基于STM32与AD620的心电信号采集系统设计与实现

1. 项目缘起与整体设计思路

心电信号采集这个方向，在生物医学电子里算是经典中的经典。我最早接触它是在做一个便携式健康监测终端的时候，当时市面上能买到的成品心电模块要么贵得离谱，要么噪声大得没法看，索性自己从运放和单片机开始搭一套。这套基于STM32的心电采集仪，核心目标很明确：把人体体表那点几十微伏到几毫伏的心电信号，干净地放大、滤波、数字化，然后通过串口或者屏幕把波形实时呈现出来。它适合电子类专业的学生做毕业设计，也适合想入门生物电信号采集的硬件工程师拿来练手。

先说清楚这套系统到底在干什么。人体心电信号有几个非常“难伺候”的特点：幅度极小，典型值只有1mV左右，最微弱的有用成分可能只有几十微伏；频率很低，主要能量集中在0.05Hz到100Hz之间；而且它天然带着一大堆干扰——50Hz工频干扰、电极接触噪声、人体自身的肌电噪声、还有直流极化电压。你要做的，就是在一堆噪声里把那个微弱的有用信号“捞”出来，还不能把它弄变形。这就决定了整个设计的主线：前级高共模抑制比放大 + 中间级高通滤波去基线漂移 + 低通滤波去高频噪声 + 后级再放大到ADC能识别的范围。

为什么选STM32而不是51或者别的MCU？原因很实际。心电信号采样率一般要做到250Hz到1kHz，12位分辨率是底线，STM32F103系列自带12位ADC，转换速率1MHz，配合DMA搬运完全不占CPU。而且STM32的定时器可以精确控制采样周期，这对心电这种对时间轴要求严格的信号来说太重要了。另外STM32的串口、SPI、I2C资源丰富，后面想加OLED屏、SD卡存储、蓝牙传输都很方便。相比之下，51单片机做心电采集，光是ADC外挂和时序控制就够你喝一壶的。

模拟前端这块，AD620和OP07是绕不开的两个器件。AD620是经典的三运放仪表放大器，增益用一个电阻就能设定，共模抑制比高，输入阻抗大，特别适合做心电信号的第一级。OP07则是低失调电压的精密运放，虽然带宽不高，但做滤波和电平抬升非常稳。这两个器件搭配起来，成本可控，性能也够用。当然有人会问AD820怎么样，AD820是单运放，输入偏置电流更低，但做仪表放大需要自己搭三运放结构，匹配电阻要求高，对新手不太友好。AD620集成度高，省事，这是选它的核心理由。

整个系统的信号链路我理一下：电极从人体采集信号，经过AD620做第一级差分放大，增益设在100倍左右；然后过一个由OP07构成的高通滤波器，截止频率0.05Hz，把电极极化产生的直流漂移压掉；接着再过一个低通滤波器，截止频率100Hz到150Hz，把高频噪声和工频干扰的谐波滤掉；之后再用一级OP07做同相放大，把信号抬到0到3.3V范围内，同时加一个直流偏置，让信号落在ADC量程中间；最后送进STM32的ADC引脚，由定时器触发采样，DMA搬运到内存，再做数字滤波和波形显示。

这个链路里每一步都有讲究，后面我会逐个拆开讲。先记住一个原则：模拟部分决定信号质量的上限，数字部分只是尽量不把这个上限拉低。很多人把精力全花在STM32的代码上，结果模拟前端一塌糊涂，采出来的波形全是噪声，那就本末倒置了。

2. 模拟前端核心细节与实操要点

2.1 AD620第一级放大电路的设计与计算

AD620的增益公式是G = 1 + 49.4kΩ / Rg，其中Rg是接在1脚和8脚之间的增益电阻。我要的增益是100倍，代入公式：100 = 1 + 49400 / Rg，解得Rg = 49400 / 99 ≈ 499Ω。实际选型时用500Ω的金属膜电阻，精度1%就够了，算下来增益是99.8倍，完全可接受。这里有个细节：Rg的精度直接影响增益精度，但心电采集对绝对增益精度要求没那么高，1%足够了，没必要上0.1%的贵电阻。

