处理， 做 基本 的 诊断 ， 并把数据存储起来， 然后 可以提交到专业机构做 进一步的诊断。 对 于一些 行动不便
20、 的病人 ，便希望利用互联网技术，把数据通过 远程传送的方式，提交到专业机构或指定的医药。便携式心电设备的使用 也有利于医生在急诊或查房的时候方便快速的进行 病情 诊断。 因此 为了能够在更多场合进行诊断，出现了 各种各样的 便携式心电图设备，常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时 时间短 ，只 能获取少量 信息，所以在有限时间内即使发生心律失常，被发现的概率也是很低的。 而便携式 监护装置 可以在 家庭里杭州电子科技大学硕士学位论文 2 进行长时间的实时监护， 并把 数据 存储起来 。 这样患者就不必长时间的 静卧在医院， 就 可以得到实时的监护 ， 所以研 发便携式心电
21、监护产品 具有重要意义 。 本课题主要研究开发便携式心电图仪， 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 国内外研究现状和发展趋势 英国生理学家 Einthoven 在 1887 年 用毛细管静电计记录了心动电流图 4。 为了得到更准确的心电图信息，从 1895 年 开始他展开了对 心脏动作电流的研究， 并在 德 阿森瓦尔氏的镜影电流计 基础上 ， 改进了其设计方法，提高了心电图的质量。其在 1903 年设计了弦线式电流计 ， 该 弦线式电流计 采用了新的设计方法，利用极细 的镀银石英丝代替动 圈 ，并通过 反射镜记录心动电流，
22、 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。同年 ，他又 制定了 标准测量单位，即 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 。 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。同时制定了 三种标准异联 系统 。 在 1912 年 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。 总之 他对心电图的创立及发展 有着不可磨灭的贡献 ，被尊称为“心电图之父” ， 1924 年 Einthoven教授获
23、得了 诺贝尔生理学和医学奖 5。 从此利用心电图协助诊断疾病 逐渐 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。 动态心电图 (Dynamic Electrocardiography DCG)于 1949 年由美国 Holter 首创 ， 故又称Holter 心电图 。 国外 80 年代已在临床广泛应用， 国内发展比较晚， 近几年 才开始 迅猛发展，该 仪器由 以前的 磁带式记录发展为固态式记录、闪光卡记录，由单导、双 导发展为 12 导联全记录。 DCG 功能强大，能够 连
24、续记录 24 小时心电活动的全过程，包括休息、活动、进餐、工作、学习和睡眠等不同情况下的心电图资料， 能够检测出 心律失常和心肌缺血 等一些 常规 ECG 不易发现 疾病 。 对 临床分析病情 、 确立诊断 、 判断疗效 有重要参考价值 。近半世纪以来，动态监护 设备更加智能，功能更加完善 ， 类型也越来越多 。 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
25、以下几个方向发展： (1) 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。 (2) 无线 化 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 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。 (3) 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 。 (4) 远程医疗 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
