（控制理论与控制工程专业论文）基于usb技术的心电信号采集系统的研究.pdf

武汉理i ：人学硕卜学位论文 摘要 随着社会的进步和科技的发展，人们的健康观念、健康方式和途径都发生 着深刻的变化。我国是心脑血管疾病的高发区，然而多数医院的心电监护设备 数量少、不宜移动且成本高，无法满足市场的需求。为了满足对心电监护设备 的需求，降低医疗成本，需要一种能与p c 机进行通信和数据传输、利用p c 机 强大运算能力的心电检测系统。本系统采用u s b 技术，利用u s b 接口具有传 输速度快、可以采用总线供电、易于扩展、使用灵活、支持即插即用和热插拔 功能等特点，有效地解决了系统与p c 机的通信和数据传输问题。 本文详细介绍了基于u s b 技术的心电信号采集系统的设计与实现，包括心 电信号模拟采集电路的设计、微控制器和u s b 接口芯片的选择、应用以及电路 的连接，设备固件、数据采集存储程序、设备驱动程序和应用程序的具体设计 等。 该数据采集系统的设计严格遵循u s b i 1 协议，采用m o t o r o l a 公司的增强 型1 6 位单片机m c 9 s 1 2 d 6 4 作为系统的核心控制器来采集心电信号，采用p h i l i p s 公司的带并行总线的p d i u s b d l 2 芯片作为u s b 接口器件，并且实现了用 u s b 接口为系统供电。本系统中单片机系统主要完成心电信号采集、数据通信： p d l u s b d l 2 实现同p c 机的u s b 接口通信；p c 机完成数据接收、保存、显示 等功能。软件设计中采用c 语言编写数据采集程序和u s b 接口芯片协议处理及 数据交换程序。上位机的应用程序采用c + + b u i l d e r 编写。 该数据采集系统体现了目前医学仪器小型化的发展趋势，使用方便、造价 低廉，特别适用于家庭使用。同时，它也为数据采集提供了一种新颖的、方便 的和可靠的解决方案。 关键词：心电信号，数据采集，u s b ( 通用串行总线) 武汉理1 ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em o v e m e n to ft h es o c i a la n dt h ep r o g r e s so ft e c h n o l o g y , t h ep e o p l e s h e a l t h yc o n c o p t , h e a l t h yf a s h i o na n da p p r o 鹳h e sa l ed e e p l yc h a n g e d i n0 1 1 1 c o u n t r y , h e m a ld i s e a s eo fh e a r ta n db r a i ni sah i g h - o c c u r r e dd i s e a s e b u tm o s th o s p i t a l sh a v e f e wc a r d i o g r a md e t e c t i n ge q u i p m e n t , a n dt h e s ee q u i p m e n tc a l ln o tb em o v e de a s i l y a n dh a v eat o oh i g h 研c e ，s ot h ee q u i p m e n tc a l ln o ts a t i s f yt h en e e d so f t h em a r k e t i n 0 r d e rt os a r i s f yt h en e e d sa n dd e p r e c i a t et h ei a t r i c a lc o s t w en e e dak i n do f c a r d i o g r a md e t e c t i n gs y s t e mw h i c h nc o m m u n i c a t ew i t ht h ep ca st ou s ei t s p o w e r f u lc a l c u l a t i o n t h es y s t e ma d o p t st h eu s bt e c h n i q u e ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f b u so f f e r i n gp o w e r , e a s i l ye x t e n d i n g , f l e x i b l yu s i n ga n dp l u g i n ga n d p l a y i n g ，a n dc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o na n dt r a n s m i t i o n w i t ht h ep ca n ds y s t e m t h ep a p e l e x p o u n d st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fe c gs i g n a la c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nu