【文章內容簡介】 基于以上分析，、。下面以第1通道心電信號調理電路為例進行分析和設計。R5和CR10和C8分別組成RC低通濾波器，對人體經(jīng)過導聯(lián)線的心電信號進行預處理，消除高頻干擾的影響，濾波器的截止頻率計算公式為：為防止心電波形畸變，預處理電路的低通濾波器，截止頻率不宜過低，R取390K，C取47pF。二極管D1和DD3和D4組成保護電路，由于二級管的單向導通性，故可將電壓鉗制在VCC~+VCC之間，即5V~+5V，其主要作用有2個方面：；，確保人體安全。 第1通道心電信號調理電路 對于經(jīng)過預處理之后的心電信號，采用儀表放大器電路進行處理。儀表放大器（IA）是一個滿足下列技術要求的差分放大器：（理想為無限大）的共模和差模輸入阻抗；（理想為零）的輸出阻抗；，一般在1~1000倍。儀表放大器主要用于精確放大一個共模干擾存在的微弱電平信號，在生物醫(yī)學中被廣泛采用。 ，一般地，取R1=R2=R4=R5=Rf=R，則信號的放大倍數(shù)為G=1+R/Rg。借助固定的電阻R，可以通過調整Rg的值可調節(jié)放大倍數(shù)和信號增益。大部分儀表放大器芯片，內部已經(jīng)集成了內部的3個運放放大器和5個電阻等電路，只需要外接一個電阻Rg即可，通過改變Rg的大小，即可調節(jié)放大倍數(shù)[13]。 儀表放大器典型結構 儀表放大器采用極低漏電流的精密儀表放大器INA326進行設計，[14]。 儀表放大器INA326內部結構及典型電路 INA326儀表放大器的增益計算公式為：G=2R2/R1.，所設計的第1通道心電信號調理電路，放大倍數(shù)為G=2*100/(24+24)=。采用2個24K電阻的原因是，求2個導聯(lián)信號的平均值作為基準點，經(jīng)過U7A構成的電壓跟隨器，提高驅動能力，進一步放大后接入右腿，構成右腿驅動電路。右腿驅動電路的作用是減小共模干擾，提高信噪比。由于心電信號極其微弱，并且由于人體的靜電、工頻干擾等電磁干擾嚴重，這種干擾信號會掩蓋真實的心電信號，而右腿驅動電路將共模信號的平均值再接回人體作為參考，可抵大大抵消掉這些干擾信號，提高信噪比。對于儀表放大器INA326, 參考端的R6和C11并不是直接接在GND上，而是通過INA326的輸出端經(jīng)過由OPA233R14和C14組成的積分電路, 將輸出作為“浮點地”接入INA326參考點。這種接法可進一步減小干擾、提高信噪比。經(jīng)過儀表放大器之后的心電信號，仍然是十微弱的，這時候需要進行二級放大，由極低暗電流的精密運算放大器OPA2335進行設計。信號放大倍數(shù)為：1+R19/R24=101倍。在R19兩端并聯(lián)22pF的小電容，其作用是防止放大倍數(shù)過大而對心電信號引起振蕩和信號失真。由于心電信號的電壓范圍是有負有正，因此，要將負的電壓信號轉換成正的電壓信號，才能最后送給AD測量。采用外部電壓基準提供的+，接入OPA2335同相端，根據(jù)“虛短”、“虛斷”的概念，則反相端電壓也為+。，而不是之前的以0V為中心的有正有負了。第2通道心電信號調理電路和第3通道心電信號調理電路，和第1通道心電信號調理電路基本上一模一樣，這里不再進行詳細分析。值得說明的是，3個通道都接了右腿驅動電路，最終都接在右腿上，原因是取3個通道反饋的右腿驅動信號的平均值，接入人體作為心電信號的基準。 第2通道心電信號調理電路 第3通道心電信號調理電路 導聯(lián)切換電路由于3個通道的心電信號電路一模一樣，因此沒有必要將3個通道所有的電路全部設計出來，本設計通過STM32控制模擬開關切換的方式，將3個通道心電信號的調理電路設計為1個通道，可有大大減小硬件系統(tǒng)的成本、體積等。