【迪文COF结构智能屏试用体验】基于STM32F407+迪文COF智能屏 ECG心电检测仪实现

1.2. 系统框图中每一模块简单描述
每个框图将实现下表列出的功能：
-电极检测出心脏活动产生的电位变化。
-保护电路保护患者因电风险产生的免疫力(本电路中未包括)。
-加缓冲降低传感器的大阻抗。
-右腿驱动电路帮助减小共模干扰。
-仪表放大器电路将放大有用信号，LPF低通滤波和HPF高通滤波执行BPF带通滤波功能，删除掉DC部件和高频噪声。
-ADC 和处理器将实现数据采集与处理，然后把输出数据和计算结果送到HMI。
  
补充：
1. 图2显示的只是单导系统，事实上，可以按此开发出标准7导系统它能实现基于ICU或诊所环境下的的ECG检测系统，由此看出，标准7导监测系统包括了单导系统，可以实现导联I,导联II，导联III，aVR，aVL，aVF以及前胸导联检测。
Lead I: RA (-) to LA (+) (左右或侧面)
Lead II: RA (-) to LL (+)
Lead III: LA (-) to LL (+)
aVR: L+F (-) to RA(+)
aVL: R+F(-) to LA(+)
aVF: R+L(-) to LL(+)
V: R+L+F(-) to C(+); (胸导)
  
总的有 5 个电极，4 个用于导联信号识别，1 个用于右腿驱动。
  
2. 1mV 校准电路
     1mV 校准电路产生1mV标准信号，这可以修正显示的 ECG 描迹。
  
3. 系统可以在 15℃ 到 35℃温度下工作。

  
1.3. 误差分析
按照ECG监测的要求，主要参数是心率，敏感度和精度，硬件应该满足要求(软件也可以帮助修正错误)

1. 采样率
ECG信号的大部分频率不超过35Hz，所以采样率应当大于100Hz，这是目前ECG检测的现状。


2. 精度
       诊所应用中,ST 段的变化情况对某些心脏病是非常重要的,所有肢导的 ST 背离应该不超过0.1mV;在胸导上的 V1~V3 不超过 0.3mV,V4~V6 不超过 0.1mV;在所有标准 12 导联中的 ST背离不超过 0.05mV.
        ECG信号的振幅在0.5mV到2.0mV,所以按照ST背离要求,整个系统应该有2.5%的精度(0.05mV/2mV=2.5%).


3. 误差分布
          失误源包括软件和硬件,对于硬件来说,传感器(电极),放大电路是主要误差源,所以误差分布如下:
          电极: 30% (15uV);
          放大电路和 ADC: 60% (30uV Rti)
          软件: 10% (5uV RTI)
  
2. 每一模块描述
          做为一个ECG监测模块,主要精度要求是心率的精度(±1bpm) 和1mV校准信号(1mV±1%),三模式下的CMRR(诊断模式>90dB,监测模式>105dB,手术模式>105dB)可能是个重要考虑因素.
          电气安全性是另一个必须考虑的因素,这个模块采取了下面措施来避免患者受电击, 氖灯处理70V以上高压,双二极管(IN4001)保持输入信号在±600mV,电阻器限制电流活动,使用蓄电池做安全电源,和采用了右腿驱动电路.
          为了采样右腿干扰ECG信号,模数过滤和共模干扰处理是重要的.
          下面描述按信号链线索进行.
  
2.1. 电极和导联线电缆
          一次性自黏插座把输入源连到患者皮肤上,通过自扣式连接器连到电极,我们选择这个插座是因为它是非侵害的,比较适用于测量低电压心电信号,由于人的皮肤是弱电传感器,在皮肤和电极接触之间加进低阻抗胶,电极应该是:
          高敏感度
          低电极漂移电位
          低电极噪声
          电电极偏振影响 (方法—前置放大的高输入阻抗)
          运动伪影---大约 5mv ( 加入电极胶或粘贴)
  
          Ag/AgCl 电极应能提供最好的低偏移电位和漂移,低噪声与运动伪影相应免疫力的组合,满足偏移和漂移规格的商用 ECG 电极有预胶,自黏合,以及易于使用和存储的优点.
          患者电缆是个屏蔽电缆,携带电信号到前端放大器,插座和电极的有效性对ECG设计是非常重要的,脏的,出汗和其他污染物会导致读取到低劣信号,所以接触区要用外用酒精处理下.
          应该仔细选择电极和导联线来满足相关标准的要求 (ANSI/AAMI EC12:2000/(R)2005 --Disposable ECG electrodes; ANSI/AAMI EC53:1995/(R)2001 --ECG cables and leadwires ). 为了使系统更稳定,加一个导联线电缆插座到PCB板上.