s bt e c h n i q u e i tc o n s i s t so f t h ed e s i g no f t h ea n a l o g o u sc i r c u i to f e c gs i g n a la c q u i s i t i o n ，t h ec h o i c ea n du t i l i z a t i o n so ft h em i c r oc o n t r o l l e ra n du s b i n t e r f a c ec h i p ，c o n n e c t i o no fc i r c u i t t h ed e t a i l e dd e s i g no fd e v i c of i r m w a r e ，d a t a a c q u i s i t i o ns t o r e dp r o g r a m ，d e v i c ed r i v e rp r o g r a ma n da p p l i c a t i o np r o 掣狮，e t c 1 h i se c gs i g n a la c q u i s i t i o ns y s t e ms t r i c t l yf o l l o w su s b1 1 p r o t o c 0 1 i t u t i l i z e st h ee n h a n c e d1 6 b i t m c um c 9 s 1 2 d 6 4f m o d eb ym o t o r o l ac o r p o r a t i o n ) a s t h em i c r o c o n t r o l l e rt os a m p l et h ee c gs i g n a l s ，a d o p t sp d i u s b d l2c h i p ( m a d eb y p h i l i p sc o r p o r a t i o mw i t hp a r a l l e lb u s e sa st h eu s bi n t e r f a c i n gd e v i c ea n dr e a l i z e s t h es y s t e mp o w e rs u p p l yt h r o u 曲u s bi n t e r f a c e i nt h i ss y s t e m ，t h em i c r o c h i ps y s t e m f o c u s e so ns a m p l i n gs i g n a l sa n dd a t ac o m m u n i c a t i o n ；p d i u s b d l 2f u l f i l su s b i n t e r f a c i n gc o m u n i c a t i o n ；a n dt h ep cc o m p l e t e sd a t ar e c e i v i n g , p r e s e r v a t i o i l d i s p l a y a n do t h e rf u n c t i o n s t h es o f t w a r ed e s i 弘a d o p t sc l a n g u a g et oc o m p i l e d a t as a m p l i n g p r o g r a ma n dt h ep r o g r a mo fu s bi n t e r f a c i n gc h i p sp r o t o c o lp r o c e s s i n ga n dd a t a t r a n s f e r r i n g 1 ka p p l i c a t i o np r o g r a mo fu p p e rc o m p u t e ri sc o m p i l e d 诵也c + + b u i l d e r t i i i sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e r nr e p r e s e n t st h et r e n dt h a tm e d i c a li n s t r u m e n ti s m i n i a t u r i z e dw i t he a s yo p e r a t i o na n dl o w e rc o s t , w h i c hi ss p e c i a l l ys u i t a b l ef o rf a m i l y u s e i ta l s op r o v i d e san o v e l ，c o n v e n i e n ta n dr e l i a b l es o l v i n gp r o j e c tf o rd a t a a c q u i s i t i o n k e yw o r d s ：e c gs i g n a l ，d a t aa c q u i s i t i o n , u s b ( u n i v e r s a ls e r i a l8 u s ) 武汉理工大学硕十：学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一叠怫掣 关于论文使用授权的说明 签名：塑翩签名狲期：珥f 武汉理i ：丈学硕士学位沦文 第1 章绪论 1 1 课题的来源及研究的目的和意义 随着社会的进步和科技的发展，人们的健康观念、健康方式和途径都发生 着深刻的变化。