導聯(lián)切換電路設計在信號調理電路（帶通濾波、陷波器等）之前而不是直接從導聯(lián)處切換的原因是，直接從人體得到的電壓信號，極其微弱，并且干擾比較嚴重，模擬開關切換，很容易引起更大的干擾。而經(jīng)過儀表放大、二極放大之后的信號，信噪比、抗干擾能力都已大大增強，模擬開關不會引起干擾，即使有干擾也不會被放大電路所放大。，由高速模擬開關TS5A3357進行設計。模擬開關由STM32的2路IO口接入TS5A3357的IN1和IN2進行控制，當IN1=0/IN2=0時，第1通道心電信號VO1和COM導通，當IN1=0/IN2=1時，第2通道心電信號VO2和COM導通，當IN1=1/IN2=0時，第3通道心電信號VO3的COM導通。通過模擬開關切換3個通道的心電信號，依次送入信號調理電路進行進一步處理。 導聯(lián)切換電路 帶通濾波電路 信號調理電路主要包括帶通濾波電路和陷波器電路。截止頻率的計算公式為：二階有源濾波器的設計，首先確定電容C的大小，然后根據(jù)上述公式計算電阻R的大小。一般地，截止頻率0100Hz，C的范圍取1~10uF。，取C=1uF，由公式計算。由于元件的值不是任意的，而是一些固定的值，，滿足要求。二階低通有源濾波器也采用巴特沃斯濾波器進行設計，參數(shù)的分析和設計過程，和二階低通濾波器一樣，根據(jù)截止頻率和計算公式，取C=1uF，則R的大小約為1K歐姆。當取C=1Uf，R=1K歐姆時，計算出的頻率頻率為159Hz，滿足要求。 帶通濾波電路 陷波器電路 50Hz干擾為人體所攜帶，會引入心電監(jiān)護系統(tǒng)，對信號造成嚴重干擾，甚至會淹沒信號。工頻干擾形成的原因是，室內的電源及各種電器上基本上采用50Hz交流供電，因此這些電器會輻射出50Hz的電磁波，人體是電的良導體，與測量設備的電源線之間會形成電容耦合，以位移電流的形式引入。工頻干擾的頻率是50Hz，設計較理想的帶阻濾波器，即可將工頻干擾濾除。50Hz帶阻濾波器采用帶正反饋的有源雙T帶阻濾波器進行設計，也就是常用的雙T陷波器。但是，實際上，由于電子元器件的本身的誤差，會引起雙T陷波器的中心頻率不是50Hz，比如，常用的電容的精度是10%，電阻的精度相對高一些，但一般也說也高于1%，中心頻率的偏移，在50Hz處的帶阻效果會不減弱甚至沒有效果，就會對50Hz陷波器的效果造成極大的影響，并不能起到完全濾除工頻干擾的作用。基于此，設計了中心頻率和46Hz的雙T陷波器和中心頻率為54Hz的雙T陷波器，以組成2階疊加的雙T陷波器，一方面，可以使帶阻的帶寬加大，防止帶阻頻率偏出50Hz，另一方面，可以疊加陷波器的效果，提高工頻信號的衰減增益。截止頻率的計算公式都是：由上述公式計算，對于圖中選定的電阻和電容值，滿足要求。電路中R64和R6C61和C62以及R66和R6C63 和C64取同樣大小并聯(lián)而不是并聯(lián)值的原因是，實際上常用的并沒有對應該并聯(lián)值的電阻和電容。 46Hz雙T陷波器 54Hz雙T陷波器 經(jīng)過信號調理電路的電壓信號，而STM32采用外部+，因此，要對經(jīng)過信號調理電路的電壓信號進行分壓，，這樣，就可以送給STM32的AD進行心電信號的采集。 嵌入式系統(tǒng)電路設計 嵌入式系統(tǒng)電路以32位的ARM微控制器STM32F103ZET6為核心進行設計。STM32F103ZET6是增強型32位基于ARM核心的帶512K字節(jié)閃存的微控制器，主頻72MHz，并支持單周期乘法和硬件除法，接口和外圍資源非常豐富，自帶12位AD，可通過串口下載燒寫程序，或通過SWD方式調試下載程序，使用非常方便，是目前最流行的32位微控制器。