（检测技术与自动化装置专业论文）便携式无线心电监护系统的设计.pdf

摘要 随着社会生活节奏加快、人口逐渐老龄化，心血管疾病已经成为严 重威胁人类健康和生命的主要疾病，而且此类疾病往往具有突发性，如 果不能及时发现并进行治疗将会产生非常严重的后果。心电监护仪是此 类疾病重要的检测手段，它对于保障患者生命安全降低患者死亡率有着 十分重要的意义。 本文利用基于3 2 位嵌入式处理器( a 删7 t d m i ) $ 3 c 4 5 1 0 b 进行远程心 电监护系统的设计。完成了便携式心电监护仪系统和医院中心监测站系 统设计。所设计的心电监护仪能采集、存储心电信号，并用液晶显示器 ( l c d ) 显示心电波形，也可通过无线数据通信方式把采集来的心电数据 发送到医院中心监测站。该监护仪既可作为患者的心脏保健设备，又可 作为医生使用的便携式心电图检测仪。 医院中心监测站采用了高性能的计算机作为中心处理器，并且用虚 拟仪器l a b v i e w 语言编写了用户的操作界面，可以完成心电信号的接收、 心电图显示、心电数据的保存和病人信息的管理等功能。本系统具有体 积小，功耗低的突出优点。文中给出了系统的硬件、软件设计。 关键词：心电监护液晶显示嵌入式处理器 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h ep a c eo fs o c i a ll i f e ，t h e 蜘p o p u l a t i o n , c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s eh a sb e c o m eas e r i o u st h r e a tt oh u m a nh e a l t ha n dl i f e o fm a j o rd i s e a s e s s u c hd i s e a s e sa r eo f t e nu n e x p e c t e da n d , i fn o td i s c o v e r e d a n dt r e a t e d , w i l lh a v ev e r ys e r i o u sc o n s e q u e n c e s e c gm o n i t o ri ss u c ha l l i m p o r t a n td i s e a s e _ c t e t e c t i o l lm e a n s , i t h a st op r o t e c tt h es a f e t yo f p a t i e n t sh a v e al o w e rr a t eo f d e a t hi np a t i e n t sw i t hv e r yg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i s p i tb a s e do i l3 2 - b i te m b e d d e dp r o c e s s o r ( 删7 1 d m d s 3 c a 5 1 0 br e m o t ee c gm o n i t o r i n gs y s t e md e s i g n c o m p l e t e dap o r t a b l e e c gm o n i t o rs t a t i o ns y s t e m sd e s i g nc e n t e r sa n dh o s p i 协l s e l e c t r o c 耵d i o m o n i t o r i n g 如s t 川m e 疵w i t hl c dc a n 孚l t h 盯a n ds t o r a g ee l e c t r o c a r d i od a t a , s h o we l e c t r o c a r d i o w a v e ，a n dd i s p a t c h e l e c t r o c a r d i o s i n g l e st h r o u g h t e l e p h o n et od e s i g n a t e dh o s p i t a r lm o n i t o r i n gc e n t r e t h i sm o n i t o r i n gs y s t e m c 蛆f u n c t i o na sh e a dp r o t e c t i o ne q u i p m e n tf o rp a t i e n t sw h e nt h e ya r ea w a y f r o mh o s p i r a l ，a n di tc a na l s ob eu s