基于STM32單片機的心電圖系統(tǒng)設計方案

心電圖（ECG）作為一項重要的臨床診斷工具，通過記錄心臟生物電活動，為心臟疾病的診斷和治療提供了關鍵信息。隨著科技的進步，基于微控制器的心電圖系統(tǒng)日益普及，它們不僅體積小巧、功耗低，而且成本效益高，非常適合家庭健康監(jiān)測和遠程醫(yī)療應用。本文將深入探討基于STM32單片機的心電圖系統(tǒng)設計方案，涵蓋從信號采集、處理到數據顯示的各個環(huán)節(jié)，并詳細介紹關鍵元器件的選擇及其功能。

1. 系統(tǒng)概述與總體設計

基于STM32單片機的心電圖系統(tǒng)旨在實現對人體心電信號的準確采集、放大、濾波、數字化處理，并通過顯示模塊實時呈現心電波形，同時可實現數據存儲和傳輸功能。整個系統(tǒng)可以劃分為以下幾個主要模塊：

1. 信號采集前端： 負責從人體表面獲取微弱的心電信號。

2. 信號預處理模塊： 對采集到的信號進行放大、濾波，以提高信噪比。

3. 模數轉換（ADC）模塊： 將模擬心電信號轉換為數字信號。

4. 微控制器（MCU）核心模塊： 負責數據處理、算法實現、系統(tǒng)控制和通信。

5. 顯示模塊： 用于實時顯示心電波形和相關參數。

6. 存儲模塊： 用于存儲心電數據。

7. 電源管理模塊： 為系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

8. 通信模塊（可選）： 實現與上位機或其他設備的通信。

系統(tǒng)設計的核心思想是利用STM32單片機強大的處理能力和豐富的外設資源，構建一個高性能、低功耗、易于擴展的心電圖系統(tǒng)。整個系統(tǒng)應具備良好的抗干擾能力、高精度測量能力和友好的用戶界面。

2. 信號采集前端

心電信號是人體生物電活動產生的微弱電信號，通常在毫伏（mV）級別，并且容易受到各種噪聲（如工頻干擾、肌電干擾、運動偽影等）的影響。因此，信號采集前端的設計至關重要。

2.1 電極選擇與放置

優(yōu)選元器件：Ag/AgCl一次性醫(yī)用電極

• 選擇原因： Ag/AgCl（氯化銀/銀）電極是目前臨床上最常用的心電電極。其主要優(yōu)點在于，銀/氯化銀電極具有非常穩(wěn)定的電化學性能，電極電位波動小，這對于測量微弱且動態(tài)變化的心電信號至關重要。這種穩(wěn)定性能夠最大程度地減少由電極本身引起的噪聲和漂移，確保信號的原始性和準確性。同時，Ag/AgCl電極與皮膚接觸的阻抗較低，有助于提高信號傳輸效率，減少信號衰減。作為一次性醫(yī)用電極，其具有良好的生物兼容性，不易引起皮膚過敏或刺激反應，且使用方便，可以有效避免交叉感染，符合醫(yī)療器械的衛(wèi)生要求。

• 功能： Ag/AgCl電極通過其內部的凝膠與皮膚表面形成良好的導電通路，將人體心臟的生物電活動轉化為電信號。電極上的導電凝膠能夠降低電極與皮膚之間的接觸阻抗，從而確保微弱的心電信號能夠有效地被采集到，并傳輸到后續(xù)的放大電路。

• 放置： 常見的心電圖導聯(lián)包括標準十二導聯(lián)和三導聯(lián)。對于便攜式或家庭監(jiān)測設備，通常采用三導聯(lián)或五導聯(lián)方案，以簡化操作。三導聯(lián)通常將電極放置在右上肢（RA）、左上肢（LA）和左下肢（LL）。這種放置方式可以獲取I、II、III三個標準雙極導聯(lián)的心電信號，足以進行初步的心臟狀況評估。確保電極與皮膚緊密接觸，必要時可對皮膚進行清潔，以降低接觸阻抗。

