毕业设计（论文）-心脏电信号的提取方法研究.doc

毕毕业业设设计计 题题 目目 心脏电信号的提取方法研究心脏电信号的提取方法研究 学学 院院 信息科学与工程学院信息科学与工程学院 专专 业业 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 姓姓 名名 学学 号号 2005120713020051207130 指导教师指导教师 二 oo 七 年 六 月 五 日 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 1 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 目 录 摘摘 要要.3 abstract.4 1 绪论绪论.5 1.1 课题背景.5 1.1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题5 1.1.2 课题的目的及意义6 1.2 课题的创新之处.6 1.3 本章小结.6 2 背景知识背景知识.7 2.1 心电图的背景知识.7 2.1.1 心电图介绍7 2.1.2 医学上的常规导联8 2.2 虚拟仪器的背景知识.9 2.2.1 虚拟仪器介绍9 2.2.2 labview 简介.10 2.3 avr 单片机11 2.3.1 avr单片机的简介.11 2.3.2 atmega64特点.11 2.3 本章小结.12 3 系统总体设计方案系统总体设计方案.13 3.1 设计要求及需解决的问题.13 3.1.1 设计的要求13 3.1.2 系统要解决的问题13 3.2 心电信号的特点主要干扰源.13 3.2.1 心电信号的特点13 3.2.2 主要干扰源14 3.3 系统结构框图.15 3.4 系统设计原理.15 3.5 本章小结.15 4 硬件的设计硬件的设计.16 4.1 模拟电路的设计.16 4.1.1 导联线输入缓冲电路的设计16 4.1.2 屏蔽线驱动和右腿驱动电路的设计16 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 2 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 4.1.3 心电前置放大电路的设计18 4.1.6 抗工频干和肌电干扰电路的设计21 4.1.7 主放大及电平抬升电路的设计22 4.2 数字电路的设计.23 4.2.1 ad/c电路的设计.23 4.2.2 单片机电路的设计26 4.2.3 通信电路的设计27 4.3 本章小结.27 5 软件和数字滤波算法的设计软件和数字滤波算法的设计.28 5.1 软件设计概述.28 5.2 下位机数据采集软件.28 5.2.1 下位机程序流程图28 5.2.2 下位机部分程序29 5.3 上位机软件和滤波算法设计.32 5.3.1上位机程序流程图.32 5.3.2 上位机通信程序33 5.3.3 数字滤波算法的设计34 5.4 本章小结.39 6 系统的调试系统的调试.40 6.1 系统调试的要求.40 6.2 硬件调试.40 6.2.1 前置放大器的调试40 6.2.2 带通滤波和馅波器的调试40 6.3 软件调试.41 6.3.1 atmega64采集数据程序的调试.41 6.3.2 labview 分析心电数据的调试.42 6.4 本章小结.44 7 结论及展望结论及展望45 致致 谢谢46 参考文献参考文献.47 附附 录录48 附录一 模拟电路图48 附录二 数字电路图49 附录三 pcb 板图片 .50 附录四 实物照片51 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 3 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 摘摘 要要 心电图机是一类诊断心脏疾病的仪器，它通过向医生提供心电图来达到诊断目的。心 电图机的发展己有 100 多年的历史。随着生活水平日益提高，人们对自身健康更加关注， 这在一定程度上推动健康监护仪器的普及与应用。为了方便人们监护心脏健康情况，开 发一种便携、经济、实用的家用心电监护仪器，实现心脏病患者的自我发现、自我诊断 以及自我护理势在必行。 本论文硬件系统采用 atmega64 为核心控制器，计算机应用程序采用 labview 开发， 根据人体心电信号的特征，设计性能优良的心电信号采集系统,对心电信号的处理包括数 据采集、数字滤波和波形分析，心电信号的自动分析是一个复杂的过程，目前对于心电 信号的自动分析还很不完整需要医生的参与。 系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分包括心电信号的接收、放大和滤波电路 以及采集电路两部分，软件部分包括数据采集系统的软件设计。 硬件部分所要实现的功能为：通过电极采集到人体的心电信号，并进行滤波等处理， 然后通过采集卡将模拟信号转换成数字信号送入计算机中，进行后续处理。心电数据也 可通过 rs232 接口向上位机传输。 软件部分所要实现的功能为：把采集的数据保存，能够将心电波形直接显示在计算机 屏幕上。 