e da s p o r t a b l ee l e c t r o c a r d i o g r a m i n s t r u n m e n tf o r d o c t o r s h o s p i t a lc e n t e rs t a t i o n su s e da s ah i g h - p e r f o r m a n c ec o m p u t e rc e n t e r d “煅s o rl a b v i e wv i r t u a li n s l r u m e n t sa n du s et h el a n g u a g eo ft h eu s e r i n t e r f a c e , t ob ec o m p l e t e de c gr e c , e i v u _ , e c gs h o w e dt h a tt h ep u i e n te c g d a t as t o r a g ea n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tf u n c t i o n s t h i ss y s t e mh a st h e a d v a n t a g e so fs m a l ls i z e , l o wp o w e rd i s s i p a t i o no ft h eo u t s t a n d i n gm e r i t s t h ed e s i g no f t h e 毋，s i 髓n - sh a t d w a x ea n ds o f t w a r ea r ep r e s e n t e di nt h ep a p e r k e yw o r d e ：e c gm o n i t o r i n g l c d d i s p l a y 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，便携式无线心电监护系统的设计 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：拗旦卫年上月上日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 坦l 年上j 丑年包月e t 第一章引言 1 1 概述 心脏是人体的总“动力泵”，人体全身的血液都需要它进行输送，而 心脏病泛指各类与心脏有关的疾病。在全世界范围内，心脏病已经成为 威胁人类健康的最严重的疾病之一。根据卫生部公布的调查数字显示， 我国近几年的心脏病患病率很高且里逐年递增趋势，已经超过了3 以 上，其中以城市居民的患病率尤为突出，而且随着我国人口的城镇化的 持续增加，心脏病对人们身体健康的威胁不断地加重。 为了及早发现及治疗心脏病，对心脏做定期的检查，已经成为大多 数人尤其是心脏病患者的需要。各种心电采集和处理仪器是检查心脏病 最基本和必要的设备，高质量的，t l , 电图是医生诊断心脏疾病的得力助手， 在诊断心肌梗塞、心肌缺血、冠心病等多种心血管疾病中扮演了重要的 角色。据统计，我国目前有县及县以上医院1 3 万家，医疗机械总数达 1 7 5 万台，加上一些专业心脏疾病治疗机构，我国目前每年心脏疾病的 门诊量约在一千万人次以上。根据国家卫生部全国卫生信息化发展规 划纲要的目标，在2 0 1 0 年要基本实现医院的数字化和信息化。所以 未来医疗器械市场对新型医疗设备的市场空间巨大，特别是拥有数字化 和信息化特征的心电信号处理系统具有广阔的应用前景和实用价值。 1 2 典型心电信号波形的特点 图1 1 给出的是典型体表，t l , 电波形的一个周期。心脏作为一个生物 电信号源，信号强度必然与活动细胞的数目直接相关，而构成，i l , 房和一t l , 室的一t l , 脏细胞数最大，因此体表，t l , 电波形主要反映了心房和心室的细胞 动作电位变化。 图1 - 1 典型的心电波形图 心电图是在身体表面间接记录出来的一l l , 脏的电信号变化，所以电极 放置的位置不同，记录出来的波形上也有所不同，但基本上都包括一个 p 波、一个q r s 波群和一个t 波，有时在t 波后，还会出现一个小的u 波。 p 波由心房除极产生，其幅度代表心房激动产生的电势的大小。p 波波形小而圆钝，历时0 0 8 - 0 1 1s ，正常成人幅度在0 2 5 v 以下。 q r s 综合波由心室除极产生，反映心室除极的电活动。典型的o r s 波群包括三个紧密相连的电位波动：第一个向下的波为q 波，以后是高 而尖峭的向上的r 波，最后是一个向下的s 波。但在不同导联中，这三 个波不一定都出现。一般时限小于0 1 0 m s ，以r 波为主，其幅度不会 超过2 5 v 。