STM32设计的一款AED 体外除颤器的详细资料

1万 · 2019-6-22 09:00

AED在急救中的使用在逐渐普及。在英国110个常发生SCA的公共场所，
4年时间实施AED除颤134次，除颤时间为3 ^-Smin，即刻复苏成功率达28.13%.
出院存活率达23%，而医疗救护人员到达时间平均为12min，抢救存活率仅为2%}i} o
2015年3月，北京朝阳医院急诊科副主任唐子人医生在美国圣地亚哥海洋馆公园使
用AED，对一位老人进行了两次电除颤后，患者自主呼吸恢复之后，慢慢就正常了。
在我国，无锡马拉松比赛中，1名年轻选手突发心脏碎死，经心肺复苏、AED救治后，
最终心脏复跳、抢救成功。在日本于2004年开始推广公共场所AED的使用，平均每
十万人约有234.8台。在中国的台湾地区，自2000年就己经推广，迄今为止，平均
每十万人约有17.4台。在美国，公共场所几乎到处都有AED的存在。然而，我国
AED的推广较晚，配置数量、地区较少。据报道，我国配置AED的公共场所有:北
京首都机场、上海地铁站部分车站、还有北京、上海、广州的部分奥运体育场馆。然
而，仅有配置AED的这些地方，被公众知之甚少，使用率极低。国内配置的这些AED
基本为国外进口产品，且国内在AED方面的技术起步较晚，对AED相关技术的研究
并不成熟

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对于心脏除颤器的研究，大约有}o年的历史。最早在1946年Beck就发明了交
流电除颤技术，交流电除颤对病人的心肌损伤比较大而且安全性不是很高[f}l。在1956
年，Zoll发明了用交流电除颤，使用高压电容储备一定的电能，在适当的时机对病人
心脏进行放电除颤，取得了比较好的效果。1960年Lown等人研发出了第一台便携式
除颤仪。1980年，出现了埋藏式自动除颤器(Implant Automatic Cardioverter
Defibrillator )，通过开胸手术，把除颤电极安放在胸内直接和心肌连接，进行电击除
颤。随着电子技术的发展，近二三十年直流电除颤技术在临床试验被广泛的应用，效
果明显优于交流电。

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自动体外除颤器的工作过程为，首先，对人体进行心电采集并进行分析，当分析
的结果为心室纤颤这种情况，即需要尽快对患者进行电除颤;然后，除颤器进行高压
充电，快速将电能量搬运到高压储能电容上并积累;最后，由高压储能电容对患者输
出一个较强的脉冲电流，对患者的心脏进行电击，即通过电极片将电能短时间释放到
患者身体。
一般传统的除颤器常采用RLC阻尼放电[[29]，如图2.1所示。电压变换器将直流
低电压转化为脉冲高电压，经高压整流后向电容C充电储能，这样电容C在短时间
内积累一定的能量，当其积累的能量达到除颤所需要的能量(除颤所需韵最大能量必
须小于电容的额定储能)时，电容C停止充电，继电器开关K切换到放电回路，即
高压储能电容C、电感L、人机经胸阻抗R所组成的回路，构成串联RLC谐振衰减
震荡电路，完成放电。根据临床和实验表明，除颤放电时间应在4^-1 Oms，单相波除
颤能量控制在40^}400J内。
为了尽快抢救病人，除颤器应该在短时间进行电除颤，这样就要求充电电路在短
时间内完成充电。另外，除颤器应该输出最佳的放电波形尽量减少电击对心脏的副作
用影响。为了使用安全，除颤器内一般都会有很多保护电路部分，其中有充电过压保
护，机内放电电阻，泄放储能电容剩余的电能，以及对放电回路中各个高压器件的保
护。

