一、前言。
在醫療領域常常使用的心電圖儀并不是很複雜的儀器。其原理跟示波器非常相似，隻不過，心電圖儀測量的是低頻小信号。
心電信号（也叫ECG信号）的幅值一般在0.05mV~4mV之間，要求分辨力至少為0.1mV，其頻率在0.05~100Hz之間，主要的頻率成份集中在5~20Hz之間。
一般的示波器垂直刻度最小為10mV/div，分辨力約為0.4mV。其次，把探頭接在左右手，在示波器上隻會觀察到50Hz的工頻幹擾。是以，示波器并不适合測量心電信号。
制作心電圖儀，可以使用多級放大，再配合低精度的ADC來達到采樣的要求。但是這種方案比較煩瑣，而且使用的元器件太多，不利于産品的小型化。
二、方案。
本文是采用TI的ADS1298，一塊晶片內建了EMI抑制器、PGA、高精度24位ADC、内部高精度基準源、SPI接口。其方案如下圖所示。
該方案有以下特點：
1、模拟電源和數字電源獨立供電，模拟地和數字地通過0R電阻隔離，可以大大減少ECG前端采集的幹擾。
2、模拟電源用幹電源供電，沒有50Hz工頻幹擾，信噪比非常高，ADS1298輸入短路噪聲均值約為250uV，輸入引起噪聲約為4uVpp。
3、選用STM32單片機，可以利用ST官方提供的驅動庫，大大提高了開發效率。
4、LDO選用TPS73201MDBVREP，其差壓非常低，在250mA滿載的情況下隻有40mV差壓，其靜态電流達到uA級，可以讓幹電源使用更長的時間。
5、使用CH340做USB轉TTL序列槽，讓STM32和PC機通信，成本低，又能達到通信速率的要求。
6、使用ADS1298的內建方案，大大縮小的産品的體積，讓産品更便攜。
7、使用光耦做電量檢測，把數字電源的幹擾隔離開。
8、使用ESP8266做WIFI通信，體積小，成本低。
9、使用防水型DS18B20做體溫計，體積小，接口簡單。
三、實物圖。
12導聯心電圖儀實物如下圖所示。
四、導聯的連接配接方式。
五、導聯與ADS1298的ADC通道連接配接，如下圖所示。
肢體導聯當中的I、II、III，隻需要接其中兩個即可，另外一個可以通過計算得到。
六、硬體調試。
硬體設計部分遇到LDO嘯叫的問題。
C67設定為0.1uF，發現LDO嘯叫，将其去掉即可。
七、ADS1298的讀寫操作。
ADS1298有連續采樣和突發采樣兩種工作方式，本文使用連續采樣方式。
STM32通過SPI接口從ADS1298擷取3個狀态寄存器和8個通道的資料，其時序圖如下圖所示。
ADS1298讀寫寄存器時，操作碼1（OPCODE1）是0x20加上要讀寫的寄存器位址，操作碼2（OPCODE2）是要讀寫的位元組數-1。
假設隻讀ID一個寄存器，操作碼1隻需要發送(0x20 | 0x00)，0x00是ID号的寄存器位址，而操作碼2隻需要發送0x00，這裡讀一個位元組，1-1=0。代碼如下所圖所示，cmd可以是任意寄存器位址，這裡隻能讀一個位元組。而寫操作與讀操作相似，這裡不再贅述。
八、上位機。
利用上位機采集到的心電信号，如下圖所示，存在基線漂移。aVF有明顯的基線漂移現象，而其它導聯則是超過了顯示範圍。
增加了中值濾波後，修正了基線，如下圖所示（測試對象1）。
如下圖所示（測試對象2，隻接了肢體導聯）。
如下圖所示（測試對象3，隻接了肢體導聯）。
如下圖所示（測試對象1，坐着測，腿發麻，增加了檢測導聯脫落功能）。
通過算法能識别出R波，進而推算出RR間隔和心率，如下圖所示。
九、溫度補償。
可以利用上圖的溫度曲線，用曲線拟合來補償ADC的參考源。
十、注意事項。
1、導聯必須連接配接正确，否則波形有異常。
