【正文】 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。因此要求放大器有很高的共模抑制比。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。(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。選擇時一般考慮以下幾點：(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到 1V 左右，所以心電放大倍數(shù)在 1000 倍左右?；?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，因為后續(xù)信號的處理都是以此為基礎(chǔ)的。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行選擇，中鍵是確定鍵，這樣就實現(xiàn)了既可以用觸摸功能，也可以用按鍵來實現(xiàn)對系統(tǒng)的設(shè)置，按鍵電路的實現(xiàn)比較簡單，這里不再詳述。 因此，根據(jù)上述幾點本設(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、 ARMSTM32 等 MCU 驅(qū)動。 (5) 價格。對于便攜式嵌入式設(shè)備來說，低功耗是一般都作為一項重要的指標(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)。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。所以在液晶的顏色上要達到一定的數(shù)量。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。對于人機交互部分，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。 人機交互界面的設(shè)計人機交互界面是人與機器進行溝通交流的設(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。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。(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。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。本設(shè)計中最小核心系統(tǒng)設(shè)計圖如圖 3 所示。 (6) STM32F103xx 增強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 種喚醒事件之間達到最佳的平衡。 USB 開發(fā)工具集。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計8圖 2 STM32F103x 的模塊框圖STM32 固件庫。 (5) STM32 擁有強大的庫函數(shù)。高性能并非意味著高功耗。這一功能使得可以在不基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計7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)來進行初始化。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)來進行初始化。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。 (2) STM32 增強型系列擁有內(nèi)置的 ARM 核心，因此它與所有的 ARM 工具和軟件兼容。多達 20K 字節(jié)的內(nèi)置 SRAM，CPU 能以 0 等待周期訪問(讀/ 寫)。圖 2 是 STM32F103x 的模塊框圖 [9]。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)和先進的通信接口：多達 2 個 I2C 和 SPI、3 個 USART、一個 USB 和一個 CAN。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。 (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。 基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計6(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。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 PC 機進行通信，因此，處理器要有較高的處理速度。 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，有針對性的進行器件的選擇和設(shè)計。集信號采集—處理—傳輸三大功能于一體。 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系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分有機的結(jié)合在一起，作為一種典型的嵌入式應(yīng)用 [9]。 (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。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。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)。基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計53 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對心電信號進行處理，而且要求隨著發(fā)展可以進一步升級滿足人們更多的需求。 （5）上位機設(shè)計：在 PC 機上處理和顯示心電波形。 （3）按鍵電路：完成良好的人機交互。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。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，以便對心電數(shù)據(jù)做進一步的分析。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 進行 AD 轉(zhuǎn)換。主要研究工作如下： (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)?。