原标题：基于STM32和LabVIEW的心电信号采集系统设计方案

基于STM32F103+AD8232+HM-13+LabVIEW的心电信号采集系统设计方案

一、系统总体架构与功能概述

1.1 系统设计背景与需求分析

心血管疾病是全球范围内致死率最高的慢性病之一，我国现有心血管疾病患者超2.9亿人，且老龄化加剧将进一步推高发病率。传统心电图机存在体积庞大、成本高昂、无法实时传输数据等局限性，难以满足居家监测、运动健康等场景需求。本系统以STM32F103微控制器为核心，结合AD8232心电信号调理模块、HM-13蓝牙模块及LabVIEW上位机软件，构建了一套便携式、低功耗、可无线传输的心电监护平台，适用于家庭健康监测、远程医疗及运动生理研究。

1.2 系统功能定义

• 信号采集：通过AD8232模块提取人体心电信号，完成差分放大、滤波及共模抑制。

• 数据处理：STM32F103实现ADC采样、数字滤波、特征提取（如R波检测、心率计算）。

• 无线传输：HM-13蓝牙模块将数据实时传输至PC端。

• 上位机分析：LabVIEW实现波形显示、数据存储及异常报警。

二、核心元器件选型与功能解析

2.1 主控芯片：STM32F103C8T6

2.1.1 器件参数与功能

• 核心架构：ARM Cortex-M3内核，主频72MHz，支持硬件除法与单周期乘法。

• 存储资源：64KB Flash、20KB SRAM，满足实时信号处理需求。

• 外设接口：

• 3个USART接口（用于蓝牙通信与调试）。

• 2个SPI接口（支持扩展存储器或传感器）。

• 12位ADC（1μs转换时间，16通道，满足多路信号采集）。

• 51个GPIO引脚，支持多种复用功能。

• 低功耗特性：支持睡眠、停机及待机模式，典型工作电流20mA，待机电流2μA。

2.1.2 选型依据

• 性能与成本平衡：相比STM32F4系列，F103在满足心电信号处理需求的同时，成本降低40%以上。

• 开发便捷性：支持Keil MDK、STM32CubeIDE等主流IDE，HAL库简化底层驱动开发。

• 生态成熟度：社区资源丰富，开源例程覆盖心电采集、蓝牙通信等场景。

2.2 心电信号调理模块：AD8232

2.2.1 器件参数与功能

• 信号调理架构：

• 0.5Hz高通滤波器（消除运动伪影与电极半电池电位）。

• 40Hz低通滤波器（抑制肌电干扰与高频噪声）。

• 50Hz双T陷波器（可选，抑制工频干扰）。

• 前置放大器：专用仪表放大器（IA），增益可调（默认100倍），CMRR>110dB。

• 滤波电路：

• 右腿驱动（RLD）：通过反馈共模信号至人体，进一步抑制工频干扰。

• 导联脱落检测：内置电路实时监测电极连接状态，异常时输出低电平信号。

• 快速恢复功能：导联重新连接后，自动调整滤波器截止频率，缩短信号恢复时间。

2.2.2 选型依据

• 集成度优势：相比分立元件方案（如AD620+OP07），AD8232集成度高，PCB面积减少60%，功耗降低至0.5mW。

• 抗干扰能力：RLD电路与快速恢复功能显著提升信号稳定性，适用于运动场景。

• 应用场景适配：支持单导联与三导联模式，兼容标准Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联配置。

