基于STM32的心电采集系统设计

一、系统概述

心电采集系统通过电极阵列 采集人体心电信号（ECG），经信号调理 （放大、滤波）后，由STM32微控制器 进行模数转换（ADC） 、数字滤波 、特征提取 （如心率、QRS波），最终实现实时显示 、数据存储 或无线传输 。系统需满足高增益（1000倍以上） 、低噪声（<1μV） 、抗干扰（工频/肌电噪声） 要求，适用于便携式监护仪 、远程医疗 、运动健康等场景。

二、系统架构与硬件设计

1. 系统架构

微弱信号 mV级
放大滤波后信号
数字信号
处理/分析
存储
传输
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
心电电极
前端调理电路
STM32 ADC
STM32主控
OLED显示
SD卡
蓝牙/Wi-Fi
电源管理

2. 关键硬件组件

模块	型号/参数	功能
主控	STM32F103C8T6（72MHz，12位ADC）	信号采集、滤波、心率计算、控制外设
前端调理	AD8232（仪表放大器，增益1000）	心电放大、带通滤波（0.5-40Hz）
ADC	STM32内置12位ADC（1μs转换时间）	模拟信号→数字信号（采样率250Hz）
显示	0.96寸OLED（128×64，I2C）	实时显示ECG波形、心率值
存储	MicroSD卡（SPI接口，8GB）	存储ECG数据（CSV格式）
通信	HC-05蓝牙模块（UART，2.4GHz）	无线传输数据至手机APP
电源	锂电池（3.7V/500mAh）+TP4056充电	系统供电，支持充电与低功耗管理

3. 核心电路设计

（1）前端调理电路（AD8232）

功能：将心电电极采集的0.5-5mV微弱信号 放大至0-3.3V （STM32 ADC输入范围），同时滤除工频干扰（50Hz） 和肌电噪声（>100Hz）。
电路连接：
电极输入：右臂（RA）、左臂（LA）、右腿（RL，参考地）三导联；
输出：AD8232的OUTPUT引脚接STM32的PA0（ADC1通道0）；
配置：增益=1000（通过GAIN引脚设置），带宽=0.5-40Hz（内部带通滤波）。

（2）STM32 ADC采集电路

采样率：250Hz（心电信号最高频率100Hz，按Nyquist定理需≥200Hz）；
分辨率：12位（4096级量化，满足心电精度需求）；
触发方式：定时器TIM2触发（每4ms触发一次ADC转换，对应250Hz）；
数据传输：DMA（直接内存访问）将ADC数据自动传输至数组，减少CPU干预。

三、软件设计（C语言实现）

1. 主程序流程

c 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "ad8232.h"
#include "adc_dma.h"
#include "filter.h"
#include "heart_rate.h"
#include "oled.h"
#include "sd_card.h"
#include "bluetooth.h"

// 系统状态
typedef struct {
  uint8_t is_sampling;    // 采样标志
  uint16_t adc_buffer[250]; // 1秒ADC数据（250Hz×1s）
  float ecg_signal[250];  // 滤波后心电信号
  uint8_t heart_rate;     // 心率值（bpm）
} SystemState;

int main(void) {
  // 1. 初始化硬件
  System_Init();         // 时钟、GPIO、中断
  AD8232_Init();         // 前端调理电路初始化
  ADC_DMA_Init(250);     // ADC+DMA初始化（250Hz采样）
  OLED_Init();           // OLED显示初始化
  SD_Card_Init();        // SD卡初始化
  Bluetooth_Init();      // 蓝牙初始化
  
  SystemState sys_state = {0};
  sys_state.is_sampling = 1;
  
  // 2. 主循环
  while (1) {
    if (sys_state.is_sampling) {
      // 2.1 启动ADC采样（DMA传输）
      ADC_Start_Conversion();
      
      // 2.2 等待采样完成（1秒数据）
      while (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1) == RESET);
      DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);
      
