基于MatLab和STM32F103的12导联ECG信号采集系统设计

发表于 2018-10-6 17:51

发表于 2018-10-6 17:54

心电图 ECG 信号是诊断心脏疾病的重要依据，
其信号的采集分析和处理对于医务工作者和科研
人员尤为重要。传统的心电图机无法将心电信号
转换成易于相关软件处理的数据格式，新型的光
电心电图机虽本身具备数据采集和存储功能，但是
不易于利用相关软件进行数据二次对比分析和处
理，无法有效发挥心电信号的潜在价值。
文中利用 MatLab 强大的数据处理能力和
STM32F103 丰富软硬件资源，提出了基于 MatLab
和 STM32F103 的 12 导联 ECG 信号采集系统。该采
集系统整体由采集前端和上位机软件构成。采集前
端以 STM32F103 微控制器为核心，完成电极信号的

发表于 2018-10-6 17:54

滤波放大、A/D 转换和串行数据上传；上位机采集软
件基于 MatLab 平台设计，进行心电数据的接收显
示以及存储。同时将串行数据转换成 Matlab 兼容的
数据格式。该系统的设计为科研及医务工作者利用
MatLab 强大数据处理能力对 ECG 信号进行各类分
析创造了条件。

发表于 2018-10-6 17:55

心电信号属于生物电信号，是心房心室极化
和复极化过程在电信号上的表象，其幅值微弱，为
10 μV～4 mV；频率范围较低，为 0.05～100 Hz，大部
分能量集中在 0.05～40 Hz。其信噪比低，随机性强，
直流成分多。为了使采集信号能较全面反映心脏运
行状态[1]，该采集系统针对医学上标准 12 导联系统，
即采集并显示标准导联Ⅰ，导联Ⅱ，导联Ⅲ；加压单
极肢体导联 aVR，aVL，aVF；胸前导联 V1~V6；等
12 个心电信号。各导联和电极信号之间的数学关
系为

发表于 2018-10-6 17:56

依据各导联之间的数学关系，式（2）表明加压
单极肢体导联 aVR，aVL，aVF 可由标准导联Ⅰ，导
联Ⅱ，导联Ⅲ 计算获取。采集系统可定义实际输入
心电信号为 LA（左上肢）、RA（右上肢）、LL（左下
肢）、胸导联信号 V1~V6。胸导联信号 V1~V6 反映
心脏水平情况，等于各自电位和威尔逊中心参考电
位 WCT 之间的电位差，WCT 为 3 个肢体电位的平
均值；标准导联Ⅰ，导联Ⅱ，导联Ⅲ 和加压单极肢体
导联 a VR，a VL，a VF 则反映心脏额面状况。据此，将
采集系统定义为采集前端和上位机采集软件 2 个
部分。系统结构如图 1 所示。
滤波电路完成对原始心电信号的二阶低通滤波器

发表于 2018-10-6 17:57

利用 ADS1298R 芯片完成心电信号的 EMI 滤波
放大和 A/D 转换，A/D 转换数据通过 SPI 接口传送
至 STM32F103 微控制器。上位机软件基于 MatLab
平台设计，通过串行 UART 接口从 STM32F103 获取
各路心电数据。 ADS1298R 芯片提供 RLD（右下肢）
驱动，作为参考接地点，同时提供威尔逊终端
（WCT）作为胸导联的参考点。

发表于 2018-10-6 17:58

2.1 滤波电路设计
采集系统设计 9 通道滤波电路，针对 LA，RA，
LL 和 V1~V6 等导联信号，根据心电信号低频（频率
范围 0.05～100 Hz）、带 50 Hz 工频干扰的特点，滤波
电路由二阶有源带通滤波电路和 50 Hz 陷波电路构
成，如图 2 所示。

发表于 2018-10-6 17:59

图中，R1和 C
1
构成低通滤波电路，取 R1=4.7 kΩ，
C1=0.33 μF，转折频率 f
H=（2πR
1C
1）-
1
≈100 Hz；R2和
C2构成高通滤波电路，取 R
2=6.8 kΩ，C
2=0.47 μF，则
其转折频率 fL=（2πR
2C
2）-1≈0.05 Hz。考虑后续的
ADS1298R 分辨率为 24 b，在参考电压为 2.4 V 时，
其分辨率为 0.0238 μV，大于心电信号典型值。对于
心电信号的幅值而言，采集前端无需过高放大倍
数，故 Rb，R
a
可设定为 10 kΩ，U1 级放大倍数为（1+Rb/R
a）。陷波电路由非对称阻容网络构成，R
4～R
6
设定为 10 kΩ，C3～C
5
设定为 10 μF，利用单一调节
阻值为 30 kΩ 电位器 RP1设定陷波器的中心频率为
50 Hz。利用 U3 运放的正反馈输出连接陷波回路的
纵臂，实现频率增强阻带变窄效果。同时通过调节
电位器 RP2提高Q 值以提高有效信号幅值[2]。

发表于 2018-10-6 18:03

DS1298R 的每个通道都有 1 个输入复用器
MUX，复用器除将输入信号传送给可编程放大器以
外，还能够独立连接至内部生成的信号以进行测
试、温度、导联断开等检测，可选择输入通道的任一
配置生成右下肢驱动 RLD 输出信号。
3 个集成放大器和调节电阻用于生成标准 12
导联 ECG 所需的威尔逊中心终端（WCT）。 9 路实际
输入信号 LA，RA，LL 和 V1～V
6
通过二阶滤波电路
进入多路选择器 MUX，MUX 将输入信号送入可编
程增益放大器 PGA，PGA 的放大倍数可设定为
1，2，3，4，6，8 和 12，在此设定 PGA 的放大倍数为1。
采集前端中的 STM32F103 微控制器通过 SPI
接口控制 ADS1298R 进行导联心电数据的传输，然
后利用 UART 接口将接收的心电数据上传至上位
机软件[3]。 STM32F103 微控制器及其外围电路均采
用典型设计，根据 ADS1298R 的 SPI 接口的访问时
序，STM32F103 与 ADS1298R 的 SPI 接口及与上位
PC 的 UART 接口原理如图 4 所示。

发表于 2018-10-6 18:04

发表于 2018-10-6 18:21

采集系统的软件部分为前端软件和上位机软
件，前端软件针对 STM32F103 微控制器设计，实现
SPI，GPIO，UART 的初始化，SPI 接口主从数据传
输，UART 数据传输等功能[4]。对于 ADS1298R 的 SPI
采用命令读取数据模式 RDATC。采集系统整体大
约以 300 Hz 频率对心电信号采样，STM32F103 以间
隔 3 ms 将 9 组导联心电数据上传至上位机软件，上
位机软件不断刷新其显示状态。前端软件流程如 5
所示。
图 3 ADS1298R 主要模块
Fig.3 ADS1298R main module

发表于 2018-10-6 18:21

发表于 2018-10-6 18:22

发表于 2018-10-8 11:59

12导联这个名词是什么意思呢

发表于 2018-10-8 12:48

一直都不会用matlab

发表于 2018-10-8 12:59

想要去恶补一下仿真了

发表于 2018-10-8 15:29

信号的频率达到多少啊

[应用相关] 基于MatLab和STM32F103的12导联ECG信号采集系统设计

相关帖子

浏览过的版块

涓涓之细流

浏览过的版块

涓涓之细流