【文章內(nèi)容簡介】 分別通過跳線帽可選高低電平，以改變芯片啟動(dòng)模式，其啟動(dòng)模式具體如下表 1 所示。 表 1 啟動(dòng)模式說明 (4) 模塊有 4 個(gè)數(shù)字電源供電引腳， 1 個(gè)模擬電源供電引腳以及相應(yīng)的接地引腳。在電源端要注意接濾波電容，模擬地和數(shù)字地引腳之間最好通過 0 歐 電阻隔離。電源和地之間加若干去藕電容。 人機(jī)交互界面 的 設(shè)計(jì) 人機(jī)交互界面是人與機(jī)器進(jìn)行溝通交流的 設(shè)備，它可以把人的指令傳入給 MCU，也可以讓設(shè)備顯示出我們所想知道的信息。 顯示界面設(shè)計(jì) 首先，針對要完成一款便攜式心電儀的設(shè)計(jì)，那么在 LCD的選擇上，就要符合實(shí)際的需要，必須要考慮功耗和成本。對于人機(jī)交互部分，顯然采用單色液晶顯然已經(jīng)不能滿足的需要，因 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 13 此把 LCD 的選擇定位在了彩色液晶上。主要從以下幾個(gè)參數(shù)做出選擇： (1) 顏色要豐富。從美觀角度來講，在液晶上不同類型的數(shù)據(jù)最好能夠以不同的顏色來區(qū)分。比如波形、漢字、數(shù)字最好顏色不同。所以在液晶的顏色上要達(dá)到一定的數(shù)量。 (2) 尺寸。便 攜式式是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)指標(biāo)，因此液晶的尺寸不易過大，但也要便于觀察，選擇時(shí)要符合實(shí)際情況，過大則不便于隨身攜帶，過小則可能出現(xiàn)漢字或數(shù)字不便于觀察等問題。 (3) 功耗。對于便攜式嵌入式設(shè)備來說，低功耗是一般都作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在外邊使用時(shí)能夠盡可能地延長電池的工作時(shí)間 (4) 材質(zhì)。液晶主要有兩類： STN 型和 TFT 型，后者較之前者顯示效果更佳，但耗電能方面也高于前者。 (5) 價(jià)格。正如上面所提到的，性價(jià)比高是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)目標(biāo)，因此要可能的用符合設(shè)計(jì)要求價(jià)格低廉的產(chǎn)品。 因此，根據(jù)上 述幾點(diǎn)本設(shè)計(jì)選用了 寸真彩 TFT 液晶觸摸屏， 320*240像素， 26 萬色， 16 位并行接口，可以直接用 AVR、 ARM STM32等 MCU 驅(qū)動(dòng)。相關(guān)參數(shù)： ? 分辨率： QVGA 240 x 320 ? 尺寸： 英寸 ? 控制器： IL9320 ? 觸摸屏： 4 線電阻式 ? 接腳： 30PIN 間距 ? 背光： 4 LED 并聯(lián) 具體接口電路設(shè)計(jì)如圖 4 所示 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 14 圖 4 LCD顯示界面借口 按鍵設(shè)計(jì) 對于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的場合，按鍵是比較常用的，通過按鍵來選 擇系統(tǒng)的功能，完成對系統(tǒng)的訪問控制。本系統(tǒng)用了 5 個(gè)按鍵，分別定義為上、下、 左、右、中鍵，前四個(gè)按鍵是對設(shè)置或訪問的液晶顯示對象進(jìn)行選擇，中間 是確定鍵，這樣就實(shí)現(xiàn)了既可以用 按鍵 功能，也可以用按鍵來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的設(shè)置，按鍵電路的實(shí)現(xiàn)比較簡單，這里不再詳述。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖 5 所示。 圖 5 按鍵接口電路 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 15 前置放大電路以及右腿驅(qū)動(dòng)電路 前置放大電路要完成的功能是實(shí)現(xiàn)信號的差分放大，該部分電路在整個(gè)采集電路中至關(guān)重要，因?yàn)楹罄m(xù)信號的處理都是以此為基礎(chǔ)的。