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AED系统主要由硬件电路和软件两部分构成。其中，硬件电路包括以Cortex
M4-STM32F429为核心的微控制器最小系统电路;以MOSFET、变压器、大型铝电
解电容搭建的高压充电电路;以变压器、IGBT为基本构成的电桥和数控电阻桥的除
颤放电电路;以运算放大器为核心外加辅助电路构成的心电信号采集电路;基于
AD5933及辅助电路的经胸阻抗测量电路;LCD显示和语音编码解码器组合的人机交
互电路;WIFI无线模块接入电路。软件部分包括:AD5933的经胸阻抗检测算法C
语言实现，样本墒的心室纤颤和室性心动过速检测算法C语言实现，整个系统调试
的上位机软件，与微控制器相关的各个模块电路的底层驱动程序。
系统结构框图如图2.2所示，对于人体生理信号的采集部分，使用微控制器的模
数转换器ADC接口与心电信号采集电路相连接;通过I2C总线来完成与经胸阻抗检
测部分的时序控制、数据读写操作。电除颤部分，首先进行电能量的积累，采用微控
制器的定时器功能输出PWM进行电容器的高压充电，并同时通过高压检测电路来对
充电过程中电容两端的电压实时监测，调整PWM的占空比，完成电容充电的预设电
压，对于这部分增加了一个硬件保护电路，即当电容两端电压充到电容耐压的93%
时，充电电路自动切断，停止对电容的充电;其次是对患者进行双相波除颤，当电容
上的电能积累到设定的值时，微控制器通过IO口控制继电器将人体从生理信号采集
部分电路切换到与放电部分电路组成的回路中，再通过IO口控制电桥电路，正向导
通，即产生第一相电流脉冲波，反向导通，产生第二相电流脉冲波，这样就对患者进
行了一次双相波电除颤，在两相电流脉冲波流过人体的同时，微控制器的IO口控制
数控电阻桥中某些电阻的通断，实现机内电阻变化，来保证在高压电容放电回路中，
总阻抗(机内电阻+经胸电阻)随着电容两端的电压减小而减小，从而维持流经人体
除颤电流的相对“恒定”。人机交互部分，微控制器通过SPI总线完成对LCD中寄
存器的初始换操作，然后通过行、场、像素同步时钟信号以及R, G, B数据总线实
时的显示心电信号、时间、除颤次数以及AED操作的一些指示图像等;另外，微控
制器通过SAI(串行音频接口)与音频编解码器连接，传输时钟信号、帧同步时钟信
号以及语音数据，对患者进行电击除颤操作语音提示，并通过录音功能录取现场急求
时的语音状况。WIFI模块部分，作为一种无线传输模块，它与微控制器使用串口
USART相连，其作用主要有两点，第一，作为整个系统调试的接口，可以实时的输
出系统在工作中的各项参数，还可以输入系统各项模块功能的命令，调试每个子模块;
第二，该模块可以接入到互联网，由于AED是安放在社会公共场合，可以开发一套
综合系统对其进行定位、管理和维护，其中用户使用手机APP对其进行寻找，另外
医生可以通过这个无线接口获取急求过程中病人的心电数据，为后续的治疗提供依
据。

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1.处理能力和运算速度
在本系统中，需要由对生物电信号的实时采集任务，充放电的时序控制任务，以
及图形显示、语言播放等任务，另外需要对生物电信号的算法处理，其中包括有心室
纤颤和室性心动过速检测算法，经胸阻抗计算的算法，所以，所选处理器应具有较高
的工作频率和运算能力。
基于以上需求，选择了ST(意法半导体)公司推出的一款基于32-bit CortexTM-M4
为内核的ARM处理器一STM32F429BIT6，该微控制器在CPU的基础上集成了FPU
( Float Point Unit，浮点运算单元)，并且拥有ART ( Adaptive Real-Time AcceleratorT'",
自适应实时存储器加速器)技术，使得程序零等待执行，大大提高了程序的执行效率，
主频可达180MHz, 225DMIPS的处理能力，并拥有DSP指令集，多重AHB总线矩
阵和多通道DMA，支持程序执行和数据传输并行处理[}3}} o