关键词：心电信号，数据采集，avr 单片机，虚拟仪器，labview 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 4 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 abstract the electrocardiograph machine is a kind of heart disease diagnosis instrument, that provides ecg to doctor to achieve the diagnosis goal. the ecg have developed for more than 100 years. with the living conditions improving, people pay more and more attention to health. as a result ,it makes the health intensive care apparatus more popular and more widely used .in order to tutelage cardiac health conditions conveniently, we are in need of electrocardiograph which is portable, economical and practical, so that we can discover and diagnose some disease even psychoanalyse early by self. the electrocardiograph hardware system is based on atmega64 digital signal processor which work as kernelcontrol chip. the computer application programmed with labview are the characteristics of the ecg virtual instrument developed by this project. according to the characteristic of humans ecg signal, an excellent ecg signal sampling system was designed. the processing of the ecg signal includes data acquisition, data digital filter and wave analysis, it is a complicated process to automatically analyze electrocardiogram, and now this analysis is not consummate, so doctors must participate in this work. system is made up of two parts of hardware and software, hardware part include ecg signal receive, enlarge and filter circuit and gather circuit two parts among them，the software of data collecting, software design of administrative system. the hardware function need to be achieved is that: gather ecg signal of the human body through electrode, through enlarge circuit change signal that can be discerned, then through collecting card convert analog signal to digital signal, and last, send them into computer. for the follow-up treatment。the ecg data can be transmitted to personal computer by serial rs232 interface. the software function need to be achieved is that: can show the ecg signal wave form at the screen of the computer directly data that gather. key words: ecg ,data collecting, avr mcu, virtual instrument, labview 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 5 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 1.1.1 国内外研究现状、水平及存在的问题国内外研究现状、水平及存在的问题 目前，心脏电信号的主要表现形式是心电图，简称 ecg（electrocardiograph） ，而心 电图的采集主要借助于心电图机，其能够真实地记录下 ecg 的波形参数并能依此检测出 其量值，医生根据心电图机记录的心电波形的形态、波幅大小以及各波之间的相对时间 关系来诊断心脏疾病，是检查心脏病最基本而又必要的手段，所以心电图机的研制对心 脏疾病的诊断是十分重要的。 