基于ADS1298和STM32F407的心电采集与显示系统设计_宋勐翔

心电采集模块

基于ADS1298和STM32F407的心电采集与显示系统设计

宋勐翔，陈兰岚

（华东理工大学信息科学与工程学院，上海

摘

200237）

要：提出一种以ADS1298芯片及STM32F407为基础的心电采集与显示系统设计思路。在介绍心电信号采集基本

原理的基础上，构建系统的总体框架，阐述基于ADS1298的信号采集、放大电路以及STM32F407接口电路设计，最后应用μC/GUI实现了心电信号在LCD液晶屏上的实时显示。结果表明，该系统为疾病诊断和健康监护中能应用的高精度、便携式、低功耗心电信号采集分析系统奠定了很好的基础。

中图分类号：TN911.7 34

关键词：心电信号采集；ADS1298芯片；STM32F407；μC/GUI

文献标识码：A

文章编号：1004 373X（2015）13 0141 04

Designofelectrocardiogramacquisitionanddisplaysystem

basedonADS1298andSTM32F407

（SchoolofInformationScienceandEngineering，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China）

SONGMengxiang，CHENLanlan

Abstract：Theelectrocardiogram（ECG）acquisitionanddisplaysystembasedonADS1298chipandSTM32F407platformisproposed.TheoverallframeworkofthissystemwasbuiltonthebasisofintroducingECGsignalacquisitionfundamental.ThecircuitsofsignalacquisitionandamplificationbasedonADS1298，andtheinterfacecircuitdesignofSTM32F407arediscussed.Thereal timedisplayofECGsignalonLCDisrealizedbyusingμC/GUI.Thisresearchestablishesagoodfoundationforapplyinghighprecision，portableandlow powerconsumptionECGacquisitionanalysissystemindiseasediagnosisandhealthsurveillance.

Keywords：ECGsignalacquisition；ADS1298chip；STM32F407；μC/GUI

0引言

数转换、信号处理与传输等。由于信号的微弱性和干扰的复杂性，信号放大与调理的电路比较复杂，导致体积大、功耗高[2]。由TI公司研发的ADS1298高精度A/D转换芯片将信号的滤波及陷波等处理转移到数字端，并且集成了大部分生物电采集功能，实现了便携式心电信号的采集[3]。本文利用该芯片的高精度性能，以STM32F407为主控芯片，设计一个高集成度的便携式心电采集显示系统。

心电信号属于生物电信号，它是心脏无数心肌细胞电活动的综合反映，其中包含了大量的生理和病理信息。通过对心电信号的研究，可以对心血管疾病的诊断、治疗提供有效的辅助分析手段[1]。其在临床医学和认知科学领域具有重要的科学意义。心电信号具有以下几个主要特点：随机性较强，即信号无法用确定的函数式来描述；噪声背景强，预测的有用信号往往淹没在许多无用信号中；信号频率低。心电信号频率较低，大量的是直流成分，去掉直流，它的主要频率范围是0.05~100Hz，大部分能量集中在0.05~40Hz。

一般心电采集系统主要包括信号放大与调理、模/

1

1.1

系统原理与架构

图1为心电采集原理图。根据国际标准，在人体上系统原理

放置10个电极，分别是4个肢体电极：LA（左臂）、RA（右臂）、LL（左腿）、RL（右腿）和6个胸部电极：V1~V6。计算两肢体间的电位差，进而得到3个双极肢体导联Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ。由于等边三角形的中心为心脏，并与三角形在动状况，但它不能记录单个电极处的电位变化。为了探

收稿日期：2015 01 30

基金项目：上海市大学生创新性实验计划资助项目（S13093）；

国家自然科学基金青年基金资助项目（61201124）；中央高校基本科研业务基金资助项目（WH1414022）

同一平面上，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ导联能很好地反应心脏额面的运

心电采集模块

测心脏某一局部区域电位变化，Wilson提出了单极胸导联的连接方式[4]，将探查电极V1~V6安放在靠近心脏的胸壁上，参考电极置于Wilson中心电端（WCT），分别计算V1~V6与WCT之间的电位差，来反映心脏局部电位的变化。R为平衡电阻，平衡三个肢体端与心脏间的电阻，阻值在5~300kΩ之间。RLD为右腿驱动，是抑制电源及其他共模干扰的一种方式[5]，其本质上是一个负反馈，实现方法是将人体的共模干扰信号取出，并反向

放大后施加到人体端。

图3模拟前端结构图

（MUX）。除将输入信号传递给放大器这一基本功能断、校准和配置。具体功能有：测量内部噪声，提供测试信号，测量芯片温度，测量供电电压，测量导联脱落信号和测量右腿驱动信号[6]。

图1

心电采集原理图

ADS1298为每一路信号都提供了一个输入复用器

外，大部分功能用于对重要设备和子系统进行故障诊

信号从输入复用器进入PGA，ADS1298芯片有8个可编程的运算放大器，实际为差分放大器。由于芯片是24位高精度A/D转换器，在参考电压VREF=2.4V时，分1mV，故放大增益设为1即可进行信号的放大。辨率可以达到0.0238μV，考虑到心电信号的典型值为

模/数转换器最重要的参数是转换精度与转换速

1.2

本采集系统支持8通道心电信号的采集，包括6通

系统架构

道胸导联信号。用于反映心脏水平面情况和2通道双极肢体导联信号用于反映心脏额面状况。为实现高精度、高可靠性的心电信号采集，在预处理电路之后，采用ADS1298作为模拟采集前端并实现模/数转换，应用STM32F407平台实现心电信号在在LCD液晶屏上的实时显示，支持SD卡存储并预留数据通信接口。系统架构如图2

所示。

率，为了获得较高的频率分辨率，在每一路通道上使用了24位Σ Δ调制器，它利用反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声，使信号带宽内的噪声大大减小，而放大了信号带宽外的噪声。相当于将噪声能量从低频段推到了高频段，而对信号本身不起整形作用。此外，ADS1298芯片使用数字抽取滤波器来去除调制后产生的高频噪声，该滤波器由一个三阶的sinc滤波器构成，是可变采样速率的低通滤波器。2.2

该模块以STM32F407为控制和处理的核心，其内信号处理、显示及存储模块设计

图2系统架构图

2

2.1

硬件设计

心电信号采集模块主要包括心电信号的采集，放大信号的预处理电路为一个二阶滤波电路，用于限幅心电信号采集模块设计

部资源完全满足心电采集系统的需求，图4为信号处理、显示及存储模块结构图。

STM32F407通过SPI接口读取ADS1298处理转换

和模/数转换等过程，具体结构如图3所示。

和滤除高频电磁波。信号进入ADS1298后，通过一个电磁干扰滤波器（EMIFilter）来有效抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。本芯片中EMI滤波器带宽为3MHz

。

的数字信号，将其处理后进行储存和显示。存储部分选

用SD卡，高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。SD卡的接口可以支持两种操作模式：SD卡模式和SPI模式。为了简化主机的设计，使用SPI的传输模式，该模式的不足之处是丧失了速度性能。显示部分选用ALIENTEK提供的240×320TFT显示屏，它的驱动芯片

心电采集模块

选择ILI9328，主要以列为单位控制屏幕的点亮和刷新，以行为单位控制灰度。所有的数据存在GRAM（Graph icsRAM）中以减少数据传输工作，只有必须更新的数据才被传送。门驱动有320个，与列数相同，所送出的波形可以依次将每一行的TFT打开。源驱动有720个，每屏幕上生成了不同颜色的点和 …… 此处隐藏：3157字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……