如今，心血管類(lèi)疾病已經(jīng)成為威脅人類(lèi)身體健康的重要疾病之一，而清晰有效的心電圖為診斷這類(lèi)疾病提供了依據(jù)，心電采集電路是心電采集儀的關(guān)鍵部分，心電信號(hào)屬于微弱信號(hào)，其頻率范圍在0.03~100 Hz之間，幅度在0~5 mV之間，同時(shí)心電信號(hào)還摻雜有大量的干擾信號(hào)，因此，設(shè)計(jì)良好的濾波電路和選擇合適的控制器是得到有效心電信號(hào)的關(guān)鍵?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了以STM32為控制核心，AD620和OP07為模擬前端的心電采集儀，本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，噪聲干擾得到了有效抑制。

1總體設(shè)計(jì)方案

心電采集包括模擬采集和數(shù)字處理兩部分，本設(shè)計(jì)通過(guò)AgCl電極和三導(dǎo)聯(lián)線(xiàn)心電采集線(xiàn)采集人體心電信號(hào)，通過(guò)前置放大電路，帶通濾波電路，50 Hz雙T陷波后再經(jīng)主放大電路和電平抬升電路把心電信號(hào)的幅度控制在STM32的A/D采集范圍內(nèi)，STM32通過(guò)定時(shí)器設(shè)定A/D采樣頻率，通過(guò)均值濾波的方式對(duì)得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后在彩屏上描繪出心電圖形，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1主控模塊電路設(shè)計(jì)

主控模塊的STM32F103VET單片機(jī)是控制器的核心，該單片機(jī)是ST意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低成本和低功耗的增強(qiáng)型單片機(jī)，其內(nèi)核采用ARM公司最新生產(chǎn)的Cortex-M3架構(gòu)，最高工作頻率72 MHz、512 kB的程序存儲(chǔ)空間、64 kB的RAM，8個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)看門(mén)狗和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，片上集成通信接口有兩個(gè)I2C、3個(gè)SPI、5個(gè)USART、一個(gè)USB、一個(gè)CAN、一個(gè)SDIO，并集成有3個(gè)ADC和一個(gè)DAc，具有100個(gè)I/O端口。主控單片機(jī)管腳排列圖如圖2所示。

圖2 STM32F103VET單片機(jī)管腳排列圖

2.2前置放大電路的設(shè)計(jì)

前置放大電路是模擬信號(hào)采集的前端，也是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它不僅要求從人體準(zhǔn)確地采集到微弱的心電信號(hào)，還要將干擾信號(hào)降到最低，由于心電信號(hào)屬于差分信號(hào)，所以電路應(yīng)采用差動(dòng)放大的結(jié)構(gòu)，同時(shí)要求系統(tǒng)具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低漂移等特點(diǎn)。因此，選擇合適的運(yùn)算放大器至關(guān)重要，這里選擇儀用運(yùn)放AD620實(shí)現(xiàn)前置放大，AD620具有高精度、低噪聲、低輸入偏置電流低功耗等特點(diǎn)，使之適合ECG監(jiān)測(cè)儀等醫(yī)療應(yīng)用。AD620的放大倍數(shù)由1與8腳之間的反饋電阻決定，增益G=49.4 kΩRG+1，由于心電信號(hào)中含有較大的直流分量，因此前置放大電路的放大倍數(shù)不能過(guò)大，在這里選擇放大約10倍，因此反饋電阻R6取約5 kΩ，為提高電路的共模抑制能力，這里用一個(gè)OP07檢測(cè)R10，R4上的共模信號(hào)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)屏蔽層，消除分布電容。同時(shí)用另一個(gè)OP07運(yùn)放和R5，C3，R7組成右腿驅(qū)動(dòng)電路，在R10，R4上檢測(cè)到的共模信號(hào)經(jīng)反相放大器后經(jīng)R7，反饋到人的右腿，進(jìn)一步抑制了共模信號(hào)和50 Hz工頻干擾，這里右腿驅(qū)動(dòng)有一個(gè)對(duì)交流電的反饋通路，交流電的干擾可能對(duì)人體產(chǎn)生危害，因此這里要注意做好絕緣措施，同時(shí)保護(hù)電阻R7盡可能大，取1 MΩ以上。此外系統(tǒng)電源的不穩(wěn)定也對(duì)心電信號(hào)的采集有較大影響，因此在本系統(tǒng)中，所有運(yùn)放的電源腳都并聯(lián)兩個(gè)0.1μF和10μF的電容退耦，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，前置放大電路的電路圖如圖3所示。

圖3前置放大電路

2.3帶通濾波器的設(shè)計(jì)

從前置放大電路輸出的心電信號(hào)還含有較大直流分量和肌電信號(hào)，基線(xiàn)漂移等干擾成分，所需采集的有用心電信號(hào)在0.03~100 Hz范圍之間，因此需設(shè)計(jì)合理的濾波器使該范圍內(nèi)的信號(hào)得以充分通過(guò)，而該范圍以外的信號(hào)得到最大限度的衰減，這里采用具有高精度，低偏置，低功耗特點(diǎn)的兩個(gè)OP07運(yùn)放分別組成二階有源高通濾波器和低通濾波器，高通濾波器由C11，C17，R7，R10組成，截止頻率f1≈0.03 Hz，低通濾波器由R8，R9，C10，C13組成，截止頻率約為f2≈100 Hz，系統(tǒng)帶通濾波器的電路如圖4所示。

圖4帶通濾波器

2.4 50 Hz雙T陷波器設(shè)計(jì)

工頻是心電信號(hào)中最主要也最常見(jiàn)的干擾源，雖然前面的右腿驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其有一定的抑制作用，但是仍有較大部分進(jìn)入了后面的電路，因此有必要設(shè)計(jì)截止頻率為50 Hz的帶阻電路來(lái)進(jìn)一步濾除干擾，帶阻電路也稱(chēng)陷波器，顧名思義，帶阻電路就是使某特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)大幅衰減，而對(duì)該頻率范圍外的信號(hào)幾乎不產(chǎn)生影響。雙T陷波電路是典型的帶阻電路，在雙T網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)是對(duì)稱(chēng)的，如圖5所示的50 Hz雙T陷波電路中，R13=R14=2R16=R=32 kΩ，C20=2C19=2C18=C=200 nF，本質(zhì)上是由兩個(gè)T型高通濾波器和低通濾波器并聯(lián)組成，圖5所示電路的截止頻率f0=1/2πRC≈50 Hz.

圖5 50Hz帶阻濾波器