1 实验需求分析
1.1 项目背景介绍
心电信号（Electrocardiogram, ECG）是反映心脏活动电生理变化的重要生物电信号，其特征包括心率、节律、波形等参数，能够直观反映心脏健康状况，在临床医学、健康监测和疾病预防中具有不可替代的作用。通过心电信号的测量与分析，可以检测心律失常、心肌缺血、心脏传导阻滞等异常，为心脏疾病的诊断和治疗提供关键支持；借助便携式和可穿戴设备，实时心电监测已成为健康管理的重要手段，为心血管疾病高危人群提供预警，有助于降低发病率和致死率。此外，心电信号还是生物医学研究的重要工具，为心血管药物开发、人工心脏研究等领域提供了基础数据。在当前人口老龄化加剧和心血管疾病高发的背景下，心电信号测量与分析技术显得尤为重要。本项目旨在开发高精度的心电信号采集系统，结合课程中介绍的数字信号处理等专业知识，为心脏健康提供更加便捷和智能的监测方案，推动精准医疗与个性化健康管理的发展。
1.2 心电信号特征与设计需求
心脏内部产生的一系列非常协调的电刺激脉冲，使得心脏肌肉细胞有节奏的舒张和收缩，这些信号传递到人体表面的不同部位形成不同的电位差。通过仪器设备可以从体表检测到这些微弱的电位差信号，称之为心电信号。换言之，心电信号即为人体心脏细胞细胞膜产生的电势差。在医学上，医生往往需要通过心率与幅值等参数来初步判断患者的健康状况，因此实现高精度的心率与幅值测量是本项目中设计的心电信号采集与处理系统的核心功能。
正常的心电信号频率范围为0.05Hz－100Hz，其能量集中在低频段，其中99％的能量集中在0Hz－35Hz。在其采集过程中容易受到各种干扰，主要分为三种：
工频和工频的谐波频率干扰，工频频率在我国为50Hz；
肌颤噪声和采样电路参考电压引入的电源纹波等高频噪声，频率通常在100Hz以上；
呼吸基线漂移和采样引入的直流分量，频率一般分布在0-0.7Hz。
以上的各种干扰会对心电信号采集结果产生较大的影响，使得采集到的心电信号中出现许多杂波与噪声，这是我们所不希望看到的。因此，为提高心电信号的测量精度，需要设计相应的滤波器对传感器采集到的信号进行滤波，从而减小信号中的噪声震荡，提高心率与幅值测量的准确程度。特别的，由于参考电压受环境温度变化会产生一定的温漂，以及人的呼吸活动和电极滑动也导致基线漂移。这些干扰的频率很低，通常在几Hz以内，但和心电信号的有效频谱非常接近，因此需要过渡带较窄的IIR直流陷波器来消除干扰。
基于心电信号的以上特性，对于该心电信号采集与处理系统，提出如下的技术指标需求：
0频处的缓变直流衰减不低于30dB；
降噪滤波器以35Hz为3dB通带截止频率，过渡带不超过10Hz，阻带衰减不低于40dB；
心率估算误差不超过10%。
2 实现方案论证
2.1 系统框架设计
本项目的核心目标是实现心电信号的采集与滤波以及心率测量，同时需要在屏幕上绘制时域波形与频谱图。具体而言，细分的功能如下：
实现ADS1292获取心电信号原始数据，并通过串口传输至PC电脑；
实现PC电脑中通过MATLAB对原始数据进行时域和频域分析；
实现PC电脑中通过MATLAB对原始数据进行降噪和提取心率；
实现STM32单片机中对原始数据进行降噪和提取心率；
TFT屏幕中绘制心电信号曲线和显示心率数值。
为实现以上功能，采用如下的系统设计流程：
调试ADS1292R_PowerOnInit函数中的ADS1292芯片读取，通过读取芯片device_id验证硬件功能正常且连接正确；
在中断驱动下，读取ADS1292的原始数据，并存储在单片机的存储器中；
把原始数据传输到PC；
在PC中分析原始数据的时域和频域；
在PC中设计滤波器对原始数据进行处理，并提取心率等；
把PC中的滤波器移植到单片机中；
在单片机中把心电波形和心率等数据显示到TFT屏幕。
根据如上设计流程，结合目前提供的材料，设计了如下图所示的心电信号采集与分析系统：
系统的工作流程如下：
首先，STM32控制器向心电传感器发送采集指令，传感器随后采集来自人体或模拟信号源的心电信号，并将数据反馈至控制器；
接着，控制器将采集到的数据传输至PC端，供进一步分析处理；
然后，根据PC端的分析结果，控制器会调整参数并优化心电信号处理；
最终，处理后的结果将在TFT屏幕上实时显示，供用户查看。
可以看到，该系统主要涉及到STM32主控芯片、ADS1292R传感器、TFT显示屏、心电信号模拟器以及PC端分析软件MATLAB等关键组件。接下来将对于本项目涉及的各硬件组件进行介绍。
2.2 STM32主控芯片
本项目选用的微控制器STM32F407ZG是系统的核心控制单元，负责协调各个模块的工作。其不仅负责信号的采集，还管理信号传输、滤波器应用、以及与TFT屏幕的显示操作。其强大的处理能力和灵活的控制方式使其成为整个系统的”大脑”。该控制器目前搭载在”正点原子”探索者STM32F407开发板V3上，负责完成系统的信号采集、处理与传输任务。
该单片机具备高性能的ARM Cortex-M4内核，主频高达168MHz，同时集成了丰富的外设接口，包括多个ADC通道、DMA（直接存储器访问）、定时器以及USART串口等，为心电信号的实时采集、处理与传输提供了强有力的硬件支持。它通过SPI协议与ADS1292传感器进行数据交换，采集来自人体或模拟信号源的心电信号，并进行初步处理。
2.3 心电信号模拟器
在实验的过程中，无法总是以人体作为心电信号源，因此在缺乏人体数据的情况下，本项目采用SKX-2000心电信号模拟仪作为测试时的模拟信号源。它能够生成不同类型的心电波形，广泛用于测试系统性能和验证心电信号采集、处理的稳定性。此设备对确保系统在实际使用前达到预期的性能标准至关重要。