2.2 右腿驅動（RLD）電路

優(yōu)選元器件：TI INA333（儀表放大器）配合通用運放

• 選擇原因： 右腿驅動電路是心電信號采集中的一項關鍵技術，用于提高共模抑制比（CMRR），有效抑制工頻干擾。傳統(tǒng)的單端接地方式容易引入大量的共模噪聲，尤其是50/60Hz的工頻干擾。RLD電路通過向患者注入一個與共模噪聲反相的信號，主動抵消共模噪聲，從而顯著提高信噪比。INA333是一款高性能、低功耗、軌到軌輸出的精密儀表放大器，具有極低的輸入偏置電流、低噪聲和高共模抑制比，非常適合用于心電信號這種微弱信號的前端放大。使用INA333作為RLD電路的核心，可以確保注入信號的準確性和穩(wěn)定性。配合通用運放可以構建一個有源的右腿驅動電路，提高驅動能力和穩(wěn)定性。

• 功能： RLD電路的工作原理是采集患者的共模電壓，通過一個高輸入阻抗的放大器（如INA333）反相放大后，再通過一個隔離電阻將其注入到患者的右腿（通常是RLD電極）。這樣，患者體表的共模噪聲就被主動抵消，從而大幅度降低了共模干擾對差分心電信號的影響。這對于獲得清晰、無干擾的心電波形至關重要。

3. 信號預處理模塊

采集到的心電信號極其微弱，且伴隨著大量噪聲。信號預處理模塊的任務是對信號進行初步放大和濾波，為后續(xù)的模數轉換和數字處理提供高質量的模擬信號。

3.1 隔離電路

優(yōu)選元器件：ADI ADUM4160（USB數字隔離器）或 TI ISO7640（四通道數字隔離器）

• 選擇原因： 隔離電路是醫(yī)療電子設備中必不可少的部分，尤其是在與人體直接接觸的設備中。其主要目的是為了確保患者的安全，防止設備故障或電源異常導致的高電壓或大電流對患者造成電擊傷害。ADUM4160是一款高性能、低功耗的USB數字隔離器，適用于需要隔離USB接口的應用，可以實現數據和電源的隔離。如果系統(tǒng)不涉及USB通信，或者需要隔離更多的數字信號線，TI ISO7640等多通道數字隔離器也是很好的選擇。這些隔離器都采用了數字隔離技術，具有高隔離電壓、低傳輸延遲和高可靠性等優(yōu)點。

• 功能： 隔離電路在模擬信號采集前端和數字處理部分之間建立一個電氣隔離屏障。它通過電容耦合或磁耦合等方式，允許信號和數據通過，但阻斷了直流和低頻交流電流的通路，從而有效地將患者側電路與主電源和數字電路側的潛在危險電壓隔離。這不僅保障了患者的安全，也減少了數字電路產生的噪聲對模擬信號的干擾。

3.2 前置放大器

優(yōu)選元器件：TI INA333（精密儀表放大器）

• 選擇原因： 心電信號的幅值通常在0.5mV到5mV之間，屬于微弱信號，需要進行高增益的放大才能被ADC有效采樣。INA333再次被選擇作為前置放大器，其原因與在RLD電路中的選擇類似。INA333具有極高的輸入阻抗（可以避免對電極負載效應）、極低的輸入偏置電流（減少直流漂移）、極低的噪聲（保證信號質量）、以及出色的共模抑制比（抑制工頻干擾）。其增益可以通過外部電阻靈活配置，非常適合根據實際需求調整放大倍數。軌到軌輸出特性也使其能夠充分利用ADC的動態(tài)范圍。

• 功能： 前置放大器接收來自電極的差分心電信號，并對其進行初步的、高增益的放大。它通常配置為差分輸入模式，以抑制共模噪聲。INA333能夠提供200倍以上的放大倍數，將毫伏級的信號放大到伏特級，使其更容易被后續(xù)的ADC精確轉換。同時，其低噪聲特性確保在放大過程中不會引入顯著的額外噪聲，從而保持原始信號的完整性。

