GraftSense-基于 AD8232 的集成型心电信号采集模块（开放版）

GraftSense-基于 AD8232 的集成型心电信号采集模块（开放版）

GraftSense AD8232 Integrated ECG Acquisition Module

目录

• 简介
• 主要功能
• 硬件要求
• 文件说明
• 软件设计核心思想
• 使用说明
• 示例程序
• 注意事项
• 联系方式
• 许可协议

简介

本项目是 GraftSense 系列基于 AD8232 的集成型心电信号采集模块，属于 FreakStudio 开源硬件项目。模块以 AD8232 心电采集芯片为核心，配合 RP2040-Zero 主控，实现双导联（差分采集）心电信号采集、滤波处理与心率计算，通过串口输出原始心电数据、滤波后波形及心率值，广泛适用于生物医学电子教学实验、心电原理演示等场景。

主要功能

• 双导联心电采集：采用差分采集方式，通过红、黄、绿三个电极精准捕获心脏电活动，有效抑制共模干扰。
• 多维度数据输出：支持原始心电数据、滤波后心电数据、导联连接状态、模块工作状态、心率值的查询与主动上报。
• 串口通信协议：通过 UART 接口实现双向通信，采用固定帧格式（帧头 + 类型 + 长度 + 数据 + 校验 + 帧尾），保障数据传输可靠性。
• 主动上报模式：可配置主动上报频率与模式，模块按设定频率推送心电数据，适配实时监测需求。
• AD8232 启停控制：支持远程控制采集芯片启停，灵活管理功耗与采集状态。
• 内置数字滤波：集成 IIR 数字滤波算法，有效去除基线漂移与工频干扰，输出纯净心电波形。
• Grove 接口兼容：遵循 Grove 接口标准，便于快速集成到各类开发平台。

硬件要求

• 核心芯片：AD8232 心电采集芯片、RP2040-Zero 主控，内置 DC-DC 5V 转 3.3V 电路与电源滤波模块。

• 供电方式：

• 5V 输入：通过 PH2.0-2P 端子或 RP2040-Zero 的 Type-C 接口供电。

• 推荐方案：电池 + 升压单元供电，避免 USB 引入的工频噪声，提升心电信号质量。

• 导联连接：

• 导联接口：LEAD 接口用于连接导联线，推荐使用屏蔽式导联线以减少电磁干扰。

• 电极贴法：
  • 红色（正极）：右胸上部，捕捉心电正电位变化。
  • 黄色（负极）：左胸上部（锁骨下），与红色电极形成电位差，提取核心心电波形。
  • 绿色（参考电极）：右下腹，接地以消除人体体表共模干扰（如工频噪声）。
• 串口通信：UART 接口（MRX、MTX），MCU 的 RX 对应模块 TX，TX 对应模块 RX，实现双向数据传输。

文件说明

• ad8232.py：AD8232 心电采集芯片驱动，封装了采集控制、数据读取与启停操作。
• ad8232_uart.py：UART 通信协议实现，处理帧格式解析、命令发送与数据接收。
• data_flow_processor.py：数据流处理模块，管理心电数据的缓存、分发与格式转换。
• ecg_module_cmd.py：模块命令解析器，支持查询/上报、模式设置、芯片控制等指令的解析与执行。
• ecg_signal_processor.py：心电信号处理器，实现 IIR 数字滤波、心率计算与波形特征提取。
• main.py：模块主程序，完成初始化配置、命令调度与主动上报逻辑。
• pico_mpy_uploader.py：固件上传工具，用于将 MicroPython 固件烧录至 RP2040-Zero。

软件设计核心思想

• 分层架构：将驱动层（AD8232 控制）、通信层（UART 协议）、信号处理层（滤波/心率计算）分离，降低耦合度，提升代码可维护性。
• 帧格式标准化：采用固定帧结构（0xAA 0x55 帧头 + 类型 + 长度 + 数据 + 异或校验 + 0x0D 0x0A 帧尾），确保通信可靠性与可扩展性。
• 主动上报机制：支持配置上报频率与模式，模块主动推送心电数据，减少上位机轮询开销，适配实时监测场景。
• 状态化信号处理：通过维护滤波器状态与心率计算上下文，实现连续、稳定的心电信号处理，避免数据丢失与相位失真。
• 容错设计：对导联脱落、通信异常等情况进行状态反馈，便于上层应用快速定位问题。