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2.低功耗
自动体外除颤器主要应用于一些社会公共场所，并且急救时的地点很随机，因此，
很难用工频交流220V的市电为设备供电，一般采用铿电池对系统供电。急救时使用
一段时间，设备大部分的时间都应处于休眠状态。另外，按照急救标准要求，需要有
3次不同能量的电除颤。鉴于这些需求，低功耗对于系统中最核心的微控制器也是一
个重要的选择指标。
STM32F429BIT6采用90nm的NVM工艺，其功耗是比较低的，I.7^}3.6V之间
的供电电压，运行模式下，电流208uA/MHz，停止模式下，电流1 OOuA}3o} o

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当STM32F429BIT6上电复位时，16MHz的内部RC振荡器默认为CPU时钟，
这个16MHz的内部RC振荡器在出厂时，在整个工作温度范围内校准其精度为1%0
除此之外，STM32F429BIT6也可以使用外部4 ^-26MHz的时钟源作为系统时钟。鉴
于其内部RC振荡器时钟频率精度较差，易受温度影响变化，故采用外部时钟源。如
图3.2所示，设计用频率8MHz的石英晶体谐振器作为STM32F429BIT6的主时钟源，
时钟信号经过STM32F429BIT6内部的锁相环(PLL)进行倍频和分频处理以后，提
供时钟给内核、各种总线、片上各个外设等使用。另外，还设计了一个频率为
32.768KHz的石英晶体谐振器作为STM32F429BIT6的RTC ( Real-Time Clock)时钟
源，RTC可以提供时分秒、年月日和星期、闹钟等功能，为系统提供稳定、可靠的
时间。

1万 · 2019-6-22 09:40

如图3.2所示，复位电路由按键(S W-PB2 )、电阻(R4)、电容(C21)组成。
STM32F429BIT6低电平复位有效，程序正常运行时复位引脚NRST被拉至高电平，
当按键按下时，就会给NRST产生一个低电平信号，CPU处于复位状态，按键松开
后，CPU从程序初始位置重新开始执行。
STM32F429BIT6的启动(BOOT)模式可以分为3种，分别是:用户闪存、系
统存储器、SRAM，可以通过芯片BOOTO, BOOT1引脚输入的高低电平来决定。若
BOOTO为低电平，则从用户闪存Flash启动，这是一般的正常工作模式;若BOOTO
为高电平，BOOTl为低电平，则从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂
家设置，出厂时在芯片内部一块特定的区域预置了一段启动引导程序(Bootloader )，
可以用来在线系统编程(In-System Programmability，简称ISP )，这种模式最常用是
进行串口下载程序;若BOOTO为高电平，BOOT1也为高电平，则从内置SRAM启
动，这种模式多数情况下用来调试，一般不使用这种启动方式，主要因为SRAM断
电后数据就丢失。如图3.2所示，JP1是排针，使用短接帽可以将BOOTO引脚短接
至2或者BOOT1引脚短接至3拉倒高电平，默认BOOTO, BOOT1是低电平，这样
的电路即可实现3种不同的启动方式。
在对AED系统进行软件设计时，需要使用JTAG仿真器进行程序的在线调试、
下载。如图3.2所示，JTAG-1 OP是仿真器接入到STM32F429BIT6的一个接插座，外
围增加了对芯片仿真引脚进行上拉或下拉电路处理，这样可以保证这些仿真引脚的电
平嵌位在一个确切的电平，不被外界干扰。

1万 · 2019-6-22 09:41

在2.2节中介绍了STM32F429BIT6片上有2MB Flash, 256+4KB SRAM的存储
空间以及FMC o 2MB Flash完全可以满足整个AED系统的程序存储，对于256+4KB
SRAM就不太够用，比如系统运行的算法较多，较复杂，同时，一些心电、图像、语
音数据都需要实时处理，需要外扩一个高密度的同步存储器SDRAM作为数据变量的
存储区。系统实时采集的心电数据以及在系统正常工作之前烧写存储的图像、语音数
据也需要存储空间，相对于片上的2MB Flash显得微不足道，这部分数据对存储空间
要求较大，对读取速度相对较慢，故需要外扩一个大容量的闪存NAND FLASH，相
对于SDRAM在断电后数据丢失，NAND FLASH是一种长寿命的非易失性存储器，
即在断电的情况下仍然能保持所存储的数据信息。