我国是心脑血管疾病的高发区，然而多数医院的心电监护设备 数量少，不宜移动，且成本高，无法满足市场的需求。为了满足这种需求，降 低医疗成本，需要一种便携式的心电监护设备。 目前，心电监护仪在国外已经产品化，规模化，如h p 等较大的电子仪器公 司都有成套的产品，并且功能齐全，性能良好，已经在临床大量使用，但价格 十分昂贵，一般都在几十力元左右。而即使是便携式的小型心电监护设备，价 格也在数万元之阋，这显然不能满足人们目常使用的需要。此外，u s b 接口通讯 技术己相当成熟，目前在医学工程领域应用还比较少，鉴于它的通用性、成熟 性、高速特性，应该在医用医疗仪器中有很好的前景。本文正是基于以上原因开 发了适用于家庭使用的价格低廉的便携式心电信号采集系统。它很好的解决了 数据存储与传输的问题，它的开发预期目标是对心电信号进行采集存储，经u s b 接口与计算机通讯和传输，并由计算机对心电信号进行处理和保存，同时也可 以将数据进行实时显示，提醒患者服药或者入院检查，最大限度地提高突发心 脏病救治成功率，从而实现医疗l l 】1 2 】p 】监护的功能。 1 2 心电检测技术的历史和现状 心脏疾病是造成人类死亡的三大疾病( 心脏病，脑血管病和癌症) 之一。长期 以来，对心脏病的研究一直是医学界的一个主要课题。心电图一直是诊断心脏 疾病、评价心脏功能的重要依据，其原因是反映心脏电生理活动的心电图带有 大量的有关心脏状态的信息，丽心电信号又可以从体表无损伤地检测到，不会 给病人带来任何的痛苦。心脏的生物电过程与心脏组织的生物化学过程、心脏 机械运动及其有关控制心脏活动的神经系统有着密切的关系。由于各种病理原 因引起的心脏疾病，几乎都和心脏的生物电活动相关。心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ， 武汉理工大学硕 学位论文 e c g ) 诊断方法是心血管疾病的诊断中十分蘑要的一种方法，由于e c g 诊断叮靠 简便、对病人的无损性，使得其在临床上广泛地应用，成为心脏病临床检查中 最重要的一种手段【4 l 。 e c g 信号是生物医学信号中的一大类，e c g 信号分析主要是提取p 、q r s 、 t 波和s t 段的参数( 幅度、宽度、斜度) 并分析波形。其准确度、可靠性的 好坏决定诊断结果的准确性和可靠性。e c g 检测是2 0 世纪建立起来并广泛应 用于临床诊断和监测的重大技术成果之一。l8 9 5 年荷兰生理学家e i n t h o v a n 在 改进毛细管电位计的基础上，获得了现代的心电波形。1 9 0 3 年，e i n t h o v e n 发 明弦线型心电流计，其结构是把极细的铂丝或镀金的石英纤维支撑在强磁场的 空气隙中，当心电电流通过弦时，引起弦在磁场垂直方向上的移动。再用光学 投射系统放大投射在移动的胶卷或纸上，从而真实地记录了心电图，这种方 法确定了心电图测量的标准导联。1 9 1 2 年w a l l e r 将心电变化曲线命名为“心 电图”( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。由于心电图对心血管疾病诊断尤其是心脏疾 病诊断具有重要意义，它在临床i 上得到广泛应用忙j 。 1 3 数据采集系统及u s b 技术的概述 数据采集技术是伴随着计算机技术的发展而发展起来的，计算机的性能日 益提高，并且深入到工业自动化、国防、航天、通信等领域，这就不仅要求把 外部模拟量变成数字量，而且要求把数字量保存在一定的媒质上，因此诞生了 数据采集技术。u s b 总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经逐 渐成为现代数据传输的发展趋势。基于u s b 技术的数据采集系统充分利用u s b 总线的上述优点，能够有效的解决传统数据采集系统的缺陷。 1 3 i 数据采集系统的概况 随着科学技术的发展，数据采集系统得到了越来越广泛的应用。目前，国 外很多公司与厂商都投入巨峻进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中 比较著名的有n e f f 、n i 、h p 、t e k 等。所以，数据采集技术已经在雷达、通信、 水声、遥感、地质勘探、振动工程、无损监测、语音处理、智能仪器、工业自 2 武汉理l 。人学硕十学位论文 动控制以及生物医学工程等众多领域得到广泛的应用并且收到了良好的效果1 6 j 。 数据采集( d a t a a c q u i s i t i o n ) 是获取信息的基本手段，数据采集技术作为信 息科学的一个重要分支，与传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基 础而形成的一门综合应用技术，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等 作业，具有很强的实用性。