使用说明

1. 硬件准备

1. 固件烧录：

2. 按住 RP2040-Zero 的 BOOT 按键 后上电，进入固件烧录模式。

3. 将 MicroPython 固件文件拖入弹出的磁盘窗口，完成烧录。
4. 按下 RESET 按键 重启模块。

5. 导联连接：

6. 将导联线插入模块的 LEAD 接口。

7. 按要求粘贴电极：红色（右胸上部）、黄色（左胸上部）、绿色（右下腹），贴电极前用酒精擦拭皮肤去除油脂，确保紧密贴合。

8. 供电：

9. 优先采用电池 + 升压单元供电，避免 USB 工频噪声；或通过 5V PH2.0-2P 端子供电。

2. 软件部署

• 使用 Thonny 软件，将所有代码文件上传至 RP2040-Zero 主控板。
• 上电后前 3 秒用于初始化滤波器，此期间无数据输出。

3. 通信协议

帧格式

核心命令码

主动输出模式

模块按设定频率推送 5 字节组合数据帧，格式如下：

示例程序

# MicroPython v1.23.0
from machine import UART, Pin
import time
from ad8232_uart import AD8232UART
from ecg_signal_processor import ECGSignalProcessor

# 初始化UART（波特率115200）
uart = UART(0, baudrate=115200, tx=Pin(0), rx=Pin(1))
# 初始化AD8232 UART通信
ad8232_uart = AD8232UART(uart)
# 初始化心电信号处理器
ecg_processor = ECGSignalProcessor()

print("FreakStudio: AD8232 ECG Acquisition Module")
time.sleep(3)  # 等待滤波器初始化

# 设置主动上报模式（开启）
ad8232_uart.send_command(0x05, b'\x01')
# 设置主动上报频率（100Hz）
ad8232_uart.send_command(0x04, b'\x64')

try:
    while True:
        # 接收并解析数据帧
        frame = ad8232_uart.receive_frame()
        if frame:
            # 处理心电数据
            raw_data = frame['data'][0]
            filtered_data = frame['data'][1]
            lead_status = frame['data'][2]
            module_status = frame['data'][3]
            heart_rate = frame['data'][4]

            # 打印数据
            print(f"Raw: {raw_data}, Filtered: {filtered_data}, Lead: {lead_status}, HR: {heart_rate} bpm")
        time.sleep(0.01)
except KeyboardInterrupt:
    # 关闭主动上报模式
    ad8232_uart.send_command(0x05, b'\x00')
    print("Program stopped.")

注意事项

1. 上电初始化：上电后前 3 秒用于初始化滤波器，此期间无数据输出，请勿在此阶段发送指令。
2. 导联干扰抑制：优先使用屏蔽式导联线，电极贴前用酒精擦拭皮肤，减少接触电阻与电磁干扰。
3. 电极使用规范：电极片为一次性用品，重复使用易导致接触不良或感染，需及时更换。
4. 通信可靠性：严格遵循帧格式与校验规则，上位机解析时需校验帧头、帧尾与异或和，避免数据错误。
5. 供电优化：避免通过 USB 直接供电，优先采用电池 + 升压单元方案，减少工频噪声对心电信号的干扰。
6. 固件烧录安全：烧录固件时需按住 BOOT 按键后上电，避免误操作导致主控板损坏。

联系方式

如有任何问题或需要帮助，请通过以下方式联系开发者：

📧 邮箱：liqinghsui@freakstudio.cn

💻 GitHub：https://github.com/FreakStudioCN

许可协议

本项目采用 MIT 开源许可协议，完整协议内容如下：

MIT License

Copyright (c) [年份] FreakStudioCN

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