在国外，心电图机的研制和生产，占主要地位的是以德国、日本、加拿大、美国为 主的发达国家，相对而言国内心电图机发展速度较慢，水平较落后，心电图机的研制和 生产是在 1903 年荷兰的爱因托芬（willem einthoven）制造的第一台弦线式电流计的基础 上发展而来的，20 世纪 50 年代之前，心电图机的发展主要解决了小型化和提高灵敏度的 问题。1960 年第一个专用心电图波形自动识别系统建立起来，自 1978 年美国 marquett 公 司首次推出数字化 12 导同步心电图机，便开创了心电图记录、分析与诊断、保存与管理 的新纪元，从此心电图机进入数字化发展新时代，特别是计算机在各个领域的广泛运用， 数字化信息处理为医学界进步和深入研究提供了现代化高科技手段。常规的心电图机有 单道和多道，虽使用方便，但体积庞大、价格高，主要适合医院，并且对许多偶发、短 暂心律失常无法进行监测；动态心电图机 (holter)，虽然可用于 24 小时甚至更长时间 的心电图记录，但是 holter 价格昂贵，使用不方便，并且不能实时处理1。 经过对现有市场的调研和考察，发现市场上流通的主要有两大类心电图机：pc 式和 便携式，两者都有从 3 导联到 18 导联的不同型号的产品。 基于 pc 式的心电图机，由典型的个人计算机系统、高分辩率激光打印机、心电信息 处理单元以及专门的处理软件组成，比较适合心电信息的研究和探讨，多用于固定场所 和长时间监测。高分辨彩色显示器可以监控心电信号采集的质量和监护异常心电图，并 可从所获取的信息中人工选择需要的心电信号进行存储、打印等处理。具有自动测量功 能，由于计算机备有海量存储器，可以存储大量的原始心电数据，尤其适合建立心电信 息数据库。 对于便携式心电图机，硬件部分与相应软件紧凑地组合成一单元模块，构成体积小， 智能化程度高，功能全，使用灵活，操作方便，适合携带外出、移动抢救等用途。记录 部分为高分辨热阵式打印，液晶监控显示屏幕，可以存储若干份心电图数据，并能通过 标准接口将数据传输到计算机系统中。 经调查发现，普通家庭使用心电图机还处于起步阶段，而且市面上的心电图机的操 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 6 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 作很复杂，对于医院用的心电图机要经过专门的培训才能够使用，这给心电图机的普及 和推广带来了很大的障碍，所以把心电图机虚拟在计算机上，借助于计算机的强大的功 能和对数据处理的能力必是一个很好的选择。 1.1.2 课题的目的及意义课题的目的及意义 本课题设计心脏电信号的数据采集模块，结合 ni 公司的 labview 在测控技术、数 字信号处理领域的优势，研制虚拟仪器心电图机。实时、无失真地提取心脏的电信号， 为研究各种疾病和心脏电信号的联系打下基础。 目前，大部分医院使用的心电图机基本上都是传统的心电图机，很少采用虚拟仪器 技术研制的心电图机。虽然已经有厂家推出了基于虚拟仪器技术的心电图机，但是这样 的厂家十分少。医院更新心电图机时，更倾向于采用先进技术制造的心电图机，所以采 用虚拟仪器技术所制造的心电图机有很广阔的市场，不但为了满足市场的需求，更是为 了日后研制其它医疗器械虚拟仪器积累经验2。 1.2 课题的创新之处课题的创新之处 题目的初步设计方案，避开传统的心电图机的设计思路，采用先进的虚拟仪器开发， 数据采集模块采用 avr 高速单片机和高速高分辨率 a/dc，同步采集标准 i、ii、iii 导联 的波形数据，从而实现实时、无失真的心电图波形的显示和分析。 在硬件电路的设计中为了抗工频干扰(50hz)和肌电干扰(35hz)，采用了由双 t 型馅波 器来做 50hz 工频陷波器和 35hz 陷波器。考虑到心脏电信号的主要干扰来自市电，所以 系统设计了一个低噪声的稳压电源，另外，为了尽量的避免干扰，在绘制 pcb 和电子电 路的布线上也特别注意。 在软件设计方面，结合硬件采用了数字滤波器，把心脏电信号从采集的数字信号中 提取出来。 1.3 本章小结本章小结 本章主要叙述了，目前国内外关于心脏电信号的提取的方法以及本课题研究的主要 任务。就目前市场上出现的心电图仪器做了调研，现在的医用心电仪器大部分是十二导 联，这种设备主要用来做医疗心电方面的诊断，还有一些心电图仪器例如三导联主要对 病人做监护用，市场上出现了十八导联的心电设备这种设备的精确度更高，但是价格十 分的昂贵，就目前来看十八导联的心电图仪器市场还不时很普及。在医疗水平很高的医 疗机构现在出现了借助计算机来分析人体心电图的大型心电图仪器，这将是个发展的方 向。 经过调研得出开发研制心电图仪器有一定的广阔的前景，在这个领域里已经有很多 的厂家和公司做的很出色。 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 7 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 2 背景知识背景知识 2.1 心电图的背景知识心电图的背景知识 2.1.1 心电图介绍心电图介绍 p qrs t u 图 2-1 标准心电波形示意图 心脏是人体循环系统中重要的器官。由于心脏不断地进行有节奏的收缩和扩张活动， 血液才能够在循环系统中不停地流动。心脏在机械性收缩之前，首先产生电激动。心肌 激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同部位产生不同的电位。 心脏的兴奋和传导是有规律的，所以心电变化也是有规律的。 如果在人体体表放置两个电极，分别用导联线接到心电图机的两端它就按照心脏激 动的时间顺序，将体表两点间的电位记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图。 