3.3 帶通濾波器

心電信號的有效頻率范圍通常在0.05Hz到150Hz之間。超出此范圍的頻率成分大多是噪聲，需要通過濾波器去除。

3.3.1 高通濾波器

優(yōu)選元器件：OPA2350（雙路軌到軌運放）配合RC網絡構建有源高通濾波器

• 選擇原因： 心電信號中常見的低頻噪聲包括基線漂移、呼吸偽影以及人體運動造成的偽影，這些噪聲的頻率通常低于0.05Hz。為了有效去除這些低頻成分，需要使用高通濾波器。OPA2350是一款低噪聲、軌到軌輸出、高速雙路運算放大器，非常適合構建有源濾波器。它具有良好的直流特性和交流特性，能夠確保濾波器在高增益和高精度條件下穩(wěn)定工作。選擇有源濾波器而不是無源濾波器，是因為有源濾波器可以提供增益，并且具有更好的頻率選擇性，能夠實現更陡峭的衰減。

• 功能： 高通濾波器旨在濾除頻率低于0.05Hz的信號成分。通過適當選擇RC元件的參數，可以設定濾波器的截止頻率。OPA2350構成的高通濾波器能夠有效地抑制基線漂移，使心電波形保持在基線附近，便于后續(xù)處理和顯示。

3.3.2 低通濾波器

優(yōu)選元器件：OPA2350（雙路軌到軌運放）配合RC網絡構建有源低通濾波器

• 選擇原因： 心電信號中常見的高頻噪聲包括肌電干擾（通常在50Hz以上）和高頻電磁干擾。為了去除這些高頻噪聲，需要使用低通濾波器。同樣選擇OPA2350構建有源低通濾波器，其原因與高通濾波器相同。OPA2350的性能能夠滿足心電信號濾波對精度和穩(wěn)定性的要求。有源低通濾波器可以提供更陡峭的衰減特性，有效抑制高頻噪聲。

• 功能： 低通濾波器旨在濾除頻率高于150Hz的信號成分。通過適當選擇RC元件的參數，可以設定濾波器的截止頻率。OPA2350構成低通濾波器能夠有效地抑制肌電干擾和高頻噪聲，使心電波形更加平滑，突出有效的心電信號。

3.4 陷波濾波器（工頻抑制）

優(yōu)選元器件：TI UAF42（通用有源濾波器）或基于運放和RC網絡的陷波濾波器

• 選擇原因： 在交流電源環(huán)境下，50Hz（中國大陸、歐洲等）或60Hz（北美、日本等）的工頻干擾是心電信號采集中最常見且最強的噪聲源。這種噪聲的幅值可能遠遠大于心電信號，嚴重影響信號質量。陷波濾波器專門用于精確地衰減特定頻率（例如50Hz或60Hz）的信號，而不影響其他頻率。UAF42是一款集成度高、易于使用的通用有源濾波器芯片，可以方便地配置為陷波濾波器，其Q值和中心頻率可調，能夠提供很好的陷波深度。如果預算有限或對靈活性有更高要求，也可以使用OPA2350等運放配合RC網絡構建陷波濾波器。

• 功能： 陷波濾波器在特定頻率點（50Hz或60Hz）形成一個狹窄的衰減帶，以最大程度地抑制工頻干擾。通過陷波濾波器，可以大幅度降低工頻噪聲對心電波形的影響，使得波形更加清晰，便于醫(yī)生進行診斷。盡管數字濾波也可以實現工頻抑制，但在模擬前端進行初步的工頻抑制可以減輕ADC的負擔，并避免ADC飽和。

