基于STM32的多功能心电信号监测系统设计
时间：2022-12-13 10:30:00
1 系统总体方案设计
系统由STM32F103微处理器模块ADS1292R心电采集模块，LMT70体表温度传感器模块ESP8266无线WiFi模块、MMA955L加速度计模块，系统电源，PC由服务端等组成。STM32F103作为主控制器，实现人体心电信号、体表温度信息、步行运动信息的实时采集、计算、显示和无线传输。如图1所示。
基于TI模拟前端芯片ADS心电信号采集模块由1292组成，完成心电信号采集、放大、滤波和24位高精度AD 转换。
STM32F103微处理器控制读取模块的数字输出信息，通过阈值判断统计人体心率，驱动TFT 同时，液晶显示瞬时心率值ADS心电波形信号在1292心电采集模块中TFT 动态显示液晶屏，方便用户观察和阅读。
STM32F103 控制外置16微处理器 位ADC 芯片ADS1115采集LMT70 对电压信号的数字信息进行校准OLED屏幕显示用户体表温度信息。
基于加速度传感器MMA9555L计算运动员的步数和运动距离，并传输到OLED屏上动态显示温度与运动情况。
最后，利用WiFi模块ESP8266实现无线传输，在计算机端显示动态心电图、体表温度和运动信息。整个前端 系统都由3.7V锂离子可充电（Li-ion）电池供电。
2 系统硬件设计
2.1 心电信号集成模拟前端采集电路设计
采用该系统模拟前端TI集成芯片ADS1292R，该芯片是2通道、24位模拟前端，非常适合于高精度、同步、多通道生物信号的前端检测，芯片片内集成了2个低噪声可编程增益放大器（PGA）和两个高分辨率ADC，每个通道都有灵活的输入多路复用器，可独立连接到内部生成的信号，连续断开温度测试。此外，输入通道的任何配置都可以选择生成右腿驱动（RLD） 输出信号。
芯片功耗低，数据传输速率高，单通道功耗只有335μW，采用5mm×5mm、32引脚薄，四方扁平（TQFP），工作时的数据速率高达8kSPS。连续断线检测可通过装置内部激励灌注电流或拉电流进行。适用于便携式、低功率心电图和呼吸信号采集。
集成芯片ADS1292R的通道1（IN1P和IN1N）通过提取左臂来收集呼吸信号（left arm，LA）和右臂（right arm，RA）采用阻抗呼吸检测法获得两个电极信号。通道2（IN2P和IN2N）收集心电信号，ADS1292R通信号加载在人体上，减少共模干扰。
心电信号和呼吸信号通过滤波器、可编程放大器6倍放大和模/数转换器输入芯片内的单片机进行处理。心电图收集前端调理设计电路如图2所示。
图2 心电采集电路
图2中外部电路主要包括滤波电路和右腿驱动电路。电路采用阻抗检测方法，将高频方波输入人体，然后通过电路滤波计算两个电极之间的阻抗变化。另外ADS1292R内部也包含EMI电路可以过滤电磁干扰。一方面，右腿驱动器可以去除共模电压，在放大器反向放大后输入人体。另一方面，它提供了一个提升测量电压的电压（AVDD AVSS）/2左右，确保输入电压在芯片检测范围内。
2.2体表温度采集电路
选择温度采集传感器TI超小、高精度、低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）模拟温度传感器LMT70。传感器的测温精度为-20~90 ℃误差在范围内±0.2℃(最大值)工作时电源电流只有9.2μA热耗散低于36μW，这种超低自热特性支持其在宽温范围内保持高精度。LMT70具有线性低阻抗输出，支持与现成微控制器无缝连接，非常适合便携式、低功耗、高精度人体表面温度测量。
体表温度传感器电路如图3所示， 其中100nF旁路电容吸收电源中可能的高频干扰。考虑到体表温度测量精度要求较高，选用外置16位分辨率的高精度模数转换器ADS1115。ADS115板上有可编程增益放大器（PGA），可提供从±256mV~±6.144V 输入范围，实现准确的大小信号测量。ADS115还有一个输入多路复用器（MUX），可提供两个差分输入或四个单端输入。此外，连续转换模式的流耗仅为150μA，保证了设备的低功耗。ADS1115与LMT图470连接示意图 所示。