一个数据采集系统应当可以对信号进行采样、传输 和处理。数据采集系统可以分为两种，一种是以单片机为核心的数据采集系统， 这神系统一般注重数据采集和控制的实时性，进行一些简单的数字处理，不进 行大规模的存储。另一种是以计算机为控制核心的数据采集系统，根据其传输 方式，又分为并行和串行式采集系统；根据安置方式又分为内置和外置式采集 系统。内置式就是前端硬件电路部分使用内置电路板的方式。电路板制作成标 准计算机接口卡，通过标准的i s a 插口插入台式计算机机箱的扩展槽，由计算机 主机电源为前端硬件电路供电。这种方式可以使系统与上位机集成为个整体， 便于使用。中高速、高精度连续采样系统由于采集的数据量大，通常将控制和 数据通道部分做成板卡的形式，占用p c 的一个i s a 或p c i 总线扩展槽，通过i s a 或p c i 总线的高速数据传输率( 往往通过上述总线的d m a 模式) 实现p c 与采样 系统的大容量数据交换。但是，这种内置式形式很容易受至f j p c 机箱内高频干扰 的影响，降低系统的采样精度和稳定性。另一种是外接式，是把前端硬件电路 和系统电源部分做成一个单独的机箱，与上位机完全分离，自供电源。如果能 够将整个系统做成外置式形式，不仅能够提高系统的采样精度和稳定性，还能 增强系统的灵活性，同时还有利于系统的维护。而普通的外置式采样系统一般 通过r s - 2 3 2 c 与p c 连接，由于p c 机的限制，r s - 2 3 2 c 最高数据传输率不超过 1 1 5 k b p s ( 基于串口芯片1 6 5 5 0 ，如基于8 2 5 0 ，则最高仅有9 6 0 0 b p s ) ，同时传输 的距离也不会超过1 5 米。对于中高速、高精度连续采样系统，其每秒的数据 传输量最小为( 1 0 0 k h z 采样率，1 0 位采样精度) ：i o o k x i o = 1 0 0 0 k ，若r s 2 3 2 c 以1 1 5 k b p s 与采样系统交换数据，则需约1 0 0 0 k 1 1 5 k = 8 7 s 的传输时问，采样系 统与p c 接口速度的瓶颈作用会导致一部分数据的丢失，失去连续采样的意义 1 7 】【8 】。因此，提高p c 与外置式采样系统数据通道的流量是实现外置式中高速、高 精度连续采样系统的关键。随着计算机软硬件技术的不断发展，新一代通用串 行总线接口的优良特性给我们提供了极佳的解决方案。这种通用串行总线接口 的应用使得系统通用性好、便携性好，同时也有利于向网络化与远程化方向发 展。 3 武汉理 大学硕士学伊论文 1 3 2u s b 技术概况 u s b 是一种新接口，它突破旧接口的限制，不仅具备快速的通信速度，而 且其特性令它可以取代各种外围设备所使用的接口。 1 3 2 1u s b 技术的发展 u s b 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是众多计算机厂商和电信厂商共同 开发的用于计算机外设连通到计算机的规范。1 9 9 5 年，由c o m p a q 、d i g i t a l e q u i p m e n t 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 和n o r t h e r nt e l e c o m 七家公司组成联 盟，并建立u s b i f ( u s b 实施者论坛) ，决定把最初为将电话接入p c 机而设计 的u s b 作为一种计算机外设标准来推广。1 9 9 6 年，u s b i f 发布u s b 规范1 0 ， 为u s b 产品提出设计要求。1 9 9 8 年9 月2 3 同，u s b i f 发布u s b 规范1 1 。 最新版本u s b 2 0 发布于2 0 0 0 年4 月2 7 日。我们这里主要介绍u s b l 1 规 范下的情况【9 】。u s b 被设计用来解决安装计算机外设时遇到的种种技术性问题， 并且符合m i c r o s o f t 的即插即用规范，支持熟插拔。而且它能以菊花链的方式同 时连接1 2 7 个外设，u s b 总线能提供两种传输速度1 5 m b p s 和1 2 m b p s ，并且 能向外 发提供最大5 0 0 m a 的电流。 i 3 2 2u s b 的突出特点 u s b 技术具有以下突出特点【1 0 1 1 1 1 0 2 ： ( 1 ) 速度快u s b i 1 全速方式可以达到1 2 m b p s ，另外为了适应一些不需要 很大吞吐量的外设，如鼠标、键盘等，u s b 又规定了低速方式，其速率为 1 5 m b p s 。 ( 2 ) 可以采用总线供电u s b 总线可以提供5 v 、5 0 0 m a 的电流。若自己设 计的外设功耗较小时，就完全可以采用总线供电。 ( 3 ) 易于扩展u s b 总线协议规定，通过h u b ( 集线器) 可连接多达1 2 7 个 外设。其总线拓扑图如图1 1 所示。标准u s b 电缆长度为3 米( 低速可达5 米) 。通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 米。从下面的拓扑图，可以 看出u s b 总线在物理上是一个节点星形拓扑结构。一个h u b 在每个星形的中 心。