26、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，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。 1.3 论文研究内容 目前市场上的便携式心电图仪器价格昂贵、功能复杂，储存容量小，且大多不能与计算机进行交互，限制了 它们的应用 ， 基于此本文 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。 采用 SD 卡 能够存储 24 小时心电数据 ，
27、并建立文件系统 ，可以通过 串口 与 PC 机进行数据传输 ， 采用 TFT-LCD 实时显示心电波形， 触摸屏设计， 具有良好的人机交互界面。 另外 还设计了上位机接收功能。 1.3.1 主要工作 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 信号的检测方法 (2) 心电图仪的硬件设计 ： 1) 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 ； 2) 处理电路：完成信号的采集、滤波、显示、存储、分析和传输等 。 (3
28、) 心电图仪的软件设计 ： 1) 信号采集的 A/D 采集 程序 ； 2) STM32 芯片各模块初始化程序 ； 3) 数字 滤波 处理程序 ； 4) SD 卡 数据存储 程序 ； 5) 触摸 交互 界面的 程序设计 ； 6) 串口传输程序 ； 7) PC 机 接收终端 设计 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 1.3.2 技术难点分析 心电信号是微弱信号，因此对心电信号的提取具有一定难度。另外 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，要考虑信号的特征，选择最佳的器件。 便携式设备对低功耗的要求都较高，必须最低限
29、度的减少功耗，本课题从以下两点考虑：一是从 MCU 的体系结构考虑主要是利用 ST 公司 最新推出的基于 Cortex-M3 内核 的 STM32芯片，有效的降低了系统功耗和体积。二是采用备用电池，如锂电池等，以延长系统的供电时间 ，在应用中如果没有用到的外设可以用软件关闭，以降低功耗 。 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。 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
30、有效的滤波算法。 1.3.3 论文结构安排 本文具体章节安排如下： 第一章对课题的相关理论和发展现状及趋势做简单的介绍，给出了课题的主要研究内容和主体框架。 第二章介绍了人体心电信号的医学基础。 介绍了心电信号的产生机理，信号特征，并对信号进行了时域和频域的分析，讨论了易干扰的因素及在技术上应该采取的应对 措施。 第 三 章详细 介绍了整个系统的设 计流程，首先对整个 系统进行整体分析和模块化分解，把系统分为几个不同功能 模块 ，然后逐步去实现，在硬件上分为前端采集系统和信号处理电路，采集系统主要完成信号的提取。 处理电路完成信号的软件处理，包括信号的模拟到数字的转换、 信号的滤波处理、 信号
31、的 分析与存储 、数据的 上传等，是整个论文设计的重点也是难点 所在。 第 四 章介绍了整个系统的软件设计 及各个子模块的具体实现。 第 五 章给出了调试结果及误差分析， 分别调试各个模块后进行整体调试。 第 六 章 总结了本文工作，分析了系统设计的不足和 对未来 工作 的展望。 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 第 2 章 人体心电信号的医学基础 2.1 心电信号的 产生 机理 心脏的结构复杂，可以把心脏看作一个水泵， 能够不断地有规律性的发生兴奋和收缩 6，从而 推动着整个血液的循环。 心电信号就是有心肌激动产生的微小电流，该电激动是在心脏机械收缩之前产生的。围绕在 心脏周围的组织和体液
32、都具有导电性 ， 这些微小电流总和就通过组织及体液传导反映到体表上来。从而造成体表不同点之间的电位差不同，通过采集这些电位差就可以绘制出心电图来。 随着科技的进步，各种尖端检测仪器不断更新 ， 极大的提高了对心电信号的研究与分析能力。 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 7。 2.2 心电信号的 特征 生物医学信号都具有信号强度较弱、背景噪声较强、频率范围一般较低、随机性强等特点 8。当今生物医学信号处理已经是一个重要 的 研究领域，也是