AD620的输入端接法要注意。人体心电信号是差分信号，左右手电极分别接IN+和IN-，右腿驱动电极单独处理。这里必须提右腿驱动电路，它是抑制共模干扰的关键。原理很简单：从AD620的两个输入端各取一个电阻，通常各1MΩ，汇合后经过一个反相放大器反馈到右腿电极。这样人体上的共模电压被反相放大后驱动回人体，形成负反馈，共模干扰被大幅压制。没有右腿驱动，50Hz工频干扰能大到把心电信号完全淹没。我实测过，不加右腿驱动时，示波器上看输出全是50Hz正弦，加了之后心电波形立刻清晰。

AD620的电源用±5V双电源供电，这样输入共模范围更宽，输出动态范围也大。电源引脚各接一个0.1μF陶瓷电容和10μF钽电容去耦，位置尽量靠近芯片引脚。参考端5脚接地，如果后面要做电平抬升，也可以在这里加偏置电压，但建议第一级参考端直接接地，保持差分纯净。

注意：AD620的输入偏置电流约1nA，输入端如果直接接电极，电极阻抗不平衡会产生额外失调。实际使用时，输入端对地各接一个10MΩ电阻提供偏置电流回路，这个电阻要匹配，误差控制在1%以内。

2.2 OP07高通滤波与低通滤波的配合

第一级放大之后，信号里混着电极极化产生的直流电压，可能有好几百毫伏，如果不滤掉，后面再放大就饱和了。高通滤波器用OP07搭一个一阶有源高通，截止频率0.05Hz。计算RC：f = 1 / (2πRC)，取C = 1μF，则R = 1 / (2π × 0.05 × 1e-6) ≈ 3.18MΩ。实际用3.3MΩ电阻和1μF电容，截止频率约0.048Hz，够用了。这里电容要选漏电流小的钽电容或者薄膜电容，电解电容漏电流大会导致输出漂移。

低通滤波器同样用OP07，截止频率设150Hz，二阶压控电压源结构，这样滚降更陡。二阶低通需要两个电阻两个电容，计算稍微麻烦点。我一般取C1 = C2 = 0.1μF，然后根据f = 1 / (2πRC)反推R。150Hz对应R ≈ 1 / (2π × 150 × 0.1e-6) ≈ 10.6kΩ，取10kΩ标准值，实际截止频率约159Hz。二阶滤波器的Q值设0.707，这样通带最平坦。反馈电阻根据Q值算，具体公式网上都有，这里不展开，记住Q=0.707对应反馈电阻比输入电阻约0.586倍就行。

为什么高通和低通要分开做，不用一个带通？分开做的好处是每一级可以独立调整，调试时先调高通看基线稳不稳，再调低通看噪声大不大，互不干扰。而且OP07做滤波时，每一级增益可以设成1，避免增益带宽积不够导致高频衰减。OP07的增益带宽积只有0.6MHz，如果一级又滤波又放大，很容易自激。

2.3 后级电平抬升与ADC驱动

经过前三级之后，信号幅度大概在1V到2V峰峰值，但它是双极性的，有正有负。STM32的ADC只能测0到3.3V，所以必须把信号抬到1.65V附近。用OP07搭一个同相加法器，一路输入是滤波后的心电信号，另一路是1.65V的基准电压，两路相加后输出。基准电压用TL431或者电阻分压加电压跟随器产生，分压电阻取10kΩ和10kΩ，从3.3V分压得到1.65V，再用OP07做电压跟随器降低输出阻抗。

后级放大倍数设2倍左右，这样1mV的心电信号经过前级100倍变成100mV，再经过后级2倍变成200mV，落在ADC量程内。ADC的参考电压用STM32内部的3.3V，12位分辨率下，1LSB = 3.3V / 4096 ≈ 0.8mV。200mV的信号对应250个LSB，分辨率足够看清心电波形的主要特征。如果想更精细，可以把后级增益提到5倍，但要注意输出不能超过3.3V，否则削顶。

ADC输入端加一个RC低通，截止频率设1kHz左右，R取1kΩ，C取0.1μF，滤掉高频开关噪声。这个RC还有另一个作用：STM32的ADC采样时内部采样电容会瞬间抽取电流，这个RC可以缓冲，避免信号被拉低。采样时间设55.5个ADC周期，保证采样电容充分充电。

实操心得：OP07做电压跟随器时，输出端一定要串一个几十欧姆的电阻再接到ADC，防止容性负载导致振荡。我一开始没加，波形上总是有高频毛刺，加了33Ω电阻后干净了。