4. 模數轉換（ADC）模塊

經過預處理的模擬心電信號需要轉換為數字信號，才能被STM32微控制器進行處理。

優(yōu)選元器件：TI ADS1292R（低功耗、24位多通道醫(yī)療ECG/EEG AFE）或 STM32內置ADC

• 選擇原因：

• ADS1292R： 這是一款專為醫(yī)療應用設計的高度集成模擬前端（AFE），集成了2個低噪聲PGA（可編程增益放大器）、高分辨率24位Delta-Sigma ADC、右腿驅動電路、RLD反饋回路、內部參考電壓、內部振蕩器和靈活的數字濾波器。對于高精度、低噪聲、高集成度的心電圖系統(tǒng)，ADS1292R是極佳的選擇。其24位分辨率遠高于一般通用ADC的10位或12位，能夠捕捉到心電信號的微小變化，提供極高的測量精度。Delta-Sigma架構在低速采樣率下能提供非常高的信噪比。內置的PGA和RLD電路進一步簡化了前端設計。選擇它意味著可以將大部分模擬前端的復雜性轉移到芯片內部，從而簡化了PCB布局，降低了噪聲，提高了可靠性。

• STM32內置ADC： 如果對成本和系統(tǒng)復雜性有更嚴格的限制，或者對精度要求不是極高（例如僅用于粗略監(jiān)測），可以考慮使用STM32微控制器內部集成的ADC。大多數STM32系列單片機都配備了12位或16位的SAR（逐次逼近型）ADC。其優(yōu)點在于無需額外的ADC芯片，可以節(jié)省成本和PCB空間，并且與微控制器集成度高，開發(fā)調試相對簡單。

• 功能：

• ADS1292R： 它將經過模擬預處理的心電信號以極高的精度轉換為數字信號。其24位分辨率意味著它可以將輸入電壓范圍細分為224個等級，從而能夠區(qū)分非常微小的電壓變化。其內部集成的特性使得系統(tǒng)前端設計更為緊湊和高效，并且能夠提供高采樣率（例如高達250SPS或更多，取決于配置），以滿足心電信號波形重建的需求。

• STM32內置ADC： 內部ADC將模擬心電信號數字化。雖然精度可能不如專用的24位ADC，但對于許多非臨床級別的應用，如居家監(jiān)測，12位或16位ADC已經足夠提供可用數據。通過合理的采樣率設置（例如200SPS以上）和后續(xù)的數字濾波，仍可獲得較好的心電波形。

5. 微控制器（MCU）核心模塊

微控制器是整個心電圖系統(tǒng)的大腦，負責協(xié)調各個模塊的工作，執(zhí)行數據處理算法，管理顯示和通信。

優(yōu)選元器件：STMicroelectronics STM32F4系列（例如STM32F407ZGT6）

• 選擇原因： STM32F4系列微控制器是基于ARM Cortex-M4內核的高性能MCU。選擇STM32F4系列的原因如下：

• 性能強大： Cortex-M4內核具有DSP（數字信號處理）指令集和浮點運算單元（FPU），這對于心電信號的復雜算法處理（如QRS波群檢測、心率計算、濾波等）至關重要。它可以高效地執(zhí)行FFT、數字濾波等數學運算，大大縮短了數據處理時間。

• 豐富的外設： STM32F4系列擁有豐富的外設接口，包括多個高速ADC（如果選擇內置ADC）、SPI、I2C、USART、USB、DMA控制器等。這些外設能夠方便地與ADC、顯示模塊、存儲模塊和通信模塊進行接口。特別是其多個SPI接口可以用于連接高性能的ADC（如ADS1292R）和SD卡。

• 存儲容量： 通常具備較大的Flash和SRAM容量，足以存儲程序代碼、心電數據以及中間處理結果。

• 功耗管理： 具備多種低功耗模式，有助于延長電池供電系統(tǒng)的續(xù)航時間，這對于便攜式心電圖設備非常重要。

• 生態(tài)系統(tǒng)： ST公司提供了成熟的開發(fā)工具鏈（如STM32CubeIDE、HAL庫、LL庫）和豐富的應用例程，極大地降低了開發(fā)難度和周期。