33、近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面。 心电信号属于直接信号，信源是 心脏，具有周期信号的性质，同时还有非平稳的特性，由于干扰因素的存在，心电信号总是在一定的范围内波动，有时候也会随着某种疾病发 生改变，不同的人，其心电图的波形有差异，这个差异有时还很大，但是，一般正常的心电波形都可以划分为几个部分。 2.2.1 时域 特征 通过电极对心电信号进行 提取 ，可以画出心电信号的电压幅度随着时间变化的图形，如图 2.1 所示，即 是一个典型的正常心电波形 9。信号的幅度很小，一般为 10V 4mV，典型值是 1mV。 图 2.1 一个周期的 ECG 波形 杭州电子科技大学硕士学位论
34、文 6 心电图的典型间期和典型段 10（其中 “ 间期 ” 指时间间隔，而 “ 段 ” 则指波形本身）论述如下： P 波：反映两心房去极化过程的电位变化，左右心房除极波，前部代表右心房 激动，后部代表左心房激动。 P-R 间期：是从 P 波起点到 QRS 波群起点的相隔时间。它代表从心房激动开始到心室开始激动的时间， 正常为 0.120.20s。若超过 0.20s，一般表明有房室传导阻滞。 这一期间随着年龄的增长而有加长的趋势。 QRS 间期：从 Q 波开始至 S 波终了的时间间隔。它代表两侧心室肌（包括心室间隔肌）的电激动过程。 QRS 波群的宽度即为 QRS 时限，代表全部心室肌激动过程所
35、需要的时间，正常人的时限最长不超过 0.10s。 QRS 波的形态、振幅和时间所包含的心脏信息极为丰富，迄今仍有大量的有用信息尚未被认识， 有待进一步探讨。 S-T 段： 由 QRS 波群结束到 T 波开始的平线 ， ST段下降不应低于 0.05 毫伏。偏高或降低超出上述范围，便属异常心电图 。 P-R 段：从 P 波后半部分起始端至 QRS 波群起点。同样，正常人的这一段也是接近基线的。 心电信号是一个近似周期信号，它的特点是突变性很强，属于一种非常典型的具有明显时频特性与时间 -尺度特性的生物医学信号 11。 可以看出心电信号具有以下特点： (1) 微弱性 ： 经过实验 测试得出，心电信号
36、的幅度一般只有 0.05 5mV，均值在 1V，很 容易受到干扰的影响，极易被淹没。给信号的检测带来了 困难。 (2) 低频特性 ： 人体心电信号频率比较低，有价值的频率范围一般为 0.05100Hz，能量 大 部分集中在 0.0540Hz。 (3) 高阻抗 ： 人体源阻抗一般较大，可达几 K至几十 K， 其作为心电信号的信号源， 给心电信号的检测带来了不利，容易造成心电信号的 误差和失真。 (4) 不稳定性 ： 人体内部结构复杂，各个器官之间相互协调相互影响，又与外部直接接触， 密切联系，所以，无论来之于内部的还是外部的影响，都能 引起 ECG的变化，导致心电信号的不稳定。因此，在对信号进行
37、检测、处理与分析时，要考虑这一特性，并采取相应的措施。 (5) 随机性 ： 人体周围的环境非常复杂，在检测时不可避免的会受到各种各样的外界干扰 而使心电信号发生变化，从而造成心电信号的随机性。 不过，这种随机性并不是毫无规律可言，通过 对心脏 自发放电的构型进行统计 并 分析，可以发现放电的内在规律。 所以，在对 ECG的检测中 ， 要综合考虑，既要考虑它的 随机性， 更要重视它的规律性 。 2.2.2 频谱 特征 据 Nitish.V.Thakor 等人的研究，直流成分在心电信号中占的比例很高，滤除直流成分后，频率主要集中在 0.05100Hz，可见心电信号的频率较低， 强度 非常微弱，而其
38、中的能量大部分集中 在 0.0540Hz 范围内。从功率谱上可以看出，心电信号的能量大部分集中在 QRS 期间，杭州电子科技大学硕士学位论文 7 该期间的频率峰值一般是在 1020Hz 之间，在信号的中、高频率区，由于这个特征在整个心电信号图中非常明显，因此对 QRS 波形的检测变得非常容易识别。 2.3 心电信号的干扰分析 心电信号的微弱性，导致其容易受到各种各样的干扰。 这些干扰给 心电信号的检测带来了困难，容易引起 ECG 信号的异常， 异常 心动能导致 QRS 复合波形态改变， 为 QRS 上的分类和探测造成 了 困难 12， 影响了正常的判断。心电信号的干扰源一般有两类：一是来自生理
