高可靠性心脏监护仪设计详解

的诊断类仪器必须支持起搏器脉冲分析。HM301D有两个起搏器专用通道，每条通道提供10 kHz带宽和起搏脉冲检测可调功能。

　　除心电分析功能外，HM301D具有全集成的阻抗测量通道，提供体重和呼吸速率计算所需的功能。 HM301D通过心电监护仪的两个电极向人体发射高频方波弱电流，然后测量最终的电压。基于数字带通滤波器的IQ调制/解调技术提供与呼吸相关的时变频率成份中的现实频率和设想频率，以及与体重有关的非时变频率成份。

　　其它功能特性包括右腿驱动器、WCT驱动器、屏蔽驱动器和一个输入连接矩阵。低压电源和低功耗还使该芯片特别适用于电池供电装置。

　　HM301D评估板： STEVAL-IME002Vx

　　STEVAL-IME002Vx是一系列基于HM301D诊断级模拟前端芯片的评估板。HM301D是意法半导体针对生物电和生物阻抗测量推出的新产品。

图 6： STEVAL-IME002V1评估板

图7： STEVAL-IME002V2评估板

　　该系列评估板共有STEVAL-IME002V1 和 STEVAL-IME002V2两款产品，分别用于演示HM301D在心电监护仪（或病患监护系统） （ECG）和自动体外除颤器（AED）中的性能表现。

　　这两款电路板还搭载一个32位的STM32微控制器，用于管理HM301D的SPI协议和电路板与PC机之间的USB通信。两款电路板都能配合专用PC机软件图形用户界面，演示不同的应用配置的工作情况。

　　为优化硬件开发，两款电路板几乎相同；唯一不同之处是板载元器件，通过比较图6和图7，我们很容易看出不同之处。

　　STEVAL-IME002Vx评估板通过SPI菊花链拓扑最多可连接三个 HM301D芯片，因此，STEVAL-IME002V1可能有1个、2个或3个HM301D芯片，分别用U1、U2和U3表示；STG3692 （低压高带宽四通道SPDT开关）用于管理三种配置之间的开关。三个芯片连接只能使用菊花链拓扑。换句话说，在没有U1时，无法使U1和U2工作。准许开关顺序是U1；U1和 U2； U1、U2和 U3。

　　HM301D的每一条输入线上都有ESD保护器件ESDALCL6-2SC6，该器件符合IEC61000-4-2 规范的4级保护标准。

　图 8： 板上连接逻辑图

　　图8的硬件框图描述了板上所有元器件之间逻辑连接线路，同时图10给出了元器件在电路板上的布局。

图 9： SPI菊花链

　　图9所示是STM32F103CBT6外设与HM301D芯片之间的逻辑连接图，其中STM32F103CBT6是SPI总线的主控制器，负责管理SPI开关通道（通过STG3692），开关微控制器与SDO信号的连接线路。

图10： STEVAL-IME002Vx电路板布局

　　为评测HM301D芯片的不同工作模式，评估板准许第一个 HM301D （U1）的采用双极或单极连接模式，而另外两个HM301D （U2和 U3）的连接始终采用单极模式。

　　表1：首个基于 HM301D的接收定位输入配置

　　特别是在STEVAL-IME002V1电路板上，U1被配置成采集艾因特霍芬（Einthoven）正三角形信号，其极点是LA （左臂）、 RA （右臂）和LL（左腿），三个极点直接连接U1。此外，RL （右腿）是电势的参考电极，与U1的9号针相连。这种连接方式使心电图正面肢体导联线数据检索变得十分容易。事实上，导联线 I 是LA与RA的电势差；导联线 II是LL与RA的电势差；导联线III 是LL与LA的电势差。导联线的连接是由电阻R1、R2、R3和R15控制（见表1）。

　　传统临床心电图机多数使用单通道放大器，其数据记录系统准许通过一个多点开关选择所需的导联线连接方式。STEVAL-IME002V1评估板上的HM301D芯片可记录所有导联（I， II， III， V1， V2， V3， V4， V5， V6）数据 ，并通过图形用户界面的参数设置功能，将采集到的数据送入生物电位放大器放大。用户还可以在PC机上记录心电导联数据。

　　电极V1、V2、V3假如存在，通过单极方式连至U2，电极 V4、V5、V6单极连至U3。U2和U3芯片的连接方式都是单极模式，以主设备（U1）的 WCT为参考信号。

　　特别注意的是，STEVAL-IME002V2电路板上只安装U1，并被配置成仅采集导联I，即LA与RA的电势差。

　　一旦按照表1完成必要的配置后，评估板即可投入使用。事实上，电路板还有配套的STM32固件，使STM32微控制器能够从HM301D检索所有的心电信号， 通过USB数据线传送到PC机。

　　该评估板还为客户提供一个图形用户界面（GUI）的PC软件，该软件可设置心电监护仪系统的参数（见图11），并在显示屏上绘制所采集信号的波形（见图12）。

图11： EDEN界面主窗口

　　用户可以轻松打印心电数据或保存到本地磁盘，以备深入分析或治疗后诊断。

　　此外，软件图形界面还能检索HM301D阻抗通道的信息，测量人体阻抗以及因呼吸而引起的各种变化。

STEVAL-IME002Vx评估板上的HM301D还能