采取軟件濾波即設(shè)計數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器有多種，這樣就必須尋找一種行之有效的濾波算法。同時便攜式設(shè)備必須是低功耗設(shè)備這限制了多數(shù)的微處理器，鋰電池供電對信號僅僅用硬件濾波還不能達到分析信號的要求，硬件濾波的一個缺點是，要想獲得更好的濾波效果，必須設(shè)計更高的階數(shù)，而這無疑會增加系統(tǒng)的體積。另外受到 50Hz 及其倍頻干擾和極化電壓的影響，對前置放大器和信號濾波電路的設(shè)計提出了更高的要求。設(shè)計符合市場需求的產(chǎn)品是企業(yè)生存的根本，利用高科技帶來的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械更是一個巨大的市場機會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護設(shè)備必將越來越普及 [6]。總之，科技不斷進步，人們的需求也在變化，心電圖是記錄心臟電活動狀態(tài)的記錄，包括心臟節(jié)律和頻率以及電壓的高低等信息，可用于診斷各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。 （5）遠(yuǎn)程化計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，為遠(yuǎn)程醫(yī)療的實現(xiàn)提供了可能，將心電數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸，在遠(yuǎn)端對心電數(shù)據(jù)加以分析處理并提出診斷結(jié)果，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。同時，能減輕病人的心里緊張程度，實現(xiàn)心電檢測的方便性。（2）數(shù)字化 隨著計算機科學(xué)、機械電子的迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械的數(shù)字化程度越來越高，比如數(shù)字濾波器的使用，極大的降低了心電干擾，提高了心電判斷的準(zhǔn)確率。電子病歷是信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的必然產(chǎn)物，我國衛(wèi)生部先后在 2022，2022 發(fā)布了關(guān)于電子病歷系統(tǒng)的規(guī)范和通知文件。目前各大醫(yī)療器械廠商都投入巨資開發(fā)性能更強、功能更加完善的心電設(shè)備，比如歐姆龍、北京超思、亞新、均在該領(lǐng)域的研究與生產(chǎn)上有所突破。隨著社會的發(fā)展，心電圖檢測理論越來越成熟與完善，另外機械、電子、計算機等技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強了心電圖機的功能?？傊@位被尊稱為“心電圖之父”的生理學(xué)家對心電圖的創(chuàng)立及發(fā)展有著巨大的的貢獻。1912 年在他深入研究了正常心電圖的波動范圍后，提出了著名的“愛因托芬三角”理論。同時，他又制定心電圖的影線在縱坐標(biāo)上波動 1cm，代表 1mV 的電位差，在橫坐標(biāo)上移動 1cm 為 秒的標(biāo)準(zhǔn)。 1895 年他開始了對心臟動作電流的進一步研究，并通過對德?阿森瓦爾氏的鏡影電流計的設(shè)計改進，提高了心電圖的質(zhì)量。本文主要研究的便攜式心電圖儀，即將普通心電圖設(shè)備小型化、家庭化，具有低價位、體積小、便于攜帶和使用方便等特點。而便攜基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計2式監(jiān)護裝置可以在隨時隨地的進行實時監(jiān)護，并把數(shù)據(jù)存儲起來。這樣也可以避免那些行動不便的病人，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳送的方式，提交到專業(yè)機構(gòu)或指定的醫(yī)院驚醒專業(yè)診斷和分析。常規(guī)心電監(jiān)護設(shè)備體積笨重、價格昂貴和不便于攜帶，但是隨著社會生活水平的提高，醫(yī)療器械家庭化開始逐漸進入我們的日常生活，家庭化的心電圖儀器功能沒有專業(yè)的大型的醫(yī)療設(shè)備齊全，但是它具有具有體積小、操作簡單的優(yōu)點，同時可以在一定程度上滿足了人們的基本應(yīng)用。 心電圖能夠在一定程度上反映心律的運行狀況，人的心肌受損的程度、發(fā)展過程以及心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況都能通過它表現(xiàn)出來。通過捕捉這個現(xiàn)象，將心電圖顯示出來的心電檢測儀器，根據(jù)這些人體生物電信號，我們可以從不同角度觀察心臟的活動情況。在心臟肌肉每次收縮之前，都會產(chǎn)生一股微小的生物電流，加上人體的體液能夠?qū)щ姡@些微小電流可以通過體液的傳遞就會反映到人體的表面皮膚上。預(yù)防率是有效防治心腦血管疾病的關(guān)鍵因素，而且有效的方便的心電監(jiān)測儀器是完成這一任務(wù)的有力工具。每年約有 16 萬名患者接受支架植入手術(shù)，手術(shù)施行每年的增長率超過了五分之一。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國因心腦血管疾病死亡的人數(shù)將近占總死亡人數(shù)的一半 [1]。心電處理電路通過 A/D 轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送至微處理器做進一步處理，該部分電路主要包括 STM32 處理器電路、LCD 接口電路等，選用 ST 公司的低成本、低功耗的 CortexM3 核處理器 STM32F103ZE 作為控制核心。根據(jù)心電信號的特點，選用精密儀表放大器為主要元件設(shè)計了前置放大電路。****大 學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 學(xué)院（系）：******專 業(yè)：******學(xué) 生： ** 指導(dǎo)教師： *** 完成日期 2022 年 5 月 ****本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于 STM32 的便攜式心電圖儀設(shè)計 Design of Portable ECG Device Based on STM32 總計： 畢業(yè)設(shè)計（論文）25 頁表 格： 1 個插 圖 ： 19 幅***本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）基于 STM32 的便攜式心電圖