• 功能： STM32F4微控制器在心電圖系統(tǒng)中扮演著核心角色：

• 數據采集控制： 控制ADC的采樣過程，通過SPI或I2C接口讀取ADC轉換后的數字心電數據。

• 數字信號處理： 對采集到的數字心電數據進行進一步的數字濾波（如FIR/IIR濾波器）、基線漂移校正、QRS波群檢測（例如Pan-Tompkins算法）、心率計算、P波/T波檢測等。這些算法的實現依賴于Cortex-M4內核的DSP指令集和FPU的加速。

• 數據顯示控制： 通過GPIO、SPI或FSMC（靈活靜態(tài)存儲器控制器）接口驅動LCD/OLED顯示屏，實時繪制心電波形，并顯示心率、導聯(lián)狀態(tài)等信息。

• 存儲管理： 通過SPI或SDIO接口與SD卡等存儲介質進行交互，實現心電數據的存儲和讀取。

• 通信管理： 如果系統(tǒng)具備通信功能（如USB、藍牙、Wi-Fi），STM32F4負責處理與上位機或云平臺的通信協(xié)議和數據傳輸。

• 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控： 監(jiān)控電池電量、按鍵輸入等，并進行相應的處理。

6. 顯示模塊

顯示模塊用于實時展示心電波形和相關診斷信息，是人機交互的重要組成部分。

優(yōu)選元器件：TFT彩色LCD顯示屏（例如2.8寸或3.2寸，分辨率320x240，帶SPI或FSMC接口）

• 選擇原因：

• 顯示效果： TFT彩色LCD屏能夠提供清晰、生動的圖形顯示，對于繪制心電波形這種連續(xù)變化的曲線非常適合。彩色顯示可以用于區(qū)分不同的信息或波形。

• 尺寸與分辨率： 2.8寸或3.2寸的尺寸對于便攜式設備來說較為適中，既能顯示足夠的信息，又不會使設備過于龐大。320x240的分辨率足以滿足心電波形細節(jié)和文字信息顯示的需求。

• 接口： SPI接口占用引腳少，適合簡單的顯示應用，但刷新速度可能略慢。FSMC（靈活靜態(tài)存儲器控制器）接口可以提供并行數據傳輸，刷新速度快，適合需要高速刷新的顯示應用，但占用引腳較多。STM32F4系列通常具備FSMC接口，可以充分發(fā)揮其性能。

• 功能： 顯示模塊接收來自STM32的數據，包括原始心電采樣點數據、處理后的波形坐標、心率值、電池電量等，并將其轉換為圖形和文字信息顯示在屏幕上。通過平滑的曲線繪制算法和適當的刷新率，可以實現心電波形的實時動態(tài)顯示，使用戶能夠直觀地觀察心臟活動情況。

7. 存儲模塊

存儲模塊用于存儲長時間的心電數據，以便后續(xù)分析、回放或傳輸到上位機。

優(yōu)選元器件：Micro SD卡模塊

• 選擇原因：

• 存儲容量： Micro SD卡具有巨大的存儲容量，從GB到TB級別，可以輕松滿足長時間心電數據存儲的需求。例如，以200SPS采樣率、24位數據為例，一分鐘的心電數據量相對較小，數小時甚至數天的數據也能夠輕松存儲。

• 通用性： Micro SD卡是標準的存儲介質，易于獲取和更換。

• 接口： Micro SD卡通常通過SPI接口或SDIO接口與微控制器通信。STM32F4系列支持SDIO接口，可以實現高速數據讀寫，從而確保心電數據的實時存儲不會成為瓶頸。SPI接口也易于實現，但速度相對較慢。