3. STM32数字部分与系统联调

3.1 定时器触发ADC与DMA搬运配置

STM32F103的ADC1接在PA0引脚，对应通道0。配置步骤我按实际工程顺序说。先开时钟：RCC_APB2ENR使能ADC1、GPIOA、AFIO；RCC_APB1ENR使能DMA1。然后配置PA0为模拟输入，GPIO_Mode_AIN。ADC配置：独立模式，扫描模式关闭，连续转换关闭，外部触发选择定时器2的TRGO事件，数据对齐右对齐，通道数1。定时器2配置成向上计数，预分频和重装载值决定采样率。我要的采样率是500Hz，系统时钟72MHz，预分频设72-1，得到1MHz计数频率，重装载值设2000-1，这样更新频率就是1MHz / 2000 = 500Hz。TRGO输出选择更新事件。

DMA配置：通道1，外设地址是ADC1的DR寄存器，内存地址是一个uint16_t数组，方向外设到内存，循环模式，外设和内存数据宽度都是半字，内存增量使能。缓冲区大小设500，这样每1秒DMA传输完成中断一次，在中断里处理数据。

这里有个坑：STM32F103的ADC和DMA配合时，如果DMA没使能就启动ADC，会丢数据。正确顺序是先配置DMA并使能，再使能ADC，最后启动定时器。我踩过这个坑，波形上总是隔一段丢一个点，查了半天才发现是顺序问题。

3.2 数字滤波与波形显示

采到的原始数据里还有残余噪声，数字滤波做两级：一级50Hz陷波，一级16点滑动平均。50Hz陷波用二阶IIR，系数用MATLAB或者Python算好，直接写成C数组。滑动平均简单，开一个16长度的环形缓冲区，每次新数据进来替换最老的，求和除以16。滑动平均的截止频率大概在采样率的1/16左右，500Hz采样对应约31Hz，对心电信号的主要成分影响不大，但能把高频噪声压得很低。

波形显示用0.96寸OLED，SSD1306驱动，I2C接口。显示时把500个点的缓冲区映射到128列屏幕上，每列取4个点的平均值，纵轴根据信号幅度自适应缩放。刷新率控制在20帧每秒，太高了OLED响应不过来。显示内容除了波形，还可以叠加心率数值，心率检测用简单的峰值检测算法：找滑动窗口内的最大值，如果超过阈值且距离上一个峰值超过300ms，就算一次心跳。

串口输出也保留，波特率115200，每采样点发两个字节，上位机用Python的matplotlib实时画图。这样调试时看波形更方便，OLED只是便携显示。

3.3 系统联调与噪声排查

联调时先不接人体，把输入端短接，看输出噪声。理想情况下短接时输出应该在1.65V附近，波动不超过几个LSB。如果波动大，先查电源纹波，用示波器AC耦合看±5V和3.3V，纹波应该在10mV以内。电源纹波大，多半是去耦电容没放够或者地线走线太长。

然后接信号发生器，输入1mV峰峰值、10Hz正弦波，看输出是否干净放大。如果波形失真，查后级放大是否饱和。如果噪声大，查AD620的Rg电阻是否靠近芯片，走线是否对称。我遇到过Rg电阻走线一长一短，导致共模抑制比下降，50Hz干扰明显，后来把两个电阻对称放在芯片两侧就好了。

最后接人体，用一次性心电电极，左右手和右腿。接上后先看基线，如果基线漂移大，查高通滤波的电容是否漏电。如果波形上有规律的尖峰，那是工频干扰，查右腿驱动是否正常工作。正常的心电波形应该能看到明显的P波、QRS波群和T波，QRS波群幅度最大，R波尖锐。

常见问题速查表：

4. 常见问题与排查技巧实录

4.1 电源与地线布局的坑

模拟部分和数字部分共用一组电源时，数字开关噪声会串到模拟电源上，心电波形上会出现与STM32主频相关的周期性噪声。解决办法是模拟部分用独立的LDO供电，比如从5V经AMS1117-3.3给数字部分，再从另一路AMS1117-5.0或者直接±5V给模拟部分。如果只有一组电源，至少在电源入口处用磁珠或者电感隔离，模拟和数字地单点连接。

地线布局上，模拟地和数字地要分开走，最后在ADC下方单点汇合。我见过有人把模拟地和数字地混在一起走，结果噪声大得没法用。PCB布局时，AD620和OP07的地线要尽量短而粗，去耦电容的地引脚直接打过孔到地平面。

