【正文】 ： (1) 心電圖儀的硬件設(shè)計： ? 采集電路：準(zhǔn)確提取生理信號，把信號處理為可供采集分析的有 效信號； ? 處理電路：完成信號的采集、濾波、顯示、分析和傳輸?shù)取? (2) 心電圖儀的軟件設(shè)計： ? STM32 芯片各模塊初始化程序； ? 數(shù)字濾波處理程序； ? 人機(jī)交互界面的程序設(shè)計； 系統(tǒng)設(shè)計方案 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如 圖 1 所 示。心電信號由電極獲取，送人心電采集電路，經(jīng)前置放大、主放大、高低通濾波，得到符合要求的心電信號，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，在電路中還引入了右腿驅(qū)動電路。系統(tǒng)控制芯片采用 STM32， TFTLCD 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 LCD 實時顯示和回放，數(shù)據(jù)通過USB 可靠地傳輸?shù)?PC 機(jī)，以便對心電數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的分析。系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)主要劃分為三大部分：心電采集電路，主要完成心電信號的提??；帶通濾波及主放大電路，用于調(diào)理采集到的信號，使之符合處理要求； STM32 處理電路，完成心電信號的顯示和 分析功能。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 6 信 號 采集 電 路信 號 調(diào)理 電 路處 理 器按 鍵 調(diào)節(jié) 電 路顯 示 電路 模 塊P C 通 信 圖 1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 整個系統(tǒng)有以下幾個部分組成： （ 1）采集電路：主要有前置放大電路、帶通濾波電路和主放大電路 組成，心電信號由電極獲取后送入心電采集電路， 經(jīng)處理后得到符合要求的心電信息。 （ 2）處理電路：主要完成對心電數(shù)據(jù)的 濾波、 陷波、放大、分析、顯示 和傳輸控制。 （ 3）按鍵電路：完成良好的人機(jī)交互。 （ 4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關(guān)信息。 （ 5）上位機(jī)設(shè)計：在 PC 機(jī)上處理和顯示心電波形。 （ 6）電源電路：設(shè)計穩(wěn)定可靠的電源電路，為整個系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。 3 便攜式心電圖儀的硬件 設(shè)計 便攜式心電圖儀要求具有可移動性和再開發(fā)性，不僅便于攜帶、功能盡可能的完善能夠?qū)崟r對心電信號進(jìn)行處理，而且要求隨著發(fā)展可以進(jìn)一步升級滿足人們更多 的需求。本心電圖儀集信號的采集、處理、傳輸三大功能于一體。對于這些功能，即需要相對獨立的模塊化設(shè)計，又需要良好的協(xié)調(diào)。因此，在開發(fā)過程 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 7 中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計。 總體電路要遵循 ： (1) 選擇合適的處理器，盡量選擇片上系統(tǒng)（ System on Chip， SoC）設(shè)計硬件系統(tǒng)，減少硬件復(fù)雜度并降低成本。 (2) 選擇典型電路，按照模塊化設(shè)計，系統(tǒng)擴(kuò)展與 I/O 的配置充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)冗余，以便進(jìn)行二次開發(fā)。 (3) 注重軟硬件結(jié)合， 軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)，降低能耗和設(shè)備成本。 (4) 必須考慮芯片的驅(qū)動能力，有必要的可靠性及抗干擾設(shè)計它包括去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等 [8]。 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計 以應(yīng)用為中心、軟件硬件可裁剪的、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格 綜合性要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分有機(jī)的結(jié)合在一起，作為一種典型的嵌入式應(yīng)用 [9]。 由于便攜式心電圖儀有很強(qiáng)的可移動性，便于使用者攜帶，同時也要求功能完善，能夠?qū)崟r對心電信號進(jìn)行處理。集信號采集 — 處理 — 傳輸 三大功能于一體。對于這些功能，即需要相對獨立的模塊化設(shè)計，又需要良好的協(xié)調(diào)。 因此，在開發(fā)過程中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計。 處理器的選擇 處理器相當(dāng)于人體的大腦機(jī)制，整個系統(tǒng)在處理器合理指揮調(diào)度下才能完成我們賦予他們的任務(wù)，所以一款合適的處理器對于整個系統(tǒng)來說是非常重要的。經(jīng)過綜合考慮本設(shè)計對處理器的選擇主要從以下五個方面來考慮： (1) 處理器的處理速度：在本設(shè)計中，處理器不僅要進(jìn)行濾波處理，同時還要實時顯示出心電波形，在通信的情況下還要與 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 8 PC 機(jī)進(jìn)行通信，因此，處理器要有較高的處理速度。 (2) 處理器在完成任務(wù)的復(fù)雜程度：在本設(shè)計中，處理器要負(fù)責(zé)信號的采集、信號的濾波處理、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)存儲以及通信。 (3) 盡可能簡化外圍電路的復(fù)雜程度：一個系統(tǒng)中所使用的元器件越多、電路結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則系統(tǒng)的出問題的概率越大，可靠性與穩(wěn)定性越差。