      // 2.3 数字滤波（去噪、基线校正）
      for (int i=0; i<250; i++) {
        sys_state.ecg_signal[i] = Filter_Process((float)sys_state.adc_buffer[i]);
      }
      
      // 2.4 心率计算（QRS波检测）
      sys_state.heart_rate = HeartRate_Calculate(sys_state.ecg_signal, 250);
      
      // 2.5 显示与存储
      OLED_Display_ECG(sys_state.ecg_signal, 250);  // 显示ECG波形
      OLED_Display_HR(sys_state.heart_rate);         // 显示心率
      SD_Card_Save_Data(sys_state.ecg_signal, 250);  // 存储至SD卡
      Bluetooth_Send_Data(sys_state.ecg_signal, 250); // 蓝牙传输
      
      // 2.6 低功耗管理（空闲时休眠）
      if (should_enter_sleep()) {
        Enter_Sleep_Mode(1000);  // 休眠1秒
      }
    }
  }
}

2. 关键模块实现

（1）ADC+DMA配置（信号采集）

c 复制代码

// ADC+DMA初始化（250Hz采样，12位分辨率）
void ADC_DMA_Init(uint16_t sample_rate) {
  ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
  DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStruct;
  
  // 1. 使能时钟
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
  
  // 2. 配置ADC通道（PA0，ADC1通道0）
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  // 模拟输入
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  
  // 3. 配置ADC
  ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
  ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;  // 单通道
  ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  // 单次转换（由TIM触发）
  ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2;  // TIM2触发
  ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
  ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
  ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
  ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);  // 使能ADC DMA
  
  // 4. 配置DMA（ADC1→内存）
  DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;
  DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)sys_state.adc_buffer;
  DMA_InitStruct.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
  DMA_InitStruct.DMA_BufferSize = 250;  // 250个采样点（1秒）
  DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
  DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
  DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;  // 16位ADC数据
  DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
  DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;  // 循环模式
  DMA_InitStruct.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
  DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStruct);
  DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
  
  // 5. 配置TIM2触发（4ms周期，250Hz）
  TIM_InitStruct.TIM_Period = 72000/250 - 1;  // 72MHz/250=288kHz，周期=288k/250=1152? 修正：72MHz/250Hz=288000，TIM分频后计数
  TIM_InitStruct.TIM_Prescaler = 0;
  TIM_InitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
  TIM_InitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStruct);
  TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
  TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
  TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
  TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 1;
  TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStruct);
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

（2）数字滤波（去噪与基线校正）

心电信号需滤除50Hz工频干扰 和基线漂移（<0.5Hz） ，采用IIR陷波滤波+移动平均滤波：

c 复制代码

// 50Hz陷波滤波器（IIR）
#define NOTCH_FREQ 50.0f
#define FS 250.0f  // 采样率
#define Q 30.0f    // 品质因数
float notch_filter(float input) {
  static float x1=0, x2=0, y1=0, y2=0;
  float omega = 2 * 3.1415926f*NOTCH_FREQ/FS;
  float alpha = sin(omega)/(2*Q);
  float b0 = 1/(1+alpha);
  float b1 = -2*cos(omega)*b0;
  float b2 = b0;
  float a1 = -2*cos(omega)*b0;
  float a2 = (1-alpha)*b0;
  
  float output = b0*input + b1*x1 + b2*x2 - a1*y1 - a2*y2;
  x2 = x1; x1 = input;
  y2 = y1; y1 = output;
  return output;
}

// 移动平均滤波（窗口大小5）
#define MA_WINDOW 5
float ma_filter(float input) {
  static float buffer[MA_WINDOW] = {0};
  static uint8_t index=0;
  static float sum=0;
  
  sum -= buffer[index];
  buffer[index] = input;
  sum += input;
  index = (index+1)%MA_WINDOW;
  return sum/MA_WINDOW;
}