心电图：electrocardiogram 简称 ecg，如图 2-1 并对心电图各波、段和间期予以命名。 1)p 波： 代表左、右心房除极过程中产生的电位变化。正常人心脏激动起源于窦房结，顺序 引起右房、房间隔和左房除极，在一组心电图波形中最先出现的是 p 波。窦性 p 波在 i、ii、avf、v4v6 导联直立，avr 导联倒置。p 波振幅0.25mv，p 波100ms。 2) p-r 间期： 自 p 波起点到 qrs 波群起点的一段时间称为 p-r 间期，代表自心房开始除极至心室 开始除极的时间差。正常 p-r 间期在 120200ms 之间。 3)p-r 段： p 波终点到 qrs 波群起点的一段时间称为 p-r 段。代表激动通过心房内 传导束、房 室交界区至希普氏传导系统的时间这段传导组织所产生的电位极其微弱，在表心电图 上是不能显示出来的(而希氏束电图可以显示出希氏束的电活动)，无电位变化。一般 p-r 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 8 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 段位于基线上。 4)qrs 波群(qrs 波)： qrs 波群代表左、右心室和室间隔除极产生的电位变化、典型的心室除极波由 3 个 紧密相连的波群构成，总共时间不超过 100ms。 5) st 段： 自心室除极结束至心室开始复极的一段时间称为 st 段。正常 st 段多位于基线。 6) t 波： 位于 s-t 波段之后，是一个比较低而占时间比较长的波，它是心室复极所产生的。 7)qt 间期： qt 间期是自 qrs 起点到 t 波终点的一段时间，一般在 40040ms。qt 间期代表心 室除极和复极的全部过程。因 qrs 时间较短，往往把 qt 间期看作心室的复极过程。 8)u 波： 位于 t 波之后，比较低小，其发生机理未完全明确。一般认为是心肌激动的 “激后电 位”。 2.1.2 医学上的常规导联医学上的常规导联 1)标准导联：i、ii、iii。 标准导联是 einthoven 在 1903 年创立的标准。 i 导联：如图 2-2 人体的 la 和 ra 分别接仪表放大器的同相输入端和反相输入端； la ra i 图 2-2 i 导联的连接方式 ii 导联：如图 2-3 人体的 rl 和 ra 分别接仪表放大器的同相输入端和反相输入端； ll ra ii 图 2-3 ii 导联的连接方式 iii 导联：如图 2-4 人体的 ll 和 la 分别接仪表放大器的同相输入端和反相输入端。 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 9 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 ll iii la 图 2-4 iii 导联的连接方式 本课题采用的是标准导联的设计方式。 2)加压肢体导联：avr、avl、avf。 1934 年 wilson 根据 kirchhoff 电流定律，引入中心电端的概念，创设了单极肢体导 联。wilson 在实验动物的心脏外膜上放一个电极，称为“探查电极”，把另一个电极放在 距心脏尽可能远的体表上。应用这种导联的目的是想通过这种记录方法直接记录探查电 极下那一部位的电位变化，从而更加准确地了解局部心肌病变。然而这种记录方法是不 可能在临床上得到推广应用的。 加压肢体导联的电极放置位置： avr 导联连接方式：电极放置于右手腕内侧，中心电站于左手腕和下肢相连接； avl 导联连接方式：电极放置于左手腕内侧，中心电站于右手腕和下肢相连接； avf 导联连接方式：电极放置于左下肢，中心电站于左右手腕相连接。 3) 胸导联：v1、v2、v3、v4、v5、v6。 把导联的负极(-)接中心电端，导联的正极(+) 按如下的规定放置： v1 导联 胸骨左缘第四肋间相当于右心室部位； v2 导联 胸骨右缘第四肋间也相当于右心室部位； v3 导联 胸骨左缘第四肋间与锁骨中线第五肋间连线的中点 相当于心室间隔部位； v4 导联 左锁骨中线与第五肋间相交处也相当于心室间隔部位； v5 导联 左腋前线与 v4 的水平处相当于左心室部位； v6 导联 左腋中线第五肋间的水平处也相当于左心室部位。 由此而得 v1v6 这 6 个导联统称为胸导联。由于电极距离心脏非常接近，因此心电 波形振幅较大，有利于临床观察 。 2.2 虚拟仪器的背景知识虚拟仪器的背景知识 2.2.1 虚拟仪器介绍虚拟仪器介绍 首先提出虚拟仪器概念的是美国的国家仪器有限公司(nation instruments,简称为 ni)， 提出了“软件就是仪器”的口号，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义，用户无法 改变的局面，从而引起仪器和自动化工业的一场革命。 ni 公司的虚拟仪器（白皮书） 上有以下论述：“在过去的 20 年中，pc 机 (个人 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 10 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 电脑)应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是 虚拟仪器概念的出现与发展，以及为工程师和科学家们提高生产率、测量精度及系统性 能方面做出的贡献” 。