2、增加右腿驅動，可以抵消人體的共模幹擾，否則難以觀察到心電信号。
3、晶片虛焊，可能導緻采集到的資料異常。
4、先采集ADS1298内部的測試信号，如果沒問題，再去采集外部的心電信号。
5、ADS1298采集到的資料，是以二進制補碼的形式存儲，需要轉成原碼，再計算電壓值。
6、去耦電容，建議使用NPO或C0G材質的電容，可以減少幹擾，提高系統的穩定性。
7、ADS1298的SPI接口，CPOL=0，CPHA=1，編寫單片機代碼時，需要特别注意。
8、配置好ADS1298，在24号引腳才會出現2.4V的參考電壓，否則不出現。
9、ADS1298的通道懸空時，采集到的電壓為Vref，因為其差分輸入的正端有上拉電阻，而負端有下拉電阻。
10、右腿驅動，可以使用内部的參考源。
11、ADS1298虛焊或外部晶振虛焊時，測到37号引腳CLK，電壓為2.3V，正常工作時，電壓為VDD的一半（即1.6V），這裡的VDD為3.3V。
12、ADS1298的START、RESET操作，可以通過SPI讀寫寄存器來完成，也可以通過拉引腳電平來完成（其作用沒有差別），這裡START是拉引腳電平，而RESET是讀寫寄存器。
13、ADS1298複位時間為2^18次方*clk周期，這裡為50us。
14、靜坐也是可以測到心電圖，但是可能會出現少量噪聲，建議平躺着測。
15、建議先在皮膚上塗一些酒精再接導聯，被測的人體要放松，手腳不能用力或者移動，否則有可能測不出心電圖，或者測出來幅度特别小。
十一、其它問題。
A、8通道的ADS1298怎樣做12導聯？
标準I是可以通過計算得到的。
由上圖所示（參考标準 YY 1139-2013）。II-III=(F-R)-(F-L)=L-R=I。
而aVR,aVL,aVF均可以由I、II、III計算得到。
aVR = -0.5 * ( I + II )
aVL = I - 0.5 * II
aVF = II - 0.5 * I
也就是說隻要用一片ADS1298采樣v1~v6，（I、II、III的其中任意兩路），這8路，可以滿足12導聯的要求。
而12導聯隻有10根信号線，分别是v1~v6，左手、右手、左腿、右腿。
B、導聯的美标、歐标。
美标:RL,LL,RA,LA,V1,V2,V3,V4,V5,V6。
歐标:RF, F, R ,L ,C1,C2,C3,C4,C5,C6。
C、胸導聯位置。
1、胸骨右緣第四肋間。
2、胸骨左緣第四肋間。
3、為2~4的中點。
4、左鎖骨中線與第五肋間交點。
5、為4水準與左腋前線交點。
6、為4水準與左腋中線交點。
D、肢體導聯與皮膚的連接配接。
E、為什麼沒有50Hz陷波濾波器？
使用線性電源給心電圖供電時，是接220V市電，再經過變壓器和LDO，最終得到ADS1298的供電電壓，這個電壓包含了市電50Hz的工頻幹擾。工頻幹擾對于ADS1298是緻命的，是以要增加50Hz陷波濾波器。我這裡是使用電池供電，沒有工頻幹擾，是以不需要使用50Hz陷波濾波器。
F、為什麼沒有前端放大電路？
ADS1298已經內建了濾波、放大、ADC，不需要再增加放大電路。
G、動态心電圖。
動态心電圖又叫Holter，其導聯的接法如下圖所示。可用于經常活動的應用場景，或是給殘障人士測心電圖。
H、肌電圖儀。
請參考本部落格的《基于ADS1298的肌電圖儀》。
十二、示範視訊。
https://www.bilibili.com/video/av58871584/
十三、參考資料。
ADS1298晶片手冊
PhysioBank資料庫
标準 YY 1139-2013
醫療器械指令與認證程式