• 成本效益： Micro SD卡的價格非常低廉，存儲成本效益高。

• 功能： 存儲模塊負責將STM32處理后的心電數據、心率、時間戳等信息寫入Micro SD卡。在需要時，也可以從SD卡中讀取歷史心電數據進行回放或傳輸。數據通常以文本文件（如CSV）或二進制文件的形式存儲，便于后續(xù)的解析和分析。

8. 電源管理模塊

電源管理模塊為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源，確保各模塊正常工作。

優(yōu)選元器件：

• LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）：例如AMS1117-3.3

• 選擇原因： 為STM32、ADC等數字和模擬器件提供3.3V穩(wěn)定電壓。AMS1117系列LDO以其低成本、易于使用和相對穩(wěn)定的輸出電壓而廣泛應用。對于功耗不高的數字電路和部分模擬電路，LDO是簡單有效的穩(wěn)壓方案。

• 功能： 將輸入的較高電壓（如電池電壓3.7V/5V）穩(wěn)定降壓至3.3V，為微控制器、數字隔離器、顯示屏等數字電路供電。

• DC-DC轉換器：例如MP1584EN（降壓型）或FP6291（升壓型）

• 選擇原因： 在電池供電系統(tǒng)中，DC-DC轉換器比LDO具有更高的轉換效率，可以顯著延長電池續(xù)航時間。例如，如果系統(tǒng)由鋰電池供電（3.7V），需要升壓到5V為某些模擬芯片或顯示屏供電，或者需要降壓為3.3V。MP1584EN是一款高效率、低成本的降壓型DC-DC芯片。FP6291則是一款小巧高效的升壓芯片。

• 功能： 根據系統(tǒng)各模塊所需的電壓，將電池電壓進行高效的升壓或降壓，為整個系統(tǒng)提供所需的各個電壓軌（例如5V、3.3V）。高效率意味著更少的能量損失，從而延長電池使用時間。

• 鋰電池充電管理芯片：例如TP4056

• 選擇原因： 如果系統(tǒng)采用鋰電池供電，則需要專用的鋰電池充電管理芯片來安全有效地為電池充電。TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池線性充電器，具有恒流/恒壓充電模式，并集成充電狀態(tài)指示燈，使用方便，成本低廉。

• 功能： TP4056通過USB接口或其他外部電源為內置的鋰電池充電。它能夠精確控制充電電流和電壓，防止電池過充或過放，從而保護電池，延長其使用壽命，并確保充電過程的安全性。

9. 通信模塊（可選）

通信模塊可以實現心電數據的無線傳輸，提升系統(tǒng)的便利性和智能化水平。

9.1 藍牙模塊

優(yōu)選元器件：ESP32系列模組（例如ESP32-WROOM-32E）或HC-05/HC-06（藍牙SPP模塊）

• 選擇原因：

• ESP32系列： ESP32集成了Wi-Fi和藍牙功能，性能強大，資源豐富，可以通過編程實現藍牙低功耗（BLE）或經典藍牙（SPP）通信。它還可以作為獨立的微控制器，簡化整體系統(tǒng)設計。對于需要更復雜通信協(xié)議和更高數據傳輸速率的應用，ESP32是理想選擇。

• HC-05/HC-06： 這些是經典的藍牙SPP（串口配置文件）模塊，易于使用，可以通過串口與STM32進行通信，實現點對點的數據傳輸。它們成本低廉，非常適合簡單的無線傳輸需求。

• 功能： 藍牙模塊實現與智能手機、平板電腦或PC的無線通信。它可以將實時心電數據或存儲的歷史數據傳輸到移動App或上位機軟件，進行遠程監(jiān)測、數據分析和健康管理。藍牙低功耗（BLE）模式尤其適合長時間、低功耗的數據傳輸，例如心率監(jiān)測。