4.2 电极与人体接触的注意事项

心电电极接触不良是新手最容易忽略的问题。一次性电极的导电胶干了之后接触阻抗急剧上升，信号幅度下降，噪声增大。测试时如果发现波形幅度忽大忽小，先换新电极。电极贴的位置也有讲究，左右手电极贴在手腕内侧，右腿电极贴在右脚踝内侧，贴之前用酒精棉擦拭皮肤去除油脂和死皮，接触阻抗能降一个数量级。

还有一点，人体本身就是一个天线，会拾取空间中的电磁干扰。测试时远离电脑电源、显示器、日光灯，这些设备工频辐射很强。我一般在电池供电下测试，整个系统用9V电池经稳压供电，完全浮地，干扰最小。

4.3 STM32开发环境与烧录问题

Keil5安装STM32芯片包是第一步，很多人卡在这里。芯片包从Keil官网下载，双击安装后Keil会自动识别。如果Keil5里没有STM32库，检查Pack Installer里是否安装了对应的Device Family Pack。标准库新建工程时，要把启动文件、系统文件、外设驱动文件都加进去，头文件路径也要配好。我习惯用STM32CubeMX生成初始化代码，省去手动配置寄存器的麻烦，但ADC和DMA的细节还是自己写更可控。

烧录用ST-Link，接线是SWDIO、SWCLK、GND、3.3V四根线。如果ST-Link Utility识别不到芯片，先检查接线，再检查芯片是否被禁用JTAG。STM32F103的PA13和PA14是SWD引脚，如果程序里把这两个引脚配成普通GPIO，下次就烧不进去了。解决办法是按住复位键，点击烧录，松开复位键，趁芯片还没运行用户程序时抢烧。或者用BOOT0拉高进入系统存储器启动模式，用串口烧录。

独家避坑：STM32的ADC在采样时如果引脚悬空，读出来的值是随机的。调试时如果发现ADC值乱跳，先确认引脚是否接了信号。另外，ADC的参考电压如果直接用VDDA，而VDDA和VDD之间有压差，读数会不准。最好在VDDA和VSSA之间加一个1μF加0.1μF的去耦，并且VDDA通过磁珠从VDD取电。

4.4 心电信号质量的主观评价

采到波形之后怎么判断好坏？我一般看三点。第一，基线稳不稳，好的波形基线应该是一条直线，漂移不超过0.5mV。第二，QRS波群是否清晰，R波尖锐，Q波和S波对称，幅度在0.5mV到2mV之间。第三，P波和T波是否可见，P波在QRS之前，幅度小但圆滑，T波在QRS之后，幅度较大且平缓。如果P波和T波完全看不到，说明低通截止频率太低或者增益不够。

还有一个简单办法：用手捏住电极，人为制造一个干扰，看系统恢复稳定的速度。好的系统在干扰消失后一两秒内基线就回正，差的系统要好几秒甚至一直漂。这反映了高通滤波器的响应速度，截止频率越低，恢复越慢，但基线越稳，需要折中。

5. 后续扩展与个人体会

这套心电采集仪的基础版做完之后，可以扩展的方向很多。加一个SD卡模块，把原始数据存成CSV文件，方便后期用MATLAB做HRV分析。加一个蓝牙模块，把波形传到手机APP上显示，做成便携式。还可以把单导联扩展成三导联，用三片AD620分别采集I、II、III导联，STM32的ADC多通道扫描模式轮流采样。甚至可以把STM32换成带浮点运算的F4系列，在片内做实时FFT，分析心电频谱。

我个人在实际操作中的体会是，模拟前端的调试时间要占总时间的七成以上。很多人急着写代码，结果模拟部分没调好，代码写得再漂亮也采不到干净信号。我的习惯是先用示波器把每一级输出都看一遍，确认每一级的波形都符合预期，再接ADC。示波器看模拟波形，串口看数字波形，两者对照，问题出在模拟还是数字一目了然。

最后分享一个小技巧：AD620的增益电阻Rg可以用一个精密电位器代替，调试时先用电位器调到一个合适的增益，测出阻值后再换成固定电阻。这样比反复焊电阻方便得多。电位器要用多圈精密型的，单圈电位器分辨率不够，调不准。