一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大 的应用软件、低成本的硬件 (例如插入式板卡)及驱动软件，他们在一起共 同完成传统仪 器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根 本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示 和互联网等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然 pc 机和集成电路技术在过去的 20 年里有显著的发展和提高，但是，软件才是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统 的真正关键所在。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低 了生产成本。有了虚拟仪器，工程师和科学家就可以完全根据自己的需求组建测量和自 动化系统，而不用再受功能固定 (完全由厂家提供 )的传统仪器的限制。由于计算机性能 以摩尔定律飞速发展，虚拟仪器的性能也因此而得到飞速发展。这里的“虚拟”有两层 含义：1) 虚拟的仪器面板；2) 由软件实现仪器的测量功能 (软件就是仪器 )。 ni 公司推出了两套专用于虚拟仪器开发的开发平台，一个是 labview，另外一个是 labwindows/cvi。虚拟仪器系统的必备组件：功能强大的编程工具、灵活易用的数据采 集硬件及个人电脑。本课题的上层软件的编写采用的是 labview3。 2.2.2 labviewlabview 简介简介 labview 是 ni 推出的虚拟仪器开发平台软件，它们能够以其直观简便的编程方式、 众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自 己在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件。 labview 采用图形化编程语言 g 语言，产生的程序是框图的形式，特别适合硬件工 程师、实验室技术人员、生产线工艺技术人员的学习和使用，可在很短的时间内掌握并 应用到实践中去。特别是对于熟悉仪器结构和硬件电路的硬件工程师、现场工程技术人 员及测试技术人员来说，编程就像设计电路图一样。因此，硬件工程师、现场工程技术 人员及测试技术人员们学习 labview 驾轻就熟，在很短的时间内就能够学会并应用 labview。也不必去记忆那眼花缭乱的文本式程序代码。 不像 c 或 c+等其它计算机高级语言一样，labview 也是一种通用编程系统，具有 各种各样、功能强大的函数库，包括数据采集、gpib、串行仪器控制、数据分析、数据 显示及数据存储，甚至还有目前十分热门的网络功能。labview 也有完善的仿真、调试 工具，如设置断点、单步等。labview 的动态连续跟踪方式，可以连续、动态地观察程 序中的数据及其变化情况，比其它语言的开发环境更方便、更有效。而且 labview 与其 它计算机语言相比，有一个特别重要的不同点：其它计算机语言都是采用基于文本的语 言产生代码行，而 labview 采用图形化编程语言 g 语言。labview 程序又称为虚拟仪 器，它的表现形式和功能类似于实际的仪器；但 labview 程序很容易改变设置和功能。 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 11 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 因此，labview 特别适用于实验室、多品种小批量的生产线等需要经常改变仪器和设备 的参数和功能的场合，及对信号进行分析研究、传输等场合。 总之，由于 labview 能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁 琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来， 十分省时简便，深受用户青睐。与传统的编程语言比较，labview 图形编程方式能够节 省 85以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受影响，体现出了极高的效率。使用 虚拟仪器产品，用户可以根据实际生产需要重新构筑新的仪器系统。例如，用户可以将 原有的带有 rs232 接口的仪器、vxi 总线仪器以及 gpib 仪器通过计算机，连接在一起， 组成各种各样新的仪器系统，由计算机进行统一管理和操作。可以预见，由于 labview 这些其他语言无法比拟的优势，已经成为该领域的一朵奇葩。最终将引发传统的仪器产 业一场新的革命。 2.3 avravr 单片机单片机 2.3.1 avravr 单片机的简介单片机的简介 atmel 公司的 avr 单片机,是增强型 risc 内载 flash 的单片机,芯片上的 flash 存储 器附在用户的产品中，可随时编程,再编程,使用户的产品设计容易，更新换代方便。 atmega64 是基于增强的 avr risc 结构的低功耗 8 位 cmos 微控制器。由于其先进的 指令集以及单时钟周期指令执行时间，atmega64 的数据吞吐率高达 1mips/mhz，从而 可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。avr 单片机工作电压为 2.76.0v，可以实 现耗电最优化。