因此要選擇一款合適的差分運(yùn)放芯片。選擇時(shí)一般考慮以下幾點(diǎn)： (1) 增益 由于心電信號非常微弱，均值在 1mV 左右，而采集電壓一般要達(dá)到 1V 左右，所以心電放大倍數(shù)在 1000 倍左右。一般為了抑制零點(diǎn)漂移，提高共模抑制比，應(yīng)該分多級實(shí)現(xiàn)放大。 (2) 頻率響應(yīng) 所謂頻率響應(yīng)是指放大器對不同信號頻率的反應(yīng)，心電信號的范圍低于 100Hz，所以要求放大器要對此頻率范圍的信號盡可能不失真的放大出來 ?？梢栽O(shè)計(jì)高通、低通濾波器來壓縮頻帶，濾除該頻帶以外的干擾信號。必要時(shí)還需要設(shè)計(jì) 50Hz 工頻干擾抑制電路，通過這樣處理后，得到的信號才可能有診斷價(jià)值。 (3) 共模抑制比 電極不對稱、電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)的干擾都易產(chǎn)生極化電壓，然后通過放大電路其值極有可能遠(yuǎn)比心電信號大得多，從而將微弱的信號淹沒。因此要求放大器有很高的共模抑制比。一般要求要達(dá)到 80db 以上。 (4) 輸入阻抗 心電信號是微弱的，且具有高阻抗的特性，只有高輸入阻抗才有可能不失真的引出心電信號，不然由于分壓的因素，會極大的衰減心電信號，從 而導(dǎo)致無法正確采集。 (5) 低噪聲、低漂移 在心電放大器中，還有兩個(gè)較重要的參數(shù)即噪聲和漂移。在設(shè)計(jì)心電放大器時(shí)應(yīng)盡量選用低噪聲元件，提高輸入阻抗。另外，溫漂會引入直流電壓增益從而給心電信號帶來干擾。因此，選用的放大器要特別注意這兩個(gè)參數(shù)。綜上所述該方案選用具有上述 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 16 優(yōu)點(diǎn)的 AD620， 具體 設(shè)計(jì)電路圖如圖 6 所示 。 圖 6 前置信號采集電路 由于人類受到大量的外部干擾， 心電電極和電力線之問由于存在電容耦合會產(chǎn)生位移電流 Id， 降低位移電流干擾的一種有效辦法是采用右腿驅(qū)動(dòng)法，圖 7為右腿驅(qū)動(dòng)的具體連接電路。 右腿不直接接地而是接到輔助運(yùn)算放大器的輸出。從 兩個(gè) 電阻結(jié)點(diǎn)檢出共模電壓，它經(jīng)過輔助的反相放大器放大后通過電阻反饋到右腿。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，對 50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號的頻率成分為代價(jià)。但由于右腿驅(qū)動(dòng)存在交流干擾電壓的反饋電路，而交流電流經(jīng)人體，成為不安全因素，限流電阻通常在 1MΩ以上。 圖 7 右腿驅(qū)動(dòng)電路 濾波電路以及陷波電路的設(shè)計(jì) 為濾除干擾需要設(shè)計(jì)帶通濾波器，使頻率為 ～ l00Hz 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 17 的心電信號通過，該范圍以外的信號將大幅度衰減掉。濾波器有無源濾波器和有源濾波器兩種。無源低通 濾波器是由無源器件（電阻，電容，電感）組成。其帶負(fù)載后，通帶放大倍數(shù)的數(shù)值減小，通帶截止頻率升高，這個(gè)缺點(diǎn)不符合信號處理的要求 [12]。因此本設(shè)計(jì)選用有源低通濾波器。 由 RC 元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器稱為 RC 有源濾波器，其功能是讓一定的頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。具有理想幅頻特性的濾波器是很難實(shí)現(xiàn)的。只能用實(shí)際的濾波器的幅頻特性去逼近理想的特性。常用的方法是巴特沃斯（ Butterworth）逼近和切比雪夫（ Chebysher） [13]逼近。保證信號的原形，采用較平坦的巴特沃斯 有源濾波。高通濾波器的設(shè)計(jì)與低通濾波器相似，這里不再敘述。 帶通濾波器用高低通濾波器來構(gòu)成，如圖 8 所示。高通濾波器由 U C Rdip11 組成，其截至頻率為 f=，低通濾波器由 U Cdip Rsop4 組成，截至頻率為 f=110Hz。 