  
2.2. 导联选择
          这个系统是 7 导联的 ECG 模块,7 导是:
          Lead I: VI = ΦL - ΦR
          Lead II: VII = ΦF - ΦR
          Lead III: VIII = ΦF - ΦL
          aVR: L+F (-) to RA(+)
          aVL: R+F(-) to LA(+)
          aVF: R+L(-) to LL(+)
          V: R+L+F(-) to C(+); 胸导
  
          由于来自患者的电极是4个,为了得到7对不同的信号,需要用到导联选择,Wilson网络和模拟复用开关用于实现导联选择
  
Wilson 网络
          Wilson 网络用于导联选择的现代 ECG 监测中，Wilson 网络和患者之间用 OP4177 创建的缓冲用作信号隔离，9 个电阻形成三角 Wilson 网络(见图 7)，该三角网络的三点对应RA,LA,和 LL，而从 RA,LA 和 LL 信号平均值导出的 Wilson 网络中心，提供电压到单导联的负输入端，Wilson 网络中心的电压是 0V，所以在 Wilson 网络中的所有电阻是 1%偏差的 0603 封装。
          对缓冲来说，低噪声和端到端的匹配是最重要的事，所以 OP4177 电源使用±3.3V。
          其他标准导联升级也可以从这网络导出,导联连接点的数学关系式可从简单推演中导出

多路复用器
          与1mV校准信号一起，需要使用到四对信号通道，模拟开关应该是个好的选择。
          因其低阻抗(100Ω max)这里使用两个复用器(ADG658YRU)，低漏电流(±5nA)和低功耗,典型的，它<0.1μW。他们由±3.3V供电，详细的导联线选择见表1。

        两个 ADG658 由 AduC7020 控制，ADG658 的真值表见表 2，导联线选择真值表见表 3,从系统健壮性和方便调试考虑，控制引脚缺省的接一个下拉 10KΩ电阻,所以默认设置是 Vx导联，激活 ADG658的/ENABLE 使能总是低的。

2.3. 1mV 校准
          1mV校准信号从微处理器AduC7020的嵌入式参考源导出，它是2.5V的，参考源有±10mV最大初始精度和±10ppm/℃漂移。

  
          对 1mV 精度来说，初始精度可校，所以温飘对患者监测来说是最重要的因素，周围环境温度应为 15~35℃，所以温飘是：
          (±10/1000000)*20*2.5=±0.5mV (最坏场合,满量程)
          考虑到放大器的漂移 (Xmv/℃), 方程式应为：

  
          所以 X ≤ 2.45mv/℃. 如选用 AD8541AKS, 其飘移是 4uV/℃, 然后再用 1MΩ 电阻和可调电位器,总电阻为10KΩ得到1mV信号,精度为:

        使用 ADG719BRM模拟开关来产生 1mV 方波，ADG719是一个带最大5Ω电阻的SPDT开关，方波频率是 2Hz。
          从系统健壮性和易于调试出发, 加一个 10KΩ下拉电阻设置 GND 为缺省地。

  
2.4. IA & DRL
仪器放大器 (IA)
          仪器放大器对 ECG 模块的性能是很重要的，选用 AD8221ARM/AD8220ARM 做为仪器放大器的理由是：
          CMRR>100dB 接近 1kHz,50µV 最大偏置电压，1nA 最大输入偏置电流和 0.28µV 的输入电压噪声(0.1Hz 到 10Hz)。
          仪器放大器的增益由下面因素决定：
          仪器放大器输出电压摆动范围。
          设置增益下的放大器 CMRR。
  