9.2 Wi-Fi模塊

優(yōu)選元器件：ESP32系列模組（例如ESP32-WROOM-32E）或ESP8266系列模組（例如ESP-01S）

• 選擇原因：

• ESP32/ESP8266： 這些模塊都具備Wi-Fi功能，可以連接到無線局域網，進而連接到互聯(lián)網。對于需要將心電數據上傳到云平臺進行存儲、分析和遠程診斷的應用，Wi-Fi模塊是必不可少的。ESP32性能更強，支持TCP/IP協(xié)議棧，而ESP8266則更具成本優(yōu)勢，適用于簡單的物聯(lián)網連接。

• 功能： Wi-Fi模塊使心電圖系統(tǒng)能夠接入互聯(lián)網，將采集到的心電數據上傳到云服務器。這使得醫(yī)生或用戶可以隨時隨地查看和分析心電數據，實現遠程醫(yī)療和健康監(jiān)測。它還可以用于OTA（Over-The-Air）固件升級，方便系統(tǒng)的維護和功能擴展。

10. 軟件設計與算法

軟件設計是心電圖系統(tǒng)實現功能的關鍵。STM32的軟件部分主要包括：

10.1 裸機程序或操作系統(tǒng)

• 選擇： 對于資源受限或實時性要求極高的應用，可以采用裸機程序設計。但對于復雜的心電圖系統(tǒng)，使用實時操作系統(tǒng)（RTOS），如FreeRTOS或RT-Thread，可以更好地管理任務、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、簡化軟件開發(fā)。RTOS可以有效地調度數據采集、數據處理、顯示更新和通信等多個并發(fā)任務。

10.2 數據采集與預處理

• ADC驅動： 編寫ADC驅動程序，配置ADC的通道、采樣率、轉換模式。如果使用外部ADC（如ADS1292R），需要編寫SPI或I2C通信協(xié)議來讀取ADC數據。

• 數字濾波： 在STM32中實現數字濾波器，例如FIR（有限脈沖響應）或IIR（無限脈沖響應）濾波器，用于進一步去除噪聲。相比模擬濾波器，數字濾波器具有更好的靈活性和可重復性，可以實現更復雜的濾波特性。例如，可以實現更精確的50Hz/60Hz陷波濾波、高通濾波（去除基線漂移）和低通濾波（去除高頻噪聲）。

10.3 心電信號分析算法

• QRS波群檢測： 這是心電信號分析中最核心的步驟之一。常用的算法包括Pan-Tompkins算法。該算法通過差分、平方、積分、閾值判斷等一系列步驟，準確地檢測出QRS波群，從而確定心跳的發(fā)生時間。

• 心率計算： 基于QRS波群的檢測結果，計算相鄰QRS波群之間的時間間隔（R-R間期），進而計算實時心率。

• 波形特征提取（可選）： 更高級的系統(tǒng)可以進一步分析P波、T波、ST段等特征，用于輔助診斷。這需要更復雜的算法和更高的計算能力。

• 異常檢測（可選）： 實現一些基本的異常心律檢測，例如心動過速、心動過緩、心律不齊等。

10.4 顯示驅動

• LCD/OLED驅動： 編寫顯示屏的驅動程序，包括初始化、清屏、畫點、畫線、顯示字符和圖像等功能。對于心電波形顯示，需要實現高效的繪圖算法，將數字采樣點轉換為屏幕上的像素坐標，并平滑地連接起來，形成連續(xù)的波形。

10.5 存儲管理

• 文件系統(tǒng)： 在SD卡上實現FATFS文件系統(tǒng)，方便地進行文件的創(chuàng)建、寫入、讀取和管理。這使得心電數據可以以標準文件格式存儲，易于在PC上讀取和分析。

• 數據格式： 設計合理的數據存儲格式，例如CSV格式（逗號分隔值）或自定義二進制格式，包含時間戳、心電數據、心率等信息。

10.6 通信協(xié)議（可選）

• 藍牙/Wi-Fi協(xié)議棧： 如果使用無線通信，需要配置并使用相應的藍牙或Wi-Fi協(xié)議棧，實現數據的發(fā)送和接收。例如，對于BLE，需要定義GATT服務和特性。對于Wi-Fi，需要實現TCP/IP套接字編程。