圖 8 帶通濾波電路 基于小型化和成本考慮，硬件濾波只用一階高通濾波器和一階低通濾波器，雖然設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路，但是仍然有 50Hz 干擾進(jìn)入電路， 所以本設(shè)計(jì)增加了 50Hz 陷波電路 ， 如圖 9 所示通過該 方法來濾除工頻干擾，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過高低通濾波后 再加上陷波電 路 的信號波形 清晰、特征明顯。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 18 圖 9 50Hz 陷波電路 電源電路的設(shè)計(jì) 電源電路是整個(gè)系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，隨著便攜式產(chǎn)品的普及，如何降低功耗成為工程師面臨的急需解決的問題。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。因此電源管理越發(fā)顯得重要。 電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源電路設(shè)計(jì)主要考慮用哪種類型的電源器件，輸入輸出電壓，輸出電流以及控制狀態(tài) [15]。 心電采集電路需要土 5V 電源， STM32 工作電壓為 ， 本設(shè)計(jì)用 電池供電，中正負(fù) 5V 電壓可以采用 7805 和 7905 來產(chǎn)生，它 通過外圍的電感電容的組合提供升滿足運(yùn)放使用的正電壓和負(fù)電壓， 圖 10 是其典型應(yīng)用。 圖 10 正負(fù) 5V 電源電路 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 19 的電壓采用 AMS1117 產(chǎn)生，其最大的特點(diǎn)是簡單易用，而且性價(jià)比高，輸入電壓 5V~12V，直接輸出 。電路如圖 11所示。 圖 11 AMS1117穩(wěn)壓電路 4 便攜式心電圖儀 的 軟件 設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)沿用經(jīng)典 的是模塊化的編程思想，首先 根據(jù)要求 設(shè)計(jì)好系統(tǒng) 的總 軟件流程，然后 再 分 別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng) 各模塊 的功能。 在完成硬件電路設(shè)計(jì)和電路 制作后，再進(jìn) 行整體 的統(tǒng)一 調(diào)試。本章主要討論系統(tǒng)軟件在 STM32 上的編程與實(shí)現(xiàn)。 軟件開發(fā)平臺 Keil 是德國 Keil 公司（現(xiàn)已并入 ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前 ARM 內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。 Keil提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些功能組合在一起。 uVision 當(dāng)前最高版本是uVision3,它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。 uVision3 IDE 是一款集編輯，編譯和項(xiàng)目管理于一身的基于 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì) 20 窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。 uVision3 集成了 C 語言編譯器，宏編譯，鏈接 /定位，以及 HEX 文件產(chǎn)生器。 如圖 12 所示， 是它的 一個(gè)典型的調(diào)試 窗口 ， 它主要包括 以下幾個(gè)窗口： 圖 12 Keil MDK開發(fā)環(huán)境 ? 工程區(qū)：用于訪問文件組和文件，調(diào)試是可以查看 CPU寄存器。 ? 輸出窗口 ： 顯示編譯結(jié)果，以便快速查找錯(cuò)誤的地方，同時(shí)還是調(diào)試命令輸入輸出窗口，也可以用于顯示查找結(jié)果。 ? 內(nèi)存窗口：顯示指定地址內(nèi)村里的內(nèi)容。查看和調(diào)用 ? 堆 棧窗