39、上 的，二是来之技术上的。下面分别讨论。 2.3.1 生理上的干扰 (1) 肌电干扰 13 肌电干扰 是由皮肤电势引起的，经研究证实，大约有 30mV 的电势在人体内外表皮层中存在，随着人体皮肤的运动，该电势会发生波动，这个波动的电压随着电极的采集进入前置放大电路并进行放大，从而造成心电信号存在噪声，还有另外一些因素造成肌电干扰，比如人的刺激或紧张，这些都会产生一些高频肌电干扰。研究表明，这些干扰的频率范围很广，频谱特性接近白噪声， 其频率一般在 5Hz2KHz 之间。 (2) 基线漂移 基线漂移一般是由于极化电压引起的，多数情况下 是由于电极与皮肤之间接触不好造成的，存在接触电阻，该电阻与放
40、大器的输入阻抗形成分压网络， 心电信号波形将随着稍微剧烈的肢体运动而发生改变，从而使心电信号的准确性受到了严重破坏，基线漂移频率约是0.15Hz0.3Hz。 2.3.2 技术上的干扰 (1) 工频干扰 14 人体周围无时无刻都存在着工频干扰，主要是 50Hz 电源干扰及其高次谐波干扰。 如果不采取一定的去噪手段，可以从心电信号的频谱中发现 50Hz 的幅度极高，基本把心电信号淹没掉，这是由于人体的天线效应 造成的 。另外由于工频干扰并不是固定不变的，其中心频率会有一 定范围的波动，这种随机的过程，造成要完全消除干扰是有困难的。在硬件技术采取的措施一般是设计共模抑制比很高的 50Hz 陷波电路来
41、尽可能的去除干扰，但是 由于线路不对称性的存在，仍有 50Hz 工频干扰混入心电信号。 (2) 电极接触噪声 电极与皮肤表面一般要涂抹一些 导电 膏以及进行适当的固定 ， 以防止电极与皮肤表面的接触发生松动或则脱落，从而 防止 电极与皮肤的接触阻抗发生变化， 导致 ECG 波形变得模糊不清。 (3) 电磁设备干扰 电磁设备的干扰范围比较广，其中包含系统本身的噪声，其频率范围较宽，并且在不同的环境会有所不同，肯定会对心电信号的 检测造成影响，为了减少这种干扰，一定要为检测杭州电子科技大学硕士学位论文 8 者提供一个自然舒适的检测环境，远离干扰源，并采取一定的屏蔽措施来减少干扰。 由以上 的分析
42、可见： ECG 信号中的噪声和干扰存在频带宽、幅度大的特点， 在进行采集时必须 进行预处理， 否则采集出的心电数据将失去分析与处理的意义。 对 心电信号进行预处理常用的技术就是滤波处理。 对于滤波处理方法 有两种： (1) 硬件滤波。设计高通、低通滤波器，滤除一部分基线漂移，抑制肌电干扰。设计 50Hz陷波器，滤除工频干扰。但硬件滤波并不能完全把干扰滤除干净，并且如果想得到更好的滤波效果，就需要设计更高 阶的滤波器，这样 就不可避免的增加硬件成本，增大系统体积，因此采取硬件滤波的方式作用是 有限的。 (2) 软件滤波。软件滤波 方法 具有硬件 滤波 不具备的优点，通过数字滤波器的设计基本上能够
43、完成硬件 滤波器的功能，并且具有设计灵活，参数可调的优点 ，而硬件滤波器的各种参数一旦固定就很难再选择和调整。 在本设计中考虑用硬件滤波和软件滤波结合的方式 ，在前端采集电路通过合理屏蔽和接地等措施，以及设计低阶的滤波器 预 处理一下，将噪声减小到一个相当的程度，然后在 软件中设计数字滤波器， 进一步滤除干扰， 主要实现对工频干扰的抑制。 杭州电子科技大学硕士学位论文 9 第 3 章 心 电图仪系统硬件设计 3.1 总体设计的基本原则 嵌入式系统被描述为： “ 以应用为中心、软件硬件可裁剪的、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统 ”， 由嵌入式硬件和嵌入
44、式软件两部分有机的结合在一起。作为一种典型的嵌入式应用， 本课题研究的 便携式 心电图仪要求具有很强的可移动性，便于使用者携带，同时也要求功能完善，能够实时对心电信号进行处理。本心电图仪 集 信号的采集 -处理 -传输 三 大功能于一体 。 对于这 些 功能，即需要相对独立的模块化设计，又需要良好的协调。 因此，在开发过程 中，硬件设备的选择需要考虑这些特定的需求，有针对性的进行器件的选择和设计。我们可以遵循这样的规则： (1) 选择合适的处理器，尽量选择片上系统（ System on Chip， SoC）设计硬件系统，减少硬件复杂度并降低成本 。 (2) 选择典型电路，按照模块化设计，系统扩