avr 的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制、仪器仪表， 通讯设备,家用电器，宇航设备等各个领域。 avr 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻 辑单元(alu)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。 这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 cisc 微控制器最高至 10 倍的数据吞 吐率。 2.3.2 atmega64atmega64 特点特点 atmega64 有 64k 字节的系统内可编程 flash(具有同时读写的能力，即 rww)，2k 字节 eeprom、4k 字节 sram、53 个通用 i/o 口线、32 个通用工作寄存器、实时计数 器(rtc)，四个具有比较模式与 pwm 的灵活的定时器/计数器(t/c)，两个 usart，面向 字节的两线串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益的 adc，具有片内振荡 器的可编程看门狗定时器，一个 spi 串行端口，与 ieee 1149.1 标准兼容的、可用于访问 片上调试系统及编程的 jtag 接口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 12 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 于空闲模式时 cpu 停止工作，而 sram、t/c、spi 端口以及中断系统继续工作；掉电 模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模 式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状 态；adc 噪声抑制模式时终止 cpu 和除了异步定时器与 adc 以外所有 i/o 模块的工作， 以降低 adc 转换时的开关噪声；standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能 模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作4。 本芯片是以 atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 isp flash 允许程序存 储器通过 isp 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 avr 内核之中的 引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 flash 存储区 (application flash memory)。在更新应用 flash 存储区时引导 flash 区(boot flash memory) 的程序继续运行，实现了 rww 操作。 通过将 8 位 risc cpu 与系统内可编程的 flash 集成在一个芯片内，atmega64 成 为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 2.3 本章小结本章小结 在本章里，首先，概述了心电图波形的基本知识及常规导联在心电监测方面的应用 方式心电波形的每个部分都能够反映人体的心脏的工作状态，所以医学专家那个根据心 电波形来判断人的心脏是否有一些疾病，心电波形为医生做出正确的诊断提供了第一手 资料，通过不同的导联方式来检测人体的心电波形，从不同的角度来反映人体心脏工作 的情况，其次，概述了虚拟仪器的发展和应用领域，由于虚拟仪器在测量、检测，方面 有很大的优势，所以我们在本课题里选择了采用 ni 公司的 labview 来编写上层检测分 析软件，由于该软件在数字信号处理方面有很强大的功能，一些滤波方式很方便使用， 所以，采集上来的心电波形经过数字信号处理后基本能够得到理想的波形。 最后阐述了 avr 单片机的特点和功能，avr 单片机时一款性价比很高的单片机， 运算速度很快，内部有很多的资源，而且还集成了一个 10 位的 adc ，内部存储器和内 存比较大，与 c51/s51 等一些单片机有很大的优势。 本课题的主要任务即：把心脏电信号通过单片机采集送入计算机，借助计算机的强 大的功能用 labview 来对心电信号进行分析。 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 13 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 3 系统总体设计系统总体设计方案方案 3.1 设计要求设计要求及需解决的问题及需解决的问题 3.1.1 设计的要求设计的要求 心电图是临床疾病诊断中常用的辅助手段。心电数据采集系统是心电图检查仪的关 键部分。人体心电信号十分微弱。实时、无失真地提取心脏的电信号，是十分有意义的， 为研究各种疾病和心脏电信号的联系打下基础。由于心电信号中通常混杂有其它生物电 信号，本文利用专用的仪器仪表放大器 ad620a、atmega64l 单片机、高速 a/d 转换器 ad7677ast 和多路模拟开关 cd4051 设计了一种符合上述要求的多路心电数据采集系统。 