其中每一个节点( n o d e ) 都可作为u s b 接点接入一个u s b 设备；每一 个h u b ，根据其芯片功能的不同可有很多不同的下行端口( 如1 个、7 个等等) 4 武汉理工大学硕十学位论文 接入不同的u s b 设备。但是任何一个h u b 只能有一个上行端口。 图l - iu s b 总线的拓扑结构 3 雕 ( 4 1 使用灵活u s b 有四种传输模式：中断( i n t e r r u p t ) 传输模式、控制( c o n t r 0 1 ) 传输模式、等时( i s o c l l r o n o u s ) 传输模式、块( b u l k ) 传输模式。这使得它的使 用很灵活。 ( 5 ) 支持即插即用( p n p ) u s b 支持热插拔，当安装一个新u s b 设备的时候， 不用打开机箱，也不用关机，系统将检测到这个新的设备，再给它找到合适的 驱动程序，对其进行自动配置后就可使用了，方便快捷。 1 3 。2 3u s b 技术三要素 主s l o 臣o s o ：实际上就是u s b 连接的拓扑中心，是所有计算机u s b 设备 的集合点，具有h o s t 功能的硬件叫做u s b 主控器( u s bh o s tc a m ( x o l l e r ) 。 集线器o 日u b ) ：允许u s b 设各共享一个u s b 主控器( u s bh o s tc o n t r o l l e r ) 。 计算机后面板上的h u b 被称为根集线器( r o o th u b ) 另外扩展u s b 集线器 ( e x t e r n a lu s bh u b s ) 能够让计算机连接更多外设。 功能( f e n e a o n ) ：就是指的u s b 设备。每一个u s b 设备都提供一种功能，当 然。多功能u s b 设备也就能提供多种功能了。 武汉理i 大学硕十学位论文 1 4 课题研究的主要内容 课题的研究内容就是设计一套基于u s b 技术的心电信号采集系统。其中包 括： ( 1 ) 人体的心电信号采集电路，该模块的输出为o 5v 电压信号。 ( 2 ) u s b 接口传输系统的软硬件设计，包括将采集的模拟心电信号转换为 数字信号，并用u s b 接口同上位机进行传输。 ( 3 ) 上位机的接收、存储、显示等软件设计 6 武汉理l ：大学硕士学位论文 第2 章系统整体设计方案 2 1 心电基本原理 心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，是一种复杂的自然信号，所 以对心电系统的设计有其特殊性，应区别于工业工程中的情况，因此对心电信 号的了解有助于系统整体方案的设计。 2 1 1 心电图的产生及特征 正常人体内，每一个心动周期中，起自窦房结的自动节律性兴奋，经传导 组织引起全部心房和心室肌的相继除极和复极。心脏各部分兴奋过程中出现的 电变化的方向、途径、次序和时间都有一定规律。这种生物电变化通过心脏周 围的导电组织和体液反映到身体表面上来，使身体各部位在每一次心动周期中 也都发生有规律的电变化。因此，在体表的任意相隔一定距离的两个点之间存 在电位差。体表的电位分布随心肌的电活动而不断地变化。所以任意两点之丑j 的电位羞也是变化的，这个电位差是周期性曲线。把测量电极放在人体表面的 一定部位，记录的心脏电变化曲线即临床常规心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 。 心电图一般包括p 波、q r s 复合波和t 波，有时可看到后继的u 波。连接 两个波群之间的是心电图的基线，即等电位线，反映此时各部分心肌的电位相 等，体表电极上无电位差【1 3 】。 ( 1 ) p 波反映心房除极的综合向量。高度不超过0 2 5 m v ，宽度o 0 6 s o 1 l s 。超过上述范围为p 波过高或过宽，属于异常现象。 ( 2 ) p - r 问期自p 波开始至q 波开始的间距。代表自心房开始除极到心 室开始除极的时问。p - r 闯期的正常值随年龄和心率而有所差别，心率慢者， p r 间期较长。正常成人一般在0 1 2 s 0 2 0 s 之间。 ( 3 ) q r s 复合波反映整个心室的除极综合向量的变化，即整个q r s 在各 导联轴上的投影。典型的q r s 复合波包括第一个向下的负波一q 波，一个快 速向上的j 下波一r 波，和随后的向下的负波一s 波。正常q r s 时问在0 0 6 s 0 0 8 s 之f b j ，一般不超过0 1 0 s 。 ( 4 ) s - t 段由s 波结束到t 波开始的线段。反映左、右心室全部除极完 7 武汉理工大学硕十学位论文 毕到复极开始以前的一段时日j 。 ( 5 ) t 波反映心室复极的综合向量。 ( 6 ) q - t 间期从q 波开始到t 波结束。反映了心室开始除极到全部复极 完毕的一段时问。 1 7 ) u 波t 波之后有时可能看到的一个很小的正向波。可能表示心肌激动 后的电位变化，人们对它的认识仍在探讨中。 2 1 2 常用心电图导联 ( 1 ) 标准肢体导联在心动周期里最主要的心电综合向量通常指向左前下 方，因而通常反映在左下肢的电位最高，而右上肢电位最低，左上肢的电位居 中。习惯上采用的三个标准导联就是将正常情况下电位较低的一个肢端连接心 电图机的负极，较高的一端连正极，以便在多数导联上得到以正波为主要的心 电图波形。 ( 2 ) 加压萃极肢体导联如以标准导联中的一个肢体记录电极连接心电图机 的正极为探查电极，而另一记录电极连接于身体的零电位点作为“无干电极”， 这样记录所得可以说就是心电综合向量反映于该端的“绝对”变化。这种连接 方式称为单极肢体导联。人们从理论和实践上证明：将右上、左上、左下三个 肢体以导线联结于一点，该处的电位即等于或接近于零电位，称为“中心电端”。 为消除各个记录电极同肢体皮肤连接处局部电阻不同所造成的差异，在组成中 心电端的各导线上均串联一个5 0 0 0 q 的固定电阻，这样可使三条通路上的电 阻值接近平衡。以后又发现只需以探查电极为一极，联接除该极以外的另两胺 为另一极，即可得到和原单极肢体基本一致的图形，但幅度增大半倍，更便于 观察。这就是目前常规应用的加压单极肢体导联。记录电极连右上肢的导联叫 a v r 导联，连左上肢的叫a v l 导联，连左下肢的叫a v f 导联。 ( 3 ) 胸导联胸导联也是种单极导联。胸导联中将探查电极置于胸前不同 位置，连接心电图机的正极，并以中心电端作为无干电极接心电图机的负极进 行记录。由于胸导联的探查电极距心室较近，可更好地反映附近心肌的局部电 位变化，因而在冠心病及其他心肌疾患的诊断上有更大的价值【“】。其中，v l 和 v 2 导联在第四肋间隙胸骨左右缘，v 4 导联在左锁中线和第五肋间隙相交处， v 6 在左腋中线相当于v 4 水平位置，v 3 在v 2 和v 4 导联连线中点处，v 5 j 武汉理i 人学硕卜学位论文 在v 4 和v 6 导联中点处。 本文采集的数据使用改进的v 5 导联方法：正极置于胸骨右缘第四肋处， 负极放在左锁骨中线下方，所获得的波形与v 5 导联相似，参考电极通常放在 右锁骨中线第5 肋骨上方。 2 1 3 心电信号的特征 ( 1 ) 微弱性心电信号非常微弱，一般只有0 0 5 5 m v ，典型值为l m v 。要 检测心电信号，就必须设计出合适的心电检测放大电路，同时必须进行滤波等 抗干扰技术处理。 ( 2 ) 低频特性心电信号频率比较低，频谱范围为0 0 5 1 0 0 h z ，能量主要 集中在o 5 2 0 h z 。 ( 3 ) 不稳定性人体与外界有密切的联系，内部各器官间存在相互影响，加 之心脏位置、呼吸、年龄等原因，都会使心电信号发生相应的变化。因此，在 对心电信号进行检测分析处理时，应该考虑到它是随时间变化的信号，应按其 频谱特性，选择适当的放大系数。 2 1 4 心电信号的噪声干扰 影响心电信号的噪声种类很多，主要包括以下几种【1 5 】： ( 1 ) 5 0 h z 工频及其各次谐波的干扰从人体表面采集的e c g 信号常常受 到多种干扰，其中人体分布电容所引起的工频干扰是其中最主要的种。对于 一个给定的测试环境而言，我们可以将这种干扰区分为频率和幅值两部分：其 频率成分包含有5 0 h z 的基波及其各次谐波；其幅值成分在e c g 峰峰幅值的 0 5 0 范围内变化。另外，周围环境的电磁干扰也是产生干扰的一个方面。一 般采用软硬件综合方法进行滤波。 ( 2 ) 由于呼吸和运动所产生的电极接触噪声电极接触噪声是一种由于电极 和皮肤之间接触不良或电极脱落所带来的种不稳定的干扰。通常通过对皮肤 的预处理以及适当固定电极和导联来消除这一类型的干扰。 ( 3 ) 肌肉收缩产生的噪声人体表皮层内，外存在典型值为3 0 m v 的皮肤电 势，当皮肤伸张时，皮肤电势降到大约2 5 m v 。这5 m v 的皮肤电势变化反映到 e c g 中，即为人们所观察到的由于肌肉收缩舒张所产生的噪声。对于这种干扰， 9 武汉理i ：人学硕士学位论文 一方面可以通过对皮肤进行预处理以及穿刺技术使得效果得到改善，另一方面 可以通过电极准确定位进行消除。 ( 4 ) 电子装置产生的噪声在设备的设计中注意电磁干扰等情况可以有效降 低此类噪声。 2 2 系统设计原则 心电检测系统作为医用辅助诊疗设备，同时也是以微型计算机为核心的应 用电子仪器，它的最终目的是面向市场和面向用户。因此在系统设计、研发的 各个阶段必须要考虑兼顾各方面的特点和技术要求，在系统设计的整个过程中 始终要遵循以下几条原则【1 4 l 【1 5 l ： ( 1 ) 安全性原则设计和制作要完全依据g b 9 7 0 6 1 1 9 9 5 医用电气设备安 全通用要求规定的内容进行，保证系统的电气性能安全。 ( 2 ) 准确性原则人体的生物信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体 静电和环境感应电的干扰，因此在设计、制作中要采取一切手段保证信号的不 失真。 ( 3 ) 可靠性原则必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠而不出故障。 ( 4 ) 通用性和可移植性原则要求通用性尽可能好，能灵活的进行功能扩充。 尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要时进行扩充。 ( 5 ) 先进性和可发展性原则考虑到计算机技术的迅速发展，设计必须要为 以后系统的升级、改造留有手段，同时在技术上要做到适度超前。 ( 6 ) 简易性原则由于产品面向家庭用户，所以方便快捷的使用也非常重要。 2 3u s b 总线 当今的计算机外部设备，都在追求高速度和高通用性。