基于STM32和LabVIEW的心电信号采集系统设计

引 言

据最新的《中国心血管疾病报告》显示，目前估计全国心血管疾病患者人数达 2.9 亿，随着人口老龄化的增长患者人数还会不断上升。心血管病是一系列涉及循环系统的疾病，具有突发性，若无法及时发现则存在失去生命的风险，因此在日常生活中对心血管疾病患者进行心电监护尤其重要 [1]。本文针对上述需求，克服了传统心电图机价格昂贵、不可携带、不可传输心电信号等缺点，设计了一套便携式，集心电信号采集、无线传输、信号处理等功能于一体的心电信号采集系统。

将STM32F103 芯片作为系统下位机的核心，主要包括单片机模块、蓝牙模块、AD8232 采集模块和电源模块 [2]，用于实现心电信号的采集，并将采集到的信号通过蓝牙以无线传输方式上传至上位机。将采集到的心电信号通过主控芯片STM32F103 的 SPI 接口控制采集芯片AD8232，完成心电信号的放大、滤波、共模抑制和模数转换，再通过 UART 接口连接蓝牙芯片，完成上位机和下位机的通信。上位机采用LabVIEW 作为开发平台，利用 LabVIEW 的串口通信功能实现与下位机的数据通信 [3]。

1 系统设计方案

系统采用意法半导体（ST）公司微控制器 STM32F103[4]、ECG 信号处理模块AD8232、蓝牙模块 HM-13 和 LabVIEW 软件相结合的监测方案。其中，STM32F103 和 AD8232 组成下位机，主要用于心电信号的采集 ；蓝牙模块主要用于实现硬件采集电路和上位机的数据传输 ；LabVIEW 作为上位机，主要用于通过蓝牙串口接收下位机采集到的数据，完成对采集数据的显示、分析和存储等 [5]。系统结构如图 1 所示。

                                                                                                                          图1 系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 心电信号采集电路

将AD8232芯片作为采集心电信号的控制芯片。AD8232 是一款用于 ECG及其他生物电测量的集成信号调理模块。该模块可在具有运动或远程电极产生噪声的情况下提取信号，并放大、过滤微弱的生物电信号。AD8232还内置有导联脱落检测电路和一个自动快速恢复电路，可在导联重新连接后迅速恢复信号，其功能如图 2所示。该模块内置有一个专用仪表放大器（IA）、一个运算放大器（A1）、一个右腿驱动放大器（A2）和一个中间电源电压基准电压缓冲器（A3）[6]。

2.2 蓝牙传输电路

本系统采用HM-13蓝牙模块取代硬件电路中的串口发送（发送原理与串口发送电路原理一致）。HM-13蓝牙模块和STM32单片机的连接电路如图 3所示 [6]。

在图 3中，STM32单片 机 的 PA9/U1_TX引脚 连 接HM-13蓝牙模块的 UART_TX引脚，PA10/U2_RX引脚连接UART_RX引脚 [7]，接 3.3V电压，PIO1引脚连接一个蓝牙指示灯，将数字化的心电信号通过蓝牙模块实时发送。与单片机控制串口连接电路类似，实现了无线传输，改变了传统的传输方式。

3 系统软件设计

因所用 MCU 为意法半导 体（ST）公司设计生产的STM32F103 系列芯片，故下位机开发软件采用 Keil5，上位机软件采用 LabVIEW 2014 版本。

系统软件设计可分为三个部分，即 STM32 下位机程序、HM-13 蓝牙驱动程序和 LabVIEW 上位机程序。STM32 下位机程序是整个系统的核心，蓝牙驱动程序有效保证了下位机和上位机的通信。首先下位机上电复位，初始化设备后打开蓝牙串口与上位机通信，之后开启 ADC 转换功能，将传输采样数据送至串口数据缓冲区，再由上位机程序控制下位机读取数据，实现对数据的分析、处理和显示。系统程序流程如图 4 所示。

                                                                                                                                      图 4 系统程序框图

接 3.3 V 电压后，单片机首先应完成系统时钟的配置， 在 PC 端打开蓝牙驱动，连接蓝牙设备。连上后等待上位机发送启动、停止等命令，单片机以中断方式接收命令并执行相应操作，开启相应 ADC 通道，转换后将数据打包发送给上位机 [8]。

4 测试方法

可用多种导联方法采集人体心电信号。本文主要介绍标准双极肢体导联法，共有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联。

Ⅰ导联 ：左上肢接放大器正输入端，右上肢接放大器负输入端。

Ⅱ导联 ：左下肢接放大器正输入端，右上肢接放大器负输入端。

Ⅲ导联 ：左下肢接放大器正输入端，左上肢接放大器负输入端。

本系统采用标准Ⅰ导联，原因如下：

(1) 标准Ⅰ导联测得的信号波形幅度大，特征点明显 [8]。

(2) 标准Ⅰ导联从上肢采集信号，更容易被大家接受。本设计采用标准Ⅰ导联，将电极夹分别夹在左右手腕处，

下位机上电后，系统开始采集心电信号，可在 LabVIEW 显示面板上看到实时采集的心电波形。

5 结 语

本文系统包括 STM32，AD8232 芯片及外部信号采集和调理电路，通过 HM-13 蓝牙模块传输心电信号至 PC 端，采用LabVIEW 强大的数据处理功能，降低了系统的开发成本和难度，实现了人体心电信号的采集、显示、传输等功能。该系统操作简单方便，具有一定的推广价值。