45、展与 I/O 的配置充分满足应用系统的功能要求，并留有适当冗余，以便进行二次开发。 (3) 注重软硬件结合，软件能 实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构，降低能耗和设备成本 。 (4) 必须考虑芯片的驱动能力，有必要的可靠性及抗干扰设计它包括去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等 。 3.2 微处理器的 选型 MCU 的选择主要从以下四个方面来考虑 ： (1) MCU 在整个系统中的所承担的任务复杂程度 ： 在本设计中， MCU 要负责 信号的采集、信号的滤波处理、心电波形的显示、数据存储以及通信 。 (2) MCU 的处理速度： 本设计中， MCU 在进行滤波处理的同时要实时显示出心电波
46、形，在某些情况下还同时要与 PC 机进行通信，因此，处理器要有很高的处理速度 。 (3) 对于整个系统的设计希望尽可能简化 ： 一个系统中所使用的元器件越多、电路结构越复杂，则系统的出问题的概率越大，可靠性与稳定性越差。因此在选择 MCU 的时候，希望 MCU 内部 集成功能单元越多越好，这样就能简化系统设计，增加系统的可靠性及稳定性。 (4) 从控制系统生产成本的角度考虑 ： 在本系统中，由于 多试家庭使用及 野外环境的不确定性因素较多，万一出现设备损坏，希望替换成本越低越好，其中 MCU 的成本占了整个系统的一部分，能够降低 MCU 的成本也就能降低系统成本。 杭州电子科技大学硕士学位论文
47、 10 综合以上四个方面，在本设计中，我们选用了意法半导体公司推出的新型 32 位 ARM 内核处理机芯片 STM32 系列中的 STM32F103VCT6。 后面将对处理器做详细介绍。 3.3 系统 方案 设计 系统原理框图可以用图 3.1 表示 。整个系统有以 下几个部分组成： u 采集电路 ： 主要有 前置放大 电路、带通 滤波 电路、主 放大 电路和电平抬升电路组成， 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 。 u 处理电路：主要完成对心电数据的采集、滤波、分析、显示、存储和传输控制 。 u 存储电路：利用 SD 卡完成心电数据的大容量存储，并建立文
48、件系统。 u 按键电路：完成良好的人机交互。 u 显示电路：实时显示出心电波形和心电相关信息 。 u 上位机设计：在 PC 机上显示心电波形和处理。 u 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。 STM 32 微处理器液晶显示电路SD 卡存储电路按键电路上位机RS 232电源电路前置放大电路 带通滤波电路主放大电路电平抬升电路右腿驱动电路LARARL电极电极电极图 3.1 系统总体原理框图 该 系统 总体可分为 模拟和数字两部分。 模拟部分是指前端 采集电路 ， 包括 前置 放大 、 右腿驱动电路、 带通 滤波电路 、 主放大 和 电平抬高电路。数据处理 部分 包括
49、 A/D转换模块、 STM32处理器模块电路、 SD 卡 存储器模块电路、键盘模块、 LCD 接口电路 、串口通信、 电源管理模块 和上位机管理软件 等。 处理 流程为：通过电极提取心电信号，经过放大、滤波等处理后送入 STM32 进行 A/D转换， 通过 软件滤波处理后 得到光滑 、 正确的心电信号数据， 通过 TFT-LCD实时显示波形，并可以进行数据存储和数据上传 。 上位机 是一个数据接收系统， 能够完成信号的接收、分析、显示及其他处理。 3.4 信号采集电路设计 有前面讨论可知， 心电信号是一种低频率的微弱双极性信号， 极易受到干扰而导致信号失真，必须设计合理的调理电路，尽可能的去除干扰以提取有用的信息，为后面的处理电路提供可供采集和分析的信号源。对提高整个系统的可靠性和稳定性有重要意义。 杭州电子科技大学硕士学位论文 11 3.4.1 电极和导联体系 的选择 (1) 电极选择 心电信号检测一般采用体表电极，随着时代的发展金属电极己经成为了体表的连接器。一个由盐溶液和胶组成的电极层成为了 金属电极和皮肤的接触面。身体内部电流是由离子运动产生的，而在导线中的电流是由电子的运