3.1.2 系统要解决的问题系统要解决的问题 1) 设计采集心电信号的导联系统，系统采用比较传统的标准三导联的采集方式； 2) 针对心电信号的特征选择合适的仪器仪表放大器和运算放大器，使系统工作比较稳定； 3) 设计二阶压控带通滤波电路、抗工频和肌电干扰的馅波电路； 4) 根据系统的设计要求，要完成系统导联的快速切换； 5) 与高速 ad 相匹配的高速运算放大器的设计以及单片机与 ad 的接口电路的设计； 6) 把采集到的心电波形数据传送到上位机； 7) 利用 labview 设计出数字滤波器，对含有噪声的心电信号进行处理。 3.2 心电信号的特点心电信号的特点主要干扰源主要干扰源 3.2.1 心电信号的特点心电信号的特点 1) 信号微弱 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 14 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 心电信号是一种微弱信号，通常在 0.01100hz 频率范围内，幅值在 50uv5mv 之间， 而 90%的 ecg 频率能量有集中在 0.25hz40hz 之间。 2) 心电信号的多变性 人体在内、外环境下面适应过程中，为保持动态平衡，造成生物信息多变。主要包括， 时间多变、空间多变。此外，不同的种族、不同性别、不同年龄、不同体重和身高，乃 至不同个体都会存在一定的差异。 3) 心电信号的干扰源很多 由于心电信号比较微弱，仅为毫伏(mv)级，信号比较低，所以极易受环境的影响。 由体表电极检测到的 ecg 信号含有七种不同类型的干扰，即工频干扰、基线漂移、电极 接触噪声、电极极化噪声、肌电干扰、放大电路内部噪声和运动干扰，其中 50hz 及其倍 频附近的工频干扰和 0.7hz 以下的基线漂移是两个最重要的干扰源。人体处在复杂的电磁 环境中，通过各种途径拾取工频干扰，使之常常成为心电测量中主要的干扰源。 3.2.2 主要干扰源主要干扰源 1) 工频干扰的耦合途径有以下几种： 导联线形成的容性耦合； 人体表面形成容性耦合； 磁场的感性耦合。 2) 电极极化干扰 生物电引导电极是经过一定处理的金属板、金属丝或金属网。用电极引导生物电信 号时，与电极直接接触的是电解质溶液，如导电膏、人体汗液或组织液，因而会形成一 个金属电解质溶液界面。由电化学知识可知，在金属和电解液之间会形成电荷分布，产 生一定的电位差，称为电极极化电压。极化电压的幅值一般较高，在几毫伏至几百毫伏 之间。理想情况下，在用双电极提取人体两点间的电位差时，两电极保持对称就可以使 极化电压互相抵消。但实际上，由于极化电压与通过电极的电流大小、电极和皮肤的接 触情况等很多因素有关，所以不可避免会造成干扰。特别是当电极和皮肤接触不良时， 会造成很严重的干扰。另一种情况是人的运动造成电极与皮肤接触阻抗变化而引起的瞬 时的 (但非阶跃)基线改变。 3) 肌电干扰 肌电干扰来自于人体的肌肉颤抖。肌肉的生物电活动形成的电位随时间的变化曲线 称为肌电图(electromyography, emg)。肌电活动是一种快速的电变化，其幅值在几十微 伏到几毫伏。 4) 呼吸对心电的干扰 呼吸时心电信号的幅值变化一般由人体呼吸、电极移动等低频干扰所引起，频率低 于 5hz；其变化可视为一个加在心电信号上的与呼吸同频率的正弦分量，呼吸时心电信号 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 15 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 的幅值约有 15%的变化5。 ecg 信号及各种干扰源的主要频带： 1) qrs 波频带在 230hz； 2) p 波 t 波的频率为 210hz； 3) st 段的频带在 0.72hz； 4) 肌电干扰主要分布在 30300hz； 5) 基线漂移为 0.151.5hz； 6) 工频干扰在 50hz。 3.3 系统结构框图系统结构框图 系统的结构框图如图 3-1 所示。 3 0.55.0mv (ad620) 10 0.03hz-100hz 35hz 50hz 3op2117 100 3 i ii iii 16 ad/c ad7677ast atmega64l usbpd usbd12 rs-232 pc labview 图 3-1 系统结构框图 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 16 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 3.4 系统设计原理系统设计原理 ra la ll rl ra ra la la ll ll 0.03hz100hz 0.03hz100hz 0.03hz100hz cx 图 3-2 心电监测典型电路 图 3-1 是典型的心电图监测电路原理框图。选择适当的电容器 cx 的值以保持右腿驱 动环的稳定性。三电阻器求和网络用于建立一个公共检测点以驱动强制性输出缓冲放大 器（force amplifier） 。该放大器的输出补偿通过病人的电流，直到三个缓冲放大器的净输 出和为零。 3.5 本章小结本章小结 本章分析了心电信号的特点，心电信号的主要干扰源，结合对心电信号的分析提出了 一套完整的设计方案，着重考虑到心电信号受外界的干扰很大我们选择了医用监测电路， 在芯片的选择上采用了仪器仪表放大器 ad620，使系统在抗干扰方面有很大的提高，为 了实时的采集心电信号，我们采用了高速 ad 和系统配套使用。 