【文章內(nèi)容簡介】 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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 5 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(dú)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。 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(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)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(dú)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(shí)時顯示出心電波形，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 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 6 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(diǎn)，如何能有長時間的續(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(diǎn)： (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(xiàng)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(xiàng)目的開發(fā)工作帶來了很大的便利，因?yàn)樵谝郧暗墓ぷ髦性?jīng)使用過其他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(xiàng)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(xiàng)目中，設(shè) 備運(yùn)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， 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 7 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(yùn)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。 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(shí)現(xiàn)將變得越來越方便，因 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 8 為 USB 開發(fā)工具集提供了完整的，經(jīng)過驗(yàn)證的固件包，使得用戶可以順利地開發(fā)各個類的 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(xiàng)目中的使用，使得整個系統(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 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。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 9 (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 引腳分別通過跳線帽可選高低電平，以改變芯片啟動模式，其啟動模式具體如下表 1 所示。 表 1 啟動模式說明 (4) 模塊有 4 個數(shù)字電源供電引腳， 1 個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 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 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 首先，針對要完成一款便攜式心電儀的設(shè)計，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，因此把 LCD 的選擇定位在了彩色液晶上。主要從以下幾個參數(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)計時的一個指標(biāo)，因此液晶的尺寸不易過大，但也要便于觀察，選擇時要符合實(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)，在外邊使用時能夠盡可能地延長電池的工作時間 (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) 價格。正如上面所提到的，性價比高是本系統(tǒng)設(shè)計的一個目標(biāo)，因此要可能 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 10 的用符合設(shè)計要求價格低廉的產(chǎn)品。 因此，根據(jù)上述幾點(diǎn)本設(shè)計選用了 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。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)計如圖 4 所示 圖 4 LCD顯示界面借口 按鍵設(shè)計 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 個按鍵，分別定義為上、下、左、右、中鍵，前四個按鍵是對設(shè)置或訪問的液晶顯示對象進(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。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 11 圖 5 按鍵接口電路 前置放大電路以及右腿驅(qū)動電路 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。必要時還需要設(shè)計 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值。 (3) 共模抑制比 電極不對稱、電氣設(shè)備運(yùn)行時的干擾都易產(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，還有兩個較重要的參數(shù)即噪聲和漂移。在設(shè)計心電放大器時應(yīng)盡 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 12 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)動法，圖 7為右腿驅(qū)動的具體連接電路。右腿不直接接地而是接到輔助運(yùn)算放大器的