// 总滤波函数
float Filter_Process(float adc_value) {
  // 1. ADC值→电压（0-3.3V）
  float voltage = (adc_value / 4095.0f) * 3.3f;
  // 2. 去直流偏移（AD8232输出含0.5V偏置）
  voltage -= 0.5f;
  // 3. 陷波滤波（去50Hz工频）
  float notched = notch_filter(voltage);
  // 4. 移动平均滤波（去高频噪声）
  float filtered = ma_filter(notched);
  return filtered;
}

（3）心率计算（QRS波检测）

通过阈值法检测QRS波（心电图中幅度最大的波群），计算相邻QRS波时间间隔，换算为心率：

c 复制代码

// 心率计算（输入：滤波后心电信号，长度N；输出：心率bpm）
uint8_t HeartRate_Calculate(float* signal, uint16_t N) {
  #define THRESHOLD 0.5f  // 检测阈值（根据实际信号调整）
  #define MIN_INTERVAL 0.3f  // 最小RR间期（秒，对应200bpm）
  #define MAX_INTERVAL 2.0f  // 最大RR间期（秒，对应30bpm）
  
  uint16_t peak_indices[10] = {0};  // 存储QRS波位置
  uint8_t peak_count = 0;
  float max_val = 0;
  uint16_t max_index = 0;
  
  // 1. 寻找QRS波峰值（简单阈值法）
  for (int i=1; i<N-1; i++) {
    if (signal[i] > signal[i-1] && signal[i] > signal[i+1] && signal[i] > THRESHOLD) {
      if (peak_count < 10) {
        peak_indices[peak_count++] = i;
      }
    }
  }
  
  // 2. 计算平均RR间期（秒）
  if (peak_count < 2) return 0;  // 无有效峰值
  float rr_sum = 0;
  for (int i=1; i<peak_count; i++) {
    float interval = (peak_indices[i] - peak_indices[i-1]) / FS;  // 间隔（秒）
    if (interval > MIN_INTERVAL && interval < MAX_INTERVAL) {
      rr_sum += interval;
    }
  }
  float avg_rr = rr_sum / (peak_count - 1);
  
  // 3. 计算心率（bpm=60/avg_rr）
  uint8_t hr = (uint8_t)(60.0f / avg_rr);
  return (hr > 200) ? 0 : hr;  // 限幅
}

参考代码基于STM32的心电采集系统（硬件+软件+上位机+设计报告等） www.youwenfan.com/contentcss/160880.html

四、系统测试与优化

1. 测试指标

参数	指标	测试方法
输入信号范围	0.5-5mV（心电电极）	函数发生器模拟心电信号（0.5-5mV@50Hz）
放大倍数	1000倍（AD8232）	输入1mV信号，测量输出电压（≈1V）
采样率	250Hz	示波器测量ADC触发信号周期（4ms）
心率测量误差	±5bpm（静息状态）	对比医用ECG仪测量结果
工频抑制比	>40dB（50Hz）	输入50Hz干扰信号，测量输出衰减

2. 优化方向

抗干扰 ：使用屏蔽线 连接电极，STM32金属外壳接地，软件增加自适应滤波（如LMS算法）；
低功耗 ：采样间隙关闭ADC、OLED背光，STM32进入停止模式（电流<10μA）；
算法优化 ：采用Pan-Tompkins算法（更精确的QRS波检测），提升心率测量精度；
数据存储：压缩ECG数据（如差分编码），延长SD卡存储时间。

五、总结

本设计基于STM32实现了心电信号的采集-滤波-分析-显示全流程，核心亮点：

前端调理：采用AD8232集成放大滤波，简化电路设计；
高效采集：ADC+DMA实现250Hz无丢失采样；
实时处理：数字滤波（陷波+移动平均）与QRS波检测算法实时计算心率；
便携扩展：支持OLED显示、SD卡存储、蓝牙传输，适用于便携式监护场景。

系统可进一步优化为多导联ECG （增加电极）、云端互联（通过ESP8266接入云平台），满足临床诊断需求。