因此在選擇 MCU 的時候，希望 MCU 內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡化系統(tǒng)設(shè)計，增加系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。 (4) 盡可能減少生產(chǎn)成本：在本系統(tǒng)中，由于多數(shù)屬于家庭使用及野外環(huán)境的不確定性因素較多，對 于普及性的大眾化產(chǎn)品，希望替換成本越低越好，其中處理器的成本占了整個系統(tǒng)的重要的一部分，能夠降低處理器的成本也就從而降低了產(chǎn)品的總成本。 (5) 盡可能底的功耗：便攜式設(shè)備對低功耗的要求都較高，必須最低限度的減少功耗，手持式設(shè)備的續(xù)航能力也是眾多參數(shù)比較受關(guān)注的一點，如何能有長時間的續(xù)航能力也是我們需要注意的一點。 綜合以上幾個方面，最終選用了意法半導(dǎo)體公司推出的新型32 位 ARM 內(nèi)核處理器芯片 STM32 系列中的 STM32F103ZET6。 最小核心系統(tǒng)電路的設(shè)計 STM32F103x 增 強(qiáng) 型 系 列 芯 片 使 用 高 性 能 的 ARM CortexM3 32 位的 RISC 內(nèi)核，工作頻率為最高可達(dá) 72MHz，內(nèi)置高速存儲器 (高達(dá) 128K 字節(jié)的 FLASH 和 20K 字節(jié)的 SRAM)，豐富的增強(qiáng) I/O 端口和連接到兩條 APB 總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含 2 個 12 位的 ADC、 3 個通用 16 位定時器和一個PWM 定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個 I2C 和SPI、 3 個 USART、一個 USB 和一個 CAN。工作電壓為 。圖 2 是 STM32F103x 的模塊框圖 [9]。 STM32 微控制器有如下優(yōu)點： 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 9 (1) STM32 內(nèi)部有高達(dá) 128K 字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲器，用于存放程序和數(shù)據(jù)。多達(dá) 20K 字節(jié)的內(nèi)置 SRAM， CPU 能以 0 等待周期訪問 (讀 /寫 )。這樣在我們所設(shè)計的系統(tǒng)中就去掉了以往很多嵌入式項目設(shè)計中所需要的用于外部程序存儲器的 Flash 芯片和用于外部數(shù)據(jù)存儲器的 SRAM 芯片，大大節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性 [10]。 (2) STM32 增強(qiáng)型系列擁有內(nèi)置的 ARM 核心，因此它與所有的 ARM 工具和軟件兼容。 這給項目的開發(fā)工作帶來了很大的便利，因為在以前的工作中曾經(jīng)使用過其他 ARM 核心的微控制器，所積累的經(jīng)驗 在本項目的開發(fā)中得到了充分發(fā)揮。而且由于可用于 ARM 開發(fā)的工具軟件很多，大大加快了項目開發(fā)的速度和效率。 (3) STM32 的內(nèi)部 FLASH 是在線可編程的。在我們的項目中，設(shè)備運行的配置參數(shù) 會存儲在 FLASH 中的固定位置，每次啟動設(shè)備時，程序會讀取這些參數(shù)來進(jìn)行初始化。但在某些情況下，需要遠(yuǎn)程設(shè)置或修改配置參數(shù)。這一功能使得可以在不用接 JTAG 燒寫器的情況下根據(jù) USART 接口接收到的數(shù)據(jù)來修改FLASH 中的配置參數(shù)，在設(shè)備再次啟動時，就會讀取新參數(shù)來進(jìn)行初始化。 (4) STM32 有優(yōu)秀的功耗控制 。高性能并非意味著高功耗。STM32 經(jīng)過特殊處理，針對應(yīng)用中三種主要的功耗需求進(jìn)行優(yōu)化，這三種能耗需求分別是運行模式下的高效率的動態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時極低的電能消耗和電池供電時的低電壓工作能力 [11]。 (5) STM32 擁有強(qiáng)大的庫函數(shù)。它采取與以往不同設(shè)計方法，通過把各個外設(shè)封裝成標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù) 的方式，屏蔽了底層硬件細(xì)節(jié)，能夠使開發(fā)人員很輕松地完成產(chǎn)品的開發(fā)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 10 圖 2 STM32F103x 的模塊框圖 STM32 固件庫。 STM32 固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問 STM32 的 各個標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。 USB 開發(fā)工具集。在更廣的應(yīng)用領(lǐng)域中， USB 功能的實現(xiàn)將變得越來越方便，因為 USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過驗證的固件包，使得用戶可以順利地開發(fā)各個類的 USB 固件。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 11 (6) STM32F103xx 增強(qiáng)型支持三種低功耗模式，可以在要求低功耗、短啟動時間和多 種喚醒事件之間達(dá)到最佳的平衡。 總之， STM32 芯片在項目中的使用，使得整個系統(tǒng)的運行效率、穩(wěn)定性、功耗、生產(chǎn)成本等都比同類系統(tǒng)有了較大的提升。本設(shè)計中最小核心系統(tǒng)設(shè)計圖如圖 3 所示 。 圖 3 最小核心系統(tǒng)設(shè)計圖 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 12 由圖 3 中可以看出，在設(shè)計 STM32 最小系統(tǒng)時要注意一下幾個部分： (1) 復(fù)位電路：利用 RC 電路的延時特性，設(shè)計了簡單的復(fù)位電路，有此可簡單計算出延時時間，這里用一個 10 k 電阻和 181。F 的電容，時間延時大約為 ，符合 STM32 系統(tǒng)芯片的復(fù)位要求。 (2) 晶振電路：這里選用兩個晶振，首先 8M 無源晶振，晶振兩端分別通過 22pF 的電容接地，另一個 的晶 振使用的 15pF 的電容接地電路簡單，并能很容易的就能使晶振起振。 (3) 芯片上的 BOOT0 和 BOOT1 引腳