          IA 的最大挑战在于电极电位差高达±300µV，强度远超 ECG 信号，所以为了系统简洁和更高的 CMRR，最好选择端到端的 IA。

            Gain = 1 + 49.4 k/(RG // 44 k)
            RG= 2173.6 / (44*(G-1)-49.4) KΩ
  
      44KΩ电阻来自 IA 中的 DRL 右腿驱动电路，IA 和 DRL 的电路见下图 9，为了精度，选择 RG 的误差在 1%。

右腿驱动 (DRL)
        基于两点考虑，右腿驱动电路 DRL 对 ECG 系统是必须的：
        消除 50/60Hz 工频干扰。
        患者保护。
  
        右腿共模反馈电路中用的运算放大器是 OP2177,双极放大器，电路发送反向共模干扰到患者右腿，它的意图是消除干扰，保护来自导联线的电极信号，运算放大器有一个 20 倍的共模电压增益[从 R2/R1 = 220kΩ/11kΩ导出]，带 70Hz 带宽。

        20*log|G(S)|=20*log20-10*log[1+(R2*C*2*Pi*f)]
        所以 10*log[1+(R2*C*2*Pi*f)] = 3dB
  
        10*log[1+(220K*C*2*Pi*70)] = 3, C≈0.010286 uF
        10KΩ 电阻串在 C 上是为了处理反馈循环时的稳定考虑。
  
2.5. 信号过滤
        ECG 信号频率范围大致在 0.1 to 100 Hz。需要用低波滤通器来删除 100Hz 以上的高频噪声。
      设计者使用单电源放大器来做信号过滤是可能的，所以IA后面的所有器件使用3.3V供电，它也是处理器的额定电源。
        按照检测系统的要求，它支持三种模式：诊断，检测和手术模式。这些模式的频率范围在表6中给出：

  
          频率范围使用HPF和LPF来建立，HPF设置成一级处理，LPF设置成2级处理，信号过滤电路见下表：

  
          高通滤波部分包括 C1 和 R1。C1做为 AC直流连接和高通电容功能。R1的值取决于HPF的截止频率。对每一模式的R1值见表7。
          第一个 AD8609 建立 LPF。增益是 70.8 (1+R3/R2=70.8)。即，激活LPF是由R2，R3和C2来建立的，LPF的迁移功能是：
          G(S) = 1+R3/R2*1/(1+R3*C2*S)
  
          所以C2值选择决定了LPF的截止频率。对每一模式的C2值见表7。

  
          ADG704 用来选择不同模式下的 R1 和 C2，默认的 HPF/LPF 截止频率见表7。
          一个第二级 Sallen-Key Butterworth LPF用作对高频进一步滤波。其增益是1.57，截止频率是234Hz。LPF也由AD8608建立。
          为了更好的排除 50/60Hz 干扰，使用陷波过滤器，这由下表中的双T滤波器实现。

  
          过滤器增益是1.5，所以R2是5.1 KΩ，R1是10KΩ，50/60Hz下的R,C值见下面，你会看到只有电阻变化,电容保持不变。

  
BPF 带通滤波器和 50/60Hz 陷波过滤后的信号影响效果见图 12。

  
2.6. 微处理器
          微处理器选择上，主要考虑控制能力，外围接口和信号处理能力，STM32F407用作微处理器，STM32F407有ARM-M4 内核，12-bit 1MSPS ADC以及片内flash存储。
          数据采样由嵌入式12位ADC完成，ADC采样率是250Hz。
          处理器控制功能还有：导联选择和模式选择。用户接口控制部分由HMI接口完成，接收从RS-232口或UART口发来的命令。
          外围接口包括 UART 和 JTAG，UART 用作代码下载和与 HMI 通讯，JTAG 用做在线调试。
  
2.7. 串口屏
          迪文 COF 智能屏，是基于迪文低功耗双核 T5L0 ASIC，将整个智能屏核心电路放到液晶模组 FPC 上，集成整合触摸屏，并把用户 CPU 核的 IO、UART、CAN、AD、PWM 等接口引出到 FPC接口上的产品。本次使用型号为 7 吋触摸版。


3.主要部件列表