STM32F103ZET6自帶的12位AD用于采集心電信號，F(xiàn)SMC用于控制LCD和觸摸屏， SDIO用于SD卡數(shù)據(jù)存儲，串口2用于連接GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，這些獨特的特征，使得STM32F103ZET6非常適合作為遠程心電采集系統(tǒng)的控制核心。STM32F103ZET6的結構框圖（部分）。 STM32F103ZET6結構框圖（部分） STM32最小系統(tǒng)和AD采集電路 STM32最小系統(tǒng)和AD采集電路。主要包括：復位電路、晶振電路、電源電路、SWD電路（等同JATG電路）、啟動模式設置電路、串口接口電路等。其中，復位電路的作用是給STM32控制系統(tǒng)進行硬件復位，晶振電路為STM32提供外部系統(tǒng)時鐘和RTC時鐘，SWD電路可以調試或下載程序。STM32最小系統(tǒng)電路比較簡單，不再詳細分析。需要注意的是，模擬電源和數(shù)字電源，要分開，最后通過0歐姆的電阻單點連接。每個模擬電源和數(shù)字電源旁邊，要放一個104的小電容退耦，以減小電源的紋波，提高STM32抗干擾能力。AD采集電路直接接入STM32的ADC1的AIN0通道，根據(jù)前面的分析 ，ADC電壓基準采用外部精密電壓基準REF5025進行設計。，12位的AD，則精度可以達到：。 STM32F103最小系統(tǒng)和AD采集電路 LCD觸摸屏電路 為了能在遠程心電終端上實時顯示心電圖以及終端的工作狀態(tài)的信號，設計了LCD觸摸屏電路。，分辨率為480*320，16位色（6萬5千色）顯示支持。LCD觸摸屏由STM32F103的FSMC總線進行控制和通信。STM32作為新一代ARMCortexM3核處理器，而其特殊的可變靜態(tài)存儲技術FSMC具有高度的靈活性和極快的傳輸速度，對于存儲容量要求較高的嵌入式系統(tǒng)設計，以及刷新速度，非常能夠在不增加外部分立器件的情況下，擴展多種不同類型和容量的存儲芯片，降低了系統(tǒng)設計的復雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。 SD卡電路 基于遠程的GPRS心電監(jiān)護系統(tǒng)，心電數(shù)據(jù)主要通過GPRS移動通信網(wǎng)絡實時發(fā)送到遠程醫(yī)院服務器，但某些情況下，如果網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定等，數(shù)據(jù)將會丟失，這對慢性病管理來說，是不科學的，理想的情況下，如果網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定，可以將數(shù)據(jù)保存下來，當網(wǎng)絡信號穩(wěn)定的時候，再通過GPRS將保存的心電信號數(shù)據(jù)發(fā)送出去。針對這一需要，設計了SD卡數(shù)據(jù)存儲電路。STM32通過SPI接口對SD卡進行數(shù)據(jù)的讀寫。STM32自帶的4線制SPI總線，支持18Mhz的時鐘速度，可通過STM32下位機程序建立文件系統(tǒng)，實現(xiàn)SD卡數(shù)據(jù)的高速讀寫。STM32與SD卡的SPI總線為4線制SPI總線，其中，SD_CS為片選信號，SPI1_SCK為控制時鐘信號， SPI1_MOSI和SPI1_MISO為數(shù)據(jù)信