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如图3.3所示，为外扩SDRAM, NAND FLASH存储接口电路。SDRAM的型号
为MT48LC8M32B2TG-7, Micron半导体生产的一款存储芯片，这款芯片的数据位宽
是32bits，分为4个块(BANK )，其中每个块的存储容量是2M X 32bits，总存储容
量32MB}32}。时钟频率143 MHz ( Ins )，供电电压以及信号管脚电压均为+3.3V，与
STM32F429BIT6管脚电平完全兼容，可以直接连接，也可以采用LD 1086对其进行
供电。
DQO^-DQ31为数据端口通过总线的方式与STM32F429BIT6连接，AO^-Al l地
址端口与BAO, BA 1为存储块地址端口组成14位的地址总线与MCU相连接，SDRAM
的片选信号CS#与MCU的SDNEO引脚相连，片选信号CS#低电平有效，SDNEO引
脚是MCU内部SDRAM控制器Bank 1的芯片使能管脚。MCU内部SDRAM控制器
有2个Bank，其中每个Bank提供4 X 64MB的寻址空间，结构分布为:4 X 16M X 32bits
使用FMCee A[15:14]作为Bank地址总线，FMCwe A[12:0]为地址总线，FMCse D[31:0]为
数据总线。SDRAM控制器的时钟引脚SDCLK和芯片的时钟管脚CLK相连，为
SDRAM芯片提供时钟，时钟使能引脚SDCKEO接芯片的时钟使能管脚CKE，输出
高电平来激活时钟。SDRAM控制器的SDNWE, SDNCAS, SDNRAS引脚分别与芯
片的WE#, CAS#, RAS#管脚相连接，完成低电平下写使能、列地址选通、行地址
选通的操作。FMC NBLO^-FMC NBL3分别于DQMO^-DQM3相连接，为数据输入
输出掩码信号。
外扩NAND FLASH存储的型号为MT29F8G08ABACAWP，也是Micron半导体
生产的一款闪存芯片，存储容量8Gb，数据位宽8bits，芯片供电及信号电压也是
+3.3 V}33}，与MCU电平兼容。NAND与MCU的接口电路如图3.3，有8个输入输出
端口与STM32F429BIT6数据总线相连，可以传送命令、地址、数据。MCU的片选
引脚FMC NCE2与NAND FLASH的芯片使能管脚CE#相连，输出低电平即打开该
芯片的所有操作。引脚FMC NWAIT与芯片的R/B#管脚相连，作为MCU获取NAND
芯片的Ready, Busy信号。引脚FMC NRE, FMC NWE与芯片的RE# , WE#管脚
相连，作为MCU的读、写使能信号，均为低电平有效。引脚FMC CLE, FMC ALE
连接到CLE. ALE管脚，作为地址使能、命令锁存使能信号。由于NAND FLASH
需要多次的读、写操作，因此将其写保护管脚WP#拉高。

1万 · 2019-6-22 10:17

除颤高压充电电路设计是AED系统最关键的一部分。如图3.4所示，MCU输出
PWM波和电压比较器输出的信号相与后，控制高压充电电路进行充电。在充电的开
始，电压比较器输出高电平，随着高压储能电容上的电压不断升高，高压检测电路进
行实时采集，若储能电容上的电压达到其耐压值的93%时，电压比较器将始终保持低
电平输出，停止继续充电，这部分为硬保护电路。充电过程中，微控制器实时采集储
能电容上的电压，根据电压调整PWM的频率、占空比，直到高压储能电容上的电压
充到其设定值。