为了满足用户的需 求，以i n t e l 为首的七家公司于1 9 9 5 年推出了u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串 行总线) 总线协议，专用于低、中速的计算机外设。目前，u s b 端口已成为了微 机主板的标准端口；而在不久的将来，所有的微机外设，包括键盘、，鼠标、显 示器、打印机、数字相机、扫描仪和游戏手柄等等，都将通过u s b 与主机相连。 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 这种连接比以往普通并口和串口的连接而言，主要的优点是速度快、功耗低、 支持即插即用( p l u g & p l a y ) 和使用维护方便。 作为开发者，我们最关心的便是如何去开发u s b 外设。由于u s b 协议非 常复杂，控制器芯片必须知道如何检测并对u s b 端口的事件做出反应，它必须 为设备提供存储要发送的数据和获得已经接收到的数据的一种方法。控制器芯 片在进行u s b 通信时所需要的支持是不同的。一些芯片只需要访问一系列寄存 器以存储和恢复u s b 数据。其他的芯片要求设备程序代码做更多的工作，包括 管理描述符的重新获得、设定数据切换值和保证正确的交换包被发送等。一些 控制器芯片上有通用功能的c p u ，而其他的控制器芯片则采取最简单的方法和 接口与一个外部c p u 连接，按需要处理与u s b 控制器之间的非u s b 任务和 通信【1 6 】【棚。因此，微控制器和u s b 接口的选择有二种方式：带u s b 接口的单 片机和通用u s b 收发器两种。 ( 1 ) u s b 接口的单片机主要有i n t e l 的8 x 9 3 0 系列，c y p r e s s 公司的 e z u s b ，以及m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 9 0 8 j b 8 系列等。这种方案的最 大优点在于开发难度较小，因为大多数这样的单片机都是基于8 0 5 1 结构或者 其它常见的结构，同时均有完备的开发辅助文档和代码实例，但是其开发一般 需要专用的仿真器，并且对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障碍。 ( 2 ) 通用u s b 收发器主要产品有p h i l i p s 公司的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接 口) 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) ，n s 公司的u s b n 9 6 0 3 9 6 0 4 ( 并行接口) 等。 通用u s b 收发器仅处理u s b 总线相关事务，必须有一个外部微处理器来进行 协议处理和数据交换。这种方案的主要特点是成本低、接口形式多样、可靠性 高，具有很高的灵活性，尤其适合于产品的改型设计，缺点是开发者需要非常 熟悉u s b 的协议，以处理u s b 总线事务，同时要用微处理器控制收发器的工 作。根据现有的条件，本系统采用第二种方案。u s b 接口芯片采用p h i l i p s 公 司的p d i u s b d l 2 ，它是一种价格便宜、功能完善的并行接口芯片，支持多路复 用、非多路复用和d m a 并行传输f l s l 。微控制器采用m o t o r o l a 公司的 m c 9 s 1 2 d 6 4 。 2 4 系统整体结构 心电信号采集系统主要包括：模拟电路、电源电路、单片机系统和u s b 接 武汉理i ：人学硕 ：学位论文 口电路等部分。系统总体框图如图2 1 所示 图2 1 系统总体框图 在设计上，模拟电路的主要功能是对电极采集的心电信号进行放大和滤波 处理；电源电路主要是将p c 机j a u s b 接口提供的稳定5 v 电压转为正负1 2 v 供模 拟电路使用；单片机系统负责a d 转换，信号处理以及u s b 协议处理；u s b 接 口电路实现与上位机的通讯。 2 5 本章小结 本章主要介绍了心电信号的基本原理，系统设计原则，u s b 总线以及系统 整体结构。对于系统的设计思想方法及实现方案做出了概括性的介绍，并根据 此整体设计方案进行下一阶段的硬件和软件设计。 武汉理l ：大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计与实现 3 1 心电信号采集系统的硬件方案概述 该采集系统的整体结构如图2 1 所示，该系统的硬件设计主要由模拟电路和 数字电路两部分组成，模拟部分主要完成的任务就是将心电信号从人体表面取 得并将其处理成o 一5 v 范围的可用信号，数字部分完成的功能就是实现与上位机 的u s b 通讯，并将采集的心电信号上传到p c g l , 。 3 2 模拟电路部分 由于测量对象为人体，因此作为生物医学测量的生物电放大电路，应在前 置极设计保护电路，包括人体安全保护电路和放大电路输入保护电路，而且应 该考虑到作用于人体的其他医学检测设备和其他可能存在的某些干抚对放大电 路的破坏作用，鉴于生理信号的上述特点，本系统采用典型的生理信号放大电 路，模拟电路框图如图3 1 所示【2 0 l f 2 4 】： 图3 1 模拟信号处理电路框图 心电信号从心电输入电极输入，然后经过保护限流电路，得到约为l m v 心电信号再经过前置放大电路，被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模 信号等性能。