11. 系統(tǒng)校準與測試

系統(tǒng)設計完成后，需要進行嚴格的校準和測試，以確保其性能和準確性。

11.1 模擬信號發(fā)生器測試

使用心電信號模擬器（例如Fluke Biomedical ESA612）或函數發(fā)生器生成已知頻率和幅值的心電信號，輸入到系統(tǒng)前端，檢查系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸出是否符合預期。這包括測量放大倍數、濾波器特性（截止頻率、衰減斜率）和ADC的線性度。

11.2 抗干擾能力測試

在各種噪聲環(huán)境下（如工頻干擾、電磁干擾、運動偽影），測試系統(tǒng)的抗干擾能力。特別是要驗證RLD電路和數字濾波器的效果。

11.3 精度和準確性測試

通過與標準心電圖機進行對比，評估系統(tǒng)的測量精度，包括心率測量的準確性、QRS波群檢測的準確率等。

11.4 長期穩(wěn)定性測試

對系統(tǒng)進行長時間連續(xù)運行測試，觀察其在不同環(huán)境條件下的性能穩(wěn)定性，檢查是否存在漂移、數據丟失等問題。

11.5 用戶體驗測試

對用戶界面、操作流程、電池續(xù)航等方面進行測試，確保系統(tǒng)易于使用，符合用戶需求。

12. 封裝與外殼設計

便攜式心電圖系統(tǒng)通常需要一個堅固、美觀且符合人體工程學的外殼。

• 材料選擇： 醫(yī)用級塑料（如ABS）是常見選擇，具有良好的強度、耐用性和生物兼容性。

• 布局： 考慮按鍵、顯示屏、電極接口、充電接口的合理布局，方便用戶操作。

• EMC/EMI設計： 外殼設計還需要考慮電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）問題，可以通過內部屏蔽、接地等方式來減少外部干擾對內部電路的影響，并防止內部電路對外輻射。

• 防水防塵： 根據應用場景，可能需要考慮外殼的防水防塵等級（例如IP等級），以提高設備的耐用性。

13. 系統(tǒng)擴展與展望

基于STM32的心電圖系統(tǒng)具有良好的擴展性，未來可以考慮以下方向：

• 多導聯(lián)擴展： 將系統(tǒng)擴展到更多導聯(lián)（如六導聯(lián)、十二導聯(lián)），提供更全面的心臟信息，但這會增加硬件復雜性和數據處理量。

• 數據云平臺集成： 將采集到的心電數據實時上傳到云平臺，利用大數據和人工智能技術進行更深入的分析和診斷，實現遠程專家會診。

• 與其他生理參數融合： 結合體溫、血壓、血氧飽和度等其他生理參數監(jiān)測，實現多參數健康監(jiān)測系統(tǒng)。

• AI診斷輔助： 在STM32上運行輕量級機器學習模型，對心電數據進行初步的異常心律識別或疾病風險評估。

• 便攜性和可穿戴化： 進一步優(yōu)化硬件設計，減小體積和功耗，實現可穿戴式心電監(jiān)測設備，提高用戶依從性。

• 醫(yī)療認證： 對于醫(yī)用級設備，需要進行嚴格的醫(yī)療器械認證，包括ISO13485質量管理體系認證和CE/FDA等產品認證。

總結

基于STM32單片機的心電圖系統(tǒng)設計是一個涉及模擬電路、數字電路、嵌入式軟件、信號處理等多學科交叉的復雜工程。通過精心選擇高性能、低功耗的元器件，并結合強大的STM32微控制器，可以構建出高精度、高可靠、功能豐富的便攜式心電圖系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能滿足家庭健康監(jiān)測的需求，也為遠程醫(yī)療和個性化健康管理提供了有力的技術支持。隨著技術的不斷發(fā)展，未來的心電圖系統(tǒng)將更加智能化、集成化和便捷化，為人類健康事業(yè)做出更大貢獻。