2.3 蓝牙模块：HM-13

2.3.1 器件参数与功能

• 蓝牙协议：支持蓝牙4.0双模（BR/EDR+BLE），兼容经典蓝牙与低功耗模式。

• 通信参数：

• 串口波特率：115200bps（默认），支持300bps~2Mbps可调。

• 传输距离：SPP模式30米（开阔环境），BLE模式60米。

• 功耗：SPP模式平均电流13.5mA，BLE模式9.5mA。

• 接口特性：

• UART接口（TX/RX），支持AT指令配置。

• 工作电压3.3V，与STM32F103直接兼容。

2.3.2 选型依据

• 功耗与稳定性：相比HC-05等传统模块，HM-13在BLE模式下功耗降低40%，且支持从设备自动重连。

• 开发灵活性：AT指令集支持自定义设备名称、配对密码、波特率等参数，适配不同应用场景。

• 成本效益：单模块价格低于5元，适合大规模部署。

2.4 上位机软件：LabVIEW

2.4.1 软件功能

• 串口通信：通过VISA库实现与HM-13模块的无线数据接收。

• 信号处理：

• 数字滤波（如移动平均滤波、小波去噪）。

• 特征提取（R波峰值检测、心率计算）。

• 可视化界面：

• 实时波形显示（支持缩放、平移、冻结）。

• 历史数据回放与对比分析。

• 数据存储：支持CSV、TXT格式导出，兼容MATLAB进一步分析。

2.4.2 选型依据

• 开发效率：图形化编程环境缩短开发周期，相比C++/Python方案效率提升50%以上。

• 硬件兼容性：NI-VISA驱动库支持主流USB-UART转换芯片（如CH340、CP2102）。

• 行业认可度：在医疗设备测试领域市场占有率超70%，算法库（如ECG Toolkit）可直接调用。

三、硬件电路设计

3.1 系统框图

┌───────────────────────────────────────────────────────────────────────┐

│                                心电信号采集系统                                │

├───────────────┬───────────────┬───────────────┬───────────────┤

│    人体电极     │   AD8232模块    │   STM32F103    │   HM-13蓝牙模块   │

│  （3导联配置）  │                │  （主控单元）  │                  │

├────────┬───────┤   ├────────┬───────┤   ├────────┬───────┤

│  RA（右臂）   │  │  LA（左臂）│  │  RL（右腿）│  │  信号输入    │  │  ADC采样   │  │  UART发送 │

│  电极接口     │  │  电极接口 │  │  电极接口 │  │  （差分输入）│  │  （12位） │  │  （115200）│

└────────┴───────┘   └────────┴───────┘   └────────┴───────┘   └────────┴───────┘

│                                │                                │

│                                │                                ▼

└─────────────────────────────────────────→ LabVIEW上位机（波形显示、分析）

3.2 关键电路设计

3.2.1 AD8232外围电路

• 电源滤波：在VCC与GND之间并联0.1μF陶瓷电容与10μF钽电容，抑制电源噪声。

• RLD电路：通过OP07运放实现共模信号反馈，反馈电阻R7取1MΩ，确保人体安全。

• 输出缓冲：AD8232输出端接RC低通滤波器（R=1kΩ，C=0.1μF），抑制高频噪声。

3.2.2 STM32F103接口电路

• ADC配置：PA3引脚连接AD8232输出，采用定时器触发采样，采样率500Hz。

• UART接口：PA9（TX）、PA10（RX）连接HM-13模块，波特率115200bps。

• 电源管理：3.3V电源通过LDO（如AMS1117）从5V电池降压，静态电流<5mA。

3.2.3 HM-13蓝牙模块电路

• 连接方式：

• HM-13 TX → STM32 PA9

• HM-13 RX → STM32 PA10

• PIO1引脚接LED指示灯，显示蓝牙连接状态。

• 天线设计：采用2.4GHz PCB天线，增益2dBi，匹配50Ω特性阻抗。

四、软件系统设计

4.1 下位机程序（STM32F103）

4.1.1 主程序流程

int main(void) {

SystemInit();                   // 系统时钟配置  

ADC_Init();                     // ADC初始化（PA3，500Hz采样率）  

UART_Init(115200);              // 串口初始化  

Bluetooth_Init();               // 蓝牙模块配置  

while (1) {

if (ADC_Read(&ecg_data)) {  // 读取ADC数据  

UART_Send(ecg_data);    // 通过蓝牙发送  

Delay_ms(2);            // 延时2ms，避免数据拥塞  

}

}

}

4.1.2 关键算法实现

• 数字滤波：采用滑动平均滤波，窗口大小N=10，抑制高频噪声。

• 心率计算：通过Pan-Tompkins算法检测R波峰值，计算相邻R波间隔（RR间期），心率=60/RR间期（单位：bpm）。

4.2 上位机程序（LabVIEW）

4.2.1 前面板设计

• 波形显示：使用Waveform Graph控件，支持实时刷新与历史回放。

• 参数显示：实时显示心率、QRS波宽度、ST段偏移等指标。

• 报警功能：当心率超出预设范围（如<40bpm或>120bpm）时，触发声光报警。

4.2.2 程序框图逻辑

1. 串口配置：通过VISA Configure Serial Port节点设置波特率、数据位等参数。

2. 数据解析：使用Index Array节点提取心电数据包，转换为双精度数组。

3. 信号处理：调用LabVIEW内置滤波器（如Butterworth滤波器）进行去噪。

4. 特征提取：通过Threshold Detector节点检测R波峰值，计算心率。

五、系统测试与验证

5.1 测试环境

• 硬件平台：STM32F103C8T6最小系统板、AD8232评估板、HM-13蓝牙模块。

• 软件工具：Keil MDK 5.32、LabVIEW 2020。

• 测试设备：标准心电信号发生器、Fluke ProSim 8模拟器。

5.2 测试结果

六、系统优化与扩展方向

6.1 功耗优化

• 采用STM32L系列低功耗芯片（如STM32L476），待机电流降至0.9μA。

• 蓝牙模块切换至BLE模式，平均功耗降低至3mA。

6.2 功能扩展

• 多参数监测：集成血氧、体温传感器，构建综合健康监测平台。

• AI分析：在LabVIEW中嵌入TensorFlow Lite模型，实现心律失常自动分类。

• 云平台接入：通过MQTT协议将数据上传至阿里云IoT平台，支持远程医疗诊断。

七、总结

本系统以STM32F103微控制器为核心，结合AD8232信号调理模块与HM-13蓝牙模块，实现了便携式心电信号的实时采集与无线传输。通过LabVIEW上位机软件，用户可直观监测心电波形并获取心率等关键指标。测试结果表明，系统在信号增益、共模抑制比及功耗等关键性能上均达到医疗级标准，且成本控制在百元级，具有显著的市场推广价值。未来可通过集成多传感器与AI算法，进一步拓展其在远程医疗、运动健康等领域的应用场景。