这时候的心电信号主要受工频、肌电等信号的干扰，此时将心电 信号送到0 0 5 h z 高通滤波器，再通过5 0 h z 陷波器，消除频率为5 0 h z 的工频信号， 工频中的其它高次谐波可经后级的滤波器滤掉。为了消除频带以外的肌电等干 扰信号，经陷波后的心电信号送至t j 2 0 0 h z 低通滤波器。心电信号通过如上放大滤 波处理之后最后经过光电隔离得n o - s v 电压波形。 武汉理工大学硕十学位论文 下面详细介绍各个部分的功能。 3 2 1 心电输入电极 心电输入电极用于引入人体体表电位。电极对于采集的心电信号的质量至 关重要，采用的电极应该是贴附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好、极 化电压低的优质电极，此外还应该具有对皮肤刺激小、佩带舒适、拆卸方便等 优点。胸电极通常采用表面镀有a g c l 并带吸附橡胶头的电极，肢体电极通常是 导电夹，并在电极上涂有优质导电膏。 3 2 2 保护限流电路 图3 - 2 保护限流电路原理图 在人体表面的心电信号通过导联线进入前置放大电路之前，每一路信号都 要先经过图3 2 所示保护限流电路。该电路能起到以下的作用： ( 1 ) 图中f 1 为一氖泡，在输入电压达n 3 0 v 左右时，氖泡就会导通发光，起 高压保护的作用。 ( 2 ) 输入端的电阻r 3 一般选用几十千欧姆。图中电路为2 2 1k ，这样电路的 电流就被限制在3 0 v 2 2 1 k = i 5 m a 以下。 ( 3 ) r 3 和c 5 组成一个低通滤波器，滤波频率约为3 0 k h z ，这样可以滤掉信号 中的高频抖动，具有防颤的作用。 ( 4 ) l f 4 4 4 用做一个电压跟随器，这样就是在一阶低通滤波电路的输出端再 加上一个电压跟随器，使之与负载很好的隔离丌来，构成了一个简单的一阶有 1 4 武汉理一i ：人学顶卜学位论文 源低通滤波电路可以提高信号的输入阻抗，并且具有很强的带负载能力。 ( 5 ) 二极管d 7 ，d 8 起低压保护的作用。 3 2 3 前置放大电路 由于人体处在很强的电磁干扰环境中，所以前置放大器是整个系统设计的 关键，关系到提取信号的好坏。本设计静置放大电路采用差动放大电路。对前 置放大的设计有如下要求： ( 1 ) 高输入阻抗 ( 2 ) 高共模抑制比( c m r r ) 共模抑制比( c m r r ) 是差动放大电路的主要技术指标。为了抑制人体信号所 携带的工频干扰，生物电放大器的c m r r 值一般要求达到6 0 d b 到8 0 d b 。 ( 3 ) 低噪声、低漂移 高阻抗信号源本身具有较高的热噪声，输入信号本身幅度仅在微伏、毫伏 级，所以，为了获得一定的信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格 的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到与放大器的固有 噪声为同一数量级。这样，放大器的内部噪声实际上使放大器能够放大的信号 电平有一个下限，也就是说放大器的噪声电平成为了放大器设计的限制条件。 心电信号属于低频信号，频带范围是0 ，0 5 h z 1 0 0h z 。但通常采用的直流放 大器的零点漂移限制了直流放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放 大，基线对测量带来严重的影响，常常使测量很难正常进行。因此应当采取措 施抑制放大器的零点漂移。 基于上述要求，本设计采用t i 公司的放大器i n a l 2 8 作为心电信号前置放大 的核心器件，它的内部结构如图3 3 所示。它是一种低电压通用型仪表放大器， 其特点如下： 低失调电压：5 0vm a x ； 低漂移：o 5v 0 cm a x ； 低输入偏流：5 n am a x ； 高共模抑制比：1 2 0 d bm i n ； 宽通频带：2 0 0 k h z ( c r = 1 0 0 ) ； 输入过压保护：4 0 v ： 5 武汉理：丈学硕士学付论文 宽电源电压范围：2 2 5 - 1 8 v ： 低静态电流：7 0 0 a ： 委霸 r 4 图3 3i n a l 2 8 内部结构图 u i 1 0 k r g r g - i n + v d d l + qo u r r v s sr e f 割引l i 萝1 2 8 i 图3 4 心电信号前置放大原理图 绷岫 r 口 4 9 4 缸l r o 由此可见，i n a1 2 8 的性能指标是能够满足心电放大的要求的。如图3 4 所示。 图中r 4 为增益调节电阻，增益g = i + 5 0 k 0 r 4 。本设计中r 4 调节在5 k q 左右， 这样g = l l 。前置级不设簧太高的增益是因为两个电极的极化电压总是不平衡的， 两极化电压之差作为差模信号加至i j i n a 2 8 的输入端，若增益太高，则可能使它 1 6 武汉理工人学硕 。学位论文 饱和而失去放大能力。 3 2 4 高通滤波电路 由于电极极化电压的