2.3运动信息测量模块
飞思卡尔公司(编者注:2015年 年被恩智浦半导体收购）的一款计步传感器MMA9553L，它集成了高精度和高分辨率MEMS加速32位低功耗嵌入式微控制器（MCU），管理其他传感器的闪存和特殊架构。能准确统计步数、检测步长，具有阈值检测或唤醒检测功能，非常适合便携式或可穿戴式应用。
2.4 无线传输模块
本设计的无线通信电路选择ESP8266 WiFi串口模块。从WiFi从串口接收数据，WiFi输出数据。串口无线有三种运行模式：WiFi（COM-AP）串口无线模式STA（COM-STA）串口无线模式AP STA（COM-AP STA）模式。有各种各样的模式可以在程序中独立选择。ESP8266 WiFi如图所示 所示。
图5 ESP8266电路原理图
3 系统软件设计
3.1 心率的计算
心率计算需要定位ECG信号R波通过计算相邻R波的间期获得心率。给出离散心电信号{x(i),i =1, 2,..., N}，采样频率为fs(单位：Hz)，计算心率的具体步骤如下。
1)设置幅度阈值Ta，从x(1)开始搜索，将x(i)≥Ta序号i构成序列{a( j)}，直到x(N)停止搜索。
2）创建序列{p(k)}，令p(1) = a(1)。从a(2)开始搜索，若 a( j) ? a( j ?1) >1， j≥2，则令 p(k) = a( j ?1)，p(k 1) = a( j)，k≥2。
（3）设{p(k)}含K元素，则在N / fs 秒内R 波的个数为K / 2.平均心率为:(K / 2) / (N / f ) 60 s × 次/ 分。R 波峰位置依次为 [ p(k ?1) p(k)] / 2 取整， k≥2，由相邻R 瞬时心率计算波间期。
3.2 系统软件设计
由于系统需要在服务端实时显示动态心电图、体表温度和运动信息以及所有内容，我们的程序主要分为心电图检测、体表温度测量、运动信息检测、无线通信和液晶显示五个部分。通过主程序调用不同的子模块来实现相应的功能。系统软件结构框图如图6所示。
检测和处理心电信号是系统的核心部分，如图7所示。
图7 心电检测软件流程图
4 系统测试
4.1 系统测试
首先，使用心电信号模拟发生器作为信号源来测试心电信息。然后选择受试者坐姿时的心电信息，然后与心率计产品进行比较。
从LMT由于70获得的原始数据与实际温度有一定的偏差，不同的拟合曲线根据不同的温度段进行校正，因此校正后传感器测量的温度大大提高。温度范围为0~100 ℃酒精温度计作为测量和比较系统的实际标准温度。
对于运动情况，加速度传感器MMA955L串口可输出步数，然后根据步频、身高、性别等估计步距，进一步计算步距。以心电信号模块为无线通信部分WiFi通信网络与温度运动模块和计算机客户端组成，实现心电信号波形、体表温度、步数和距离的实时传输和显示。图8是测量体表温度时的温度拟合曲线。
图8 拟合曲线体表温度测量
4.2 测试结果
在心电采集部分，用户在实验室进行了20次测试。心电输出波形如图9所示，心率数据如表1所示。心电输出信号波形稳定，心率误差在3%以内。
图9 心电信号采集输出波形
表1 心率实验测试
在实验室0中，三名用户反复测试手掌和腋窝的温度~100℃酒精温度计为参考标准，平均温度误差约为0.3℃。佩戴测试设备后，实验室5m长走廊来回走动测试，测试步数记录相对误差小于1%，距离记录相对误差小于5%。
5 结束语
针对当前生理参数监测系统智能、便携、可穿戴的趋势特点，本文设计了多功能心电信号监测系统，基于部分外围电路和嵌入式系统软件的成熟集成电路芯片对人体心电、运动姿态以及体温生理信息实时采集、计算、显示与无线传输。系统具有精度高、性能稳定、使用方便、成本低等特点，可为生理信息等微弱信号采集、监测、处理等方面的研究与开发提供有益参考。
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