EDA课程设计--心电图显示.docx

石河子大学信息科学与技术学院EDA课程设计报告课题名称：心电图显示学生姓名：学 号：学 院：信息科学与技术学院专业年级：电子信息工程2011级指导教师：完成日期：2013年1月1日摘要：针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。设计一种用于心电信号采集的电路，然后进行A/D转换，使得心电信号的频率达到采样要求。人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。为获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。目前对心电信号的降噪有多种方法，本文主要从滤波的方面介绍将噪声从信号中分离。关键词：心电信号采集，降噪，A/D转换放大，电源电路一、 总体设计思路：心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号的普遍特征，如幅度小、频率低并且易受外界环境干扰，为采集和测量带来了难度。由于本系统需要进行大量的数学运算，所以对处理器的数据处理能力和速度也有很高的要求。如果选用处理速度很快的处理器，则相应的外设也要有与之相适应的性能指标16。综合各个方面因素，电路设计要求：(1)对微弱的心电心电信号进行放大和滤波等必要的信号调理a)设计合理的导联系统，选择合适的传感器。b)设计合理的有源滤波器，能够进行005-100Hz的带通滤波，50Hz陷波。c)实现1000倍的信号放大。d)实现信号电压抬高。(2)进行符合要求的AD转换根据采样定理，采样频率要是心电频率的2倍以上，所以A/D的采样频率至少要达到200Hz以上。(3)设计电源电路1.1心电信号采集电路低通滤波高通滤波前置放大人体心电显示A/D转换图1系统流程图1.2前置放大级由于心电信号是微弱信号，所以设置前置放大器用来放大心电信号；为了抑制基线漂移，设置了0.5Hz高通滤波；由于心电信号属于低频信号，设置了二阶低通巴特沃斯滤波器，消除100 Hz以上的高频成分；为了消除50 Hz工频干扰，设置50 Hz双T陷波电路；为了心电信号不失真，设计了电平抬升电路；最后设置了A/D转换电路，使信号频率达到采样要求17。本系统选用的前置放大器是AD620A，具有很好的性能，非常适合作为心电信号测量前置放大器，引脚分布如图3.2其具体规格特性如下：(1)电源供应范围：2.3V-18V；(2)高精度：输人最大偏置电流：1mA；输人最大失调电流：O5nA；输入最大失调电压：50V；最大温度漂移：O6V；输入阻抗：10G。(3)低杂讯：输入电压噪声(f=1K Hz)：9nV：共模抑制比(增益G=10)：100dB。AD620的增益可调，范围为11000倍，通过调节AD620A的1和8腿之间的Rg的值来实现： 图2 AD620引脚分布图本电路所用的集成放大电路为OP07。引脚分布如图3.3。OP07芯片是一种低噪声的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为75V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。其主要规格参数有：电源供应范围：3V-18V；输入最大失调电压：75V；最大温度漂移：1.3V /。图3 OP07引脚图图4硬件电路图1.3高通滤波电路的设计高通滤波器(消除基线漂移)在电路部分加上简单的高通滤波环节，对隔断直流通路和消除基线漂移将会起到事半功倍的效果，本部分电路置于预放大与信号放大电路之间，一个简单的无源高通滤波电路,具体电路如下图所示：图5：高通滤波器其特征频率(转折频率)计算为： 经过高通滤波后，可以大大削弱003 Hz以下因呼吸等引起的基线漂移程度，心电信号低频端也就相应地取该频率。1.4低通滤波器设计心电信号频率主要集中在低频段（0.05Hz100Hz），在此频以外还存在着很多对心电信号造成干扰的信号。高通滤波已在上面实现，现在只要做好低通部分就可以实现带通滤波。这里我们用运放实现的四阶有源滤波器来实现截止频率设为100Hz的低通滤波器。电路图如下：图6：截止频率为100Hz的低通滤波器1.5放大电路心电信号虽然通过前级电路放大，但电压幅度还不适合进行A/D转换。因此在A/D转换之前，还要对心电信号进一步放大，使其满足A/D转换芯片ADC0809的电器要求（输入电压为0-5V）。图7前置放大电路1.6 A/D转换ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件组成，电路图如下：图8：8位AD转换电路液晶显示library IEEE;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity ctrl isPort (sysclk : in std_logic; reset : in std_logic; ad: out std_logic_vector(9 downto 0); -10位地址输出 A0: out std_logic; -设置控制命令与数据 CS1:out std_logic; -片选信号SED1502(1) CS2:out std_logic); -片选信号SED1502(2) end ctrl;architecture Behavioral of ctrl issignal divcnt : std_logic_vector(11 downto 0); -系统计数signal data : std_logic_vector(9 downto 0); -地址输出signal clk1,clk2,a01,cs11,cs21,flag,csflag : std_logic;beginprocess(sysclk,reset) -初始计数beginif reset=0 then divcnt 0); flag=1; elsif sysclkevent and sysclk=1 thenif divcnt=100000010011 then -10#2067#; flag=0; divcnt=000000000000;else divcnt = divcnt + 1;end if;end if;end process;data=divcnt(11 downto 2);-最高10位为地址clk1=divcnt(0) and flag; clk2=divcnt(1) and flag;process(clk1,clk2)beginif clk1event and clk1=1 then if clk2=0 then csflag=1; else csflagA01=0;cs11=0;cs21A01=0;cs11=1;cs21A01=1;cs11=0;cs21A01=1;cs11=0;cs21A01=1;cs11=0;cs21A01=1;cs11=0;cs21A01=1;cs11=1;cs21A01=1;cs11=1;cs21A01=1;cs11=1;cs21A01=1;cs11=1;cs21A01=0;cs11=1;cs21=1;end case;end if;end process;a0=a01;cs1=cs11 or csflag;cs2=cs21 or csflag;ad=data;end Behavioral;图9原理图四、课程设计总结：通过这次对心电图显示的设计制作，让我了解了EDA设计的基本步骤，也让我了解了关于心电图显示的原理与设计理念。本课题的目标是通过滤波的方法对心电信号进行提取采集，可应用于便携式心电机。经过翻阅大量的文献书籍后，我对目前通用的心电采集方法有了较为深刻的认识。经过努力，初步完成了硬件的设计。在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，我学得到很多实用的知识。总体来说,这次设计我受益匪浅.使我对相关软件的运用更加熟练。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程中,培养了我的设计思维,增加了实际操作能力.在让我体会到了设计的艰辛的同时,更让我体会到成功的喜悦和快乐.。这次EDA课程设计,虽然短暂但是让我得到多方面的提高：1、提高了我们的逻辑思维能力，使我们在程序的改写和运用上有了很大的进步。加深了我们对Verilog 硬件语言的认识，进一步增进了对一些常见器件的了解。另外，我们还更加充分的认识到，EDA这门课程在科学发展中的至关重要性。2、查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。3、相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，经过和同组同学讨论和资料的查询最终得到了解决。锻炼了我们的团队合作精神及分工合作的能力。从老师把课程设计的题目给我们之后，我们就开始着手分工以及查阅资料。在整个设计过程中，我们按照老师给出的总体方案设计了一套电路原理。在设计过程中，了解了很多元器件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。当然这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时也在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能够真正掌握理论知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力以及团队合作精神。在实验时要能沉得住心，静下来仔细思考，多向老师和同学请教。参考文献：1 张开滋，刘海样，吴杰心电信息学北京：科学技术文献出版社，199842 张亦华 数字逻