【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 M32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)53 便攜式心電圖儀的硬件設(shè)計(jì)便攜式心電圖儀要求具有可移動(dòng)性和再開(kāi)發(fā)性，不僅便于攜帶、功能盡可能的完善能夠?qū)崟r(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理，而且要求隨著發(fā)展可以進(jìn)一步升級(jí)滿(mǎn)足人們更多的需求。本心電圖儀集信號(hào)的采集、處理、傳輸三大功能于一體。對(duì)于這些功能，即需要相對(duì)獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，又需要良好的協(xié)調(diào)。因此，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對(duì)性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計(jì)?？傮w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(jì)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(jì)，系統(tǒng)擴(kuò)展與 I/O 的配置充分滿(mǎn)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(kāi)發(fā)。 (3) 注重軟硬件結(jié)合，軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)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(dòng)能力，有必要的可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)它包括去耦濾波、印刷電路板布線(xiàn)、通道隔離等 [8]。 最小核心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格綜合性要求的專(zhuān)用計(jì)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(dòng)性，便于使用者攜帶，同時(shí)也要求功能完善，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行處理。集信號(hào)采集—處理—傳輸三大功能于一體。對(duì)于這些功能，即需要相對(duì)獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)，又需要良好的協(xié)調(diào)。 因此，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，硬件設(shè)備的選擇需要考慮這些特定的需求，有針對(duì)性的進(jìn)行器件的選擇和設(shè)計(jì)。 處理器的選擇處理器相當(dāng)于人體的大腦機(jī)制，整個(gè)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常重要的。經(jīng)過(guò)綜合考慮本設(shè)計(jì)對(duì)處理器的選擇主要從以下五個(gè)方面來(lái)考慮： (1) 處理器的處理速度：在本設(shè)計(jì)中，處理器不僅要進(jìn)行濾波處理，同時(shí)還要實(shí)時(shí)顯示出心電波形，在通信的情況下還要與 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(jì)中，處理器要負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、信號(hào)的濾波處理、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及通信。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)6(3) 盡可能簡(jiǎn)化外圍電路的復(fù)雜程度：一個(gè)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(wèn)題的概率越大，可靠性與穩(wěn)定性越差。因此在選擇 MCU 的時(shí)候，希望 MCU 內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(duì)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(gè)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(duì)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(diǎn)，如何能有長(zhǎng)時(shí)間的續(xù)航能力也是我們需要注意的一點(diǎn)。綜合以上幾個(gè)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(jì)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(chǔ)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(xiàn)的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含 2 個(gè) 12 位的 ADC、3 個(gè)通用 16 位定時(shí)器和一個(gè) PWM 定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá) 2 個(gè) I2C 和 SPI、3 個(gè) USART、一個(gè) USB 和一個(gè) 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(diǎn)： (1) STM32 內(nèi)部有高達(dá) 128K 字節(jié)的內(nèi)置閃存存儲(chǔ)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(fǎng)問(wèn)(讀/ 寫(xiě))。這樣在我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中就去掉了以往很多嵌入式項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所需要的用于外部程序存儲(chǔ)器的 Flash 芯片和用于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工作帶來(lái)了很大的便利，因?yàn)樵谝郧暗墓ぷ髦性?jīng)使用過(guò)其他 ARM 核心的微控制器，所積累的經(jīng)驗(yàn)在本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中得到了充分發(fā)揮。而且由于可用于 ARM 開(kāi)發(fā)的工具軟件很多，大大加快了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的速度和效率。 (3) STM32 的內(nèi)部 FLASH 是在線(xiàn)可編程的。在我們的項(xiàng)目中，設(shè)備運(yùn)行的配置參數(shù) 會(huì)存儲(chǔ)在 FLASH 中的固定位置，每次啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，程序會(huì)讀取這些參數(shù)來(lái)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基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)7用接 JTAG 燒寫(xiě)器的情況下根據(jù) USART 接口接收到的數(shù)據(jù)來(lái)修改 FLASH 中的配置參數(shù)，在設(shè)備再次啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)讀取新參數(shù)來(lái)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(guò)特殊處理，針對(duì)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(yùn)行模式下的高效率的動(dòng)態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)狀態(tài)時(shí)極低的電能消耗和電池供電時(shí)的低電壓工作能力[11]。 (5) STM32 擁有強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)。它采取與以往不同設(shè)計(jì)方法，通過(guò)把各個(gè)外設(shè)封裝成標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù) 的方式，屏蔽了底層硬件細(xì)節(jié)，能夠使開(kāi)發(fā)人員很輕松地完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)8圖 2 STM32F103x 的模塊框圖STM32 固件庫(kù)。 STM32 固件庫(kù)提供易用的函數(shù)可以使用戶(hù)方便地訪(fǎng)問(wèn) STM32 的 各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，并使用它們的所有特性。 USB 開(kāi)發(fā)工具集。在更廣的應(yīng)用領(lǐng)域中，USB 功能的實(shí)現(xiàn)將變得越來(lái)越方便，因?yàn)?USB 開(kāi)發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的固件包，使得用戶(hù)可以順利地開(kāi)發(fā)各個(gè)類(lèi)的 USB 固件。 (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(dòng)時(shí)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(xiàng)目中的使用，使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性、功耗、生產(chǎn)成本等都比同類(lèi)系統(tǒng)有了較大的提升。本設(shè)計(jì)中最小核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖 3 所示。基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)9圖 3 最小核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖由圖 3 中可以看出，在設(shè)計(jì) STM32 最小系統(tǒng)時(shí)要注意一下幾個(gè)部分： (1) 復(fù)位電路：利用 RC 電路的延時(shí)特性，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的復(fù)位電路，有此可簡(jiǎn)單計(jì)算出延時(shí)時(shí)間，這里用一個(gè) 10 k 電阻和 181。F 的電容，時(shí)間延時(shí)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(gè)晶振，首先 8M 無(wú)源晶振，晶振兩端分別通過(guò) 22pF的電容接地，另一個(gè) 的晶振使用的 15pF 的電容接地電路簡(jiǎn)單，并能很容易的就能使晶振起振。(3) 芯片上的 BOOT0 和 BOOT1 引腳分別通過(guò)跳線(xiàn)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(shuō)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(guò) 0O 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(duì)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(duì)于人機(jī)交互部分，顯然采用單色液晶顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足的需要，因此把 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(lái)講，在液晶上不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)最好能夠以不同的顏色來(lái)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(guò)大，但也要便于觀察，選擇時(shí)要符合實(shí)際情況，過(guò)大則不便于隨身攜帶，過(guò)小則可能出現(xiàn)漢字或數(shù)字不便于觀察等問(wèn)題。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)10(3) 功耗。對(duì)于便攜式嵌入式設(shè)備來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)電池的工作時(shí)間 (4) 材質(zhì)。液晶主要有兩類(lèi)：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?xún)r(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(wàn)色，16 位并行接口，可以直接用AVR、 ARMSTM32 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(xiàn)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 所示圖4 LCD顯示界面借口 按鍵設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的場(chǎng)合，按鍵是比較常用的，通過(guò)按鍵來(lái)選擇系統(tǒng)的功能，完成對(duì)系統(tǒng)的訪(fǎng)問(wèn)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(duì)設(shè)置或訪(fǎng)問(wèn)的液晶顯示對(duì)象進(jìn)行選擇，中鍵是確定鍵，這樣就實(shí)現(xiàn)了既可以用觸摸功能，也可以用按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置，按鍵電路的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，這里不再詳述。具體電路實(shí)現(xiàn)如圖 5 所示?；?STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)11圖5 按鍵接口電路 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(hào)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(hào)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(hào)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(jí)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(duì)不同信號(hào)頻率的反應(yīng)，心電信號(hào)的范圍低于 100Hz，所以要求放大器要對(duì)此頻率范圍的信號(hào)盡可能不失真的放大出來(lái)?？梢栽O(shè)計(jì)高通、低通濾波器來(lái)壓縮頻帶，濾除該頻帶以外的干擾信號(hào)。必要時(shí)還需要設(shè)計(jì) 50Hz 工頻干擾抑制電路，通過(guò)這樣處理后，得到的信號(hào)才可能有診斷價(jià)值。 (3) 共模抑制比 電極不對(duì)稱(chēng)、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(guò)放大電路其值極有可能遠(yuǎn)比心電信號(hào)大得多，從而將微弱的信號(hào)淹沒(méi)。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(hào)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(hào)，不然由于分壓的因素，會(huì)極大的衰減心電信號(hào)，從而導(dǎo)致無(wú)法正確采集。 (5) 低噪聲、低漂移 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)12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(huì)引入直流電壓增益從而給心電信號(hào)帶來(lái)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(hào)采集電路由于人類(lèi)受到大量的外部干擾，心電電極和電力線(xiàn)之問(wèn)由于存在電容