4 硬件的设计硬件的设计 4.1 模拟电路的设计模拟电路的设计 模拟信号处理电路的任务是从含有工频干扰、基线漂移、电极接触噪声、电极极化噪 声、肌电干扰、放大电路内部噪声和运动干扰噪声中提取心电信号，并将信号放大到适 合的电平提供给 a/d 转换电路，从心电电极得到的心电信号先要通过缓冲电路、前置放 大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模信号等性能。此时，心电信号主 要受到工频、肌电等信号的干扰。心电信号经过前置放大电路后送到 0.03hz100hz 的带 通滤波器，再到主放大级，然后把信号送入 50hz 和 35hz 陷波器，其作用是消除频率为 50hz 的工频信号和频率为 35hz 的肌电干扰。心电信号通过带通滤波和陷波以达到消噪 的目的，最后得到较为光滑的心电波形。根据心电信号的特征及其本系统的设计要求， 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 17 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 设计了三导联心电采集模块。 4.1.1 导联线输入缓冲电路的设计导联线输入缓冲电路的设计 6 5 7 114 u6 op4177_b 100k r7 1uf c16 10uf c17 -5 1uf c14 10uf c15 +5 la ecg_la 图 4-1 导联出入缓冲电路 缓冲器实际上是一个阻抗转换器将人体和电阻网络威尔逊网络隔离使输入阻抗及人 体心电信号不受电阻网络的影响。采用的芯片是 op4177(soic 封装)。通过缓冲器电路有 比较大的输入阻抗，信号比较稳定，电路和人体有了一定的隔离，同时也有一定的抗干 扰的能力其电路如图 4-1 所示。 4.1.2 屏蔽线驱动和右腿驱动电路的设计屏蔽线驱动和右腿驱动电路的设计 引入屏蔽驱动和右腿驱动，是为提高系统的共模抑制能力，增强系统抑制干扰的能 力，使整个系统比较稳定。屏蔽驱动和右腿驱动的信号都取自共模信号。屏蔽线驱动是 为了消除来之导联线的工频干扰，右腿驱动电路也是一种抑制工频干扰的有效方法之一， 而且用来抑制人体脉冲电压的突变，右腿驱动电路起到一个反馈和抑制的作用。 2 3 6 74 u2 op1177 1uf c5 10uf c6 1uf c7 10uf c8 +5 -5 100 r4 output input 图 4-2 屏蔽线驱动电路 (1) 屏蔽驱动 人体做 ecg 检测时，电极与缓冲保护电路之间，是由多股电缆导联线连接的导联线 的中芯线与屏蔽层之间存在着一定数量的分布电容，如将屏蔽层接地由于屏蔽分布电容 c 的存在会降低整机的输入阻抗，由于各屏蔽分布电容的数值不可能一致，造成缓冲电 路的输入阻抗不平衡 致使放大器的共模抑制比降低这样的检测电路根本无法对人体进行 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 18 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 正常的 ecg 检测，如果没有性能优异的专用屏蔽线驱动电路就无法谈及从人体上采集 ecg 信号，所以设计出独特的屏蔽线驱动电路是非常关键的，将屏蔽线驱动电路信号经 过缓冲器，目的是减少经过分布电容的电流，以致提高了信号的输入阻抗，防止了共模 抑制比的降低使输入的十分微弱的心电信号更加平稳，从而消除屏蔽层电容的干扰。电 路选用了 op1177(soic 封装)单运放，电路如图 4-2 所示。 2 3 6 74 u3 op1177 1uf c11 10uf c12 -5 1uf c9 10uf c10 +5 10k r5 1m r6 1000pf c13 output input 图 4-3 右腿驱动电路 (2) 右腿驱动 右腿驱动电路是广泛使用的共模干扰抑制，作为抑制工频干扰的有效方法之一，出 于系统稳定性的考虑，采用右腿电极经电阻与放大器接地端相连，以降低人体的共模电 压，即等效为以人体为相加点的共模电压并联负反馈电路，电路如图 4-3 所示。 右腿共模反馈电路使用了单运放 op1177(soic 封装),这是一款低功耗、高精度、高 共模抑制比的运算放大器。电路将共模干扰信号经过负反馈送入右腿,低通滤波的截止频 率为 159hz。 (4-1) 33 11 ,159 22100.1 dbdb ffhz rckuf 4.1.3 心电前置放大电路的设计心电前置放大电路的设计 1 2 3 4 5 6 7 8u1 ad620an 1uf c1 10uf c2 1uf c4 10uf c3 6.17kr1 24.9k r3 24.9k r2 +5 -5 ra la i cp 信息学院 电升 0502 马兆鹏 20051207130 毕业设计 第 19 页 共 54 页 济南大学毕业设计用纸 图 4-4 前置放大电路 根据心电信号的特征要求，前置放大器应该具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪 声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能。所以我们采用了 analog devices 公司的 ad620a(soic 封装) ,这是一款性价比很高的仪用放大器 ,输入失调电压 最大为 50uv ,输入失调漂移 0.16uv 每度,共模抑制比 120db(g =10),且最大供电电流只有 113ma。 在本系统中只所以选择仪器仪表放大器是因为如下原因，仪表放大器与运算放大器 是有区别的，仪表放大器是一种具有差分输入和相对参考端单端输出的闭环增益单元。 大多数情况下，仪表放大器的两个输入端阻抗平衡并且阻值很高，典型值109。其输入 偏置电