因此t 波显得比较微弱，其幅度不应低于同一导联r 波的 1 1 0 ，t 波异常表示心肌缺血或损伤。 u 波是t 波之后0 0 2 - 0 0 4 s 可能出现的一个低而宽的波，方向一 般与t 波一致，波幅大多在0 0 5 m y 以下。u 波的意义和成因现在还不 十分清楚。 除了上述的特征波形外，这几个波形之间的时间关系也同样具有重 要的意义。这些主要包括： p r 间期( 或p 咱间期) 为p 波开始至q r s 波群开始的持续时 间，也就是心房除极开始至心室除极开始的时间。若p _ r 间期延长，则 表示房室传导阻滞。 p r 段从p 波终点到o r s 波起点之间的曲线，通常与基线同一水 平。p r 段形成的原因是由于兴奋冲动通过心房之后在向心室传导的过程 中，要通过房室交界区，兴奋通过此区传导非常缓慢，形成的电位变化 也很微弱，一般记录不出来，故在p 波之后，曲线又回到基线水平，成 为p r 段。 q - t 间期为o r s 波群的开始至t 波的末尾的持续时间，意为心室 除极和心室复极的持续时间，正常值为0 3 2 0 4 4 s 。 s t 段为从o r s 波群终末到t 波开始之间的线段，此时心室全部 处于除极状态，无电位差存在，所以正常时与基线平齐，成为等电位线， 若s - t 段偏离等电位线一定范围，则提示心肌损伤或缺血等病变。 所谓的心电波形检测，就是检测心电图中各个波形的起点、峰值点 和终点位置以及电压( 即峰值点幅值) ，并计算各个间期参数，知道了这 些参数，在此基础上通过对各个特征段进行统计分析，就可对受检测者 的心脏活动状况进行诊断。由于这些特征波和相应间期的异常都在一定 程度上反映了心脏系统的病变，所以准确提取它的幅值和时限信息对于 心脏疾病的监护、分析、诊断、治疗和预防都具有重要意义。 1 3 课题研究的目的及意义 心脏病是一种常见的多发慢性疾病，由于病情隐蔽、发展缓慢、发病 2 危险性高，故而成为威胁人类生命的主要疾病。据统计全世界死亡人数 中约有三分之一死于该疾病，而在我国因心血管疾病而死亡的人数占总 死亡人数的3 8 ，可见心脏病已成为危害人类健康和生命安全的“第一 杀手”，因此心脏病的防治和诊断就成为当今医学界面临的首要问题。 用于诊断心脏病的主要技术之是心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，简 称e c g ) 。心电图是将心脏激动过程所产生的体表电位差记录下来并加以 解释的科学。从1 9 0 3 年荷兰莱顿大学的生理学教授e i n t h o v e n 采用弦线 式电流计首次测出心电图，至今已有百年的历史。一百多年来，心电图 这种无创检查技术，由于诊断可靠、方法简便、对病人无损害等优点， 在心脏疾病的诊断中发挥了重要作用。在这期间心电图检测技术本身不 断改进完善，目前常见的有只能记录病人在心电图室内安静状态下十秒 钟左右心电活动豹情况。 传统的心脏病诊断方法是在进行常规检查的基础上，对患者进行心 电图检查，医生根据记录下来的心电活动情况做出初步诊断，再酌情参 考病人的其它辅助资料并结合医生诊病的经验得出最终结论。从上述诊 病过程可见，采用传统方法进行心脏病诊断时尽管可以借助现代医疗检 查设备提高诊断的正确率，但最后做出什么样的结论在很大程度上取决 于医生的主观因素。心脏病是一个统称，它实际上包括上千种心脏疾病， 其中有相当一部分往往涉及较复杂的发病因素，再加上主观性因素的不 确定性使得对同一病人不同的医生会得出完全不同的结论，从而导致误 诊、漏诊。此外，对于动态心电图来说，它的长时间记录大大增加了采 集资料的内容，为临床诊断多种心脏疾病提供了可靠依据，但也势必导 致数量庞大的心电信息，这使得传统的心电诊断方法面临着巨大的挑战。 面对数量如此庞大的心电数据，若想将它们大致地分析一遍，单凭医生 人工分析判断既费时又费力，往往会因为视力疲惫和( 或) 注意力分散造 成漏检，因此可靠性不高。为了有效避免现有诊断方法存在的种种弊端、 提高医院的医疗质量、使广大患者能够得到准确的诊断和及时的救治， 研究和开发心电自动监护诊断系统具有非常重要的现实意义。 近代科学技术的高度发展，尤其是计算机技术的突飞猛进，使得将 心电图描记技术与计算机技术相结合成了顺理成章的事。通过计算机等 设备对采集到的心电信号进行分析，己经广泛的应用于心脏的功能检查、 心血管疾病的诊断与预防、以及心电监护等多方面 随着高新科技的迅猛发展，各国对心电监护的不断研究，心电信息 高速公路的发展和开通，可以想象，未来的心电监护将会有如下特点： 随时随地。不论是在工作或是休息，室内或是室外，只要需要，都可 以监测心电信息，获取的心电信息将会更加全面。方便。对被监测者 来说，监护仪会像如今的手机一样使用方便，轻轻的按一个按扭，自身 的心电信息就己经传送到医生那。更加智能化很多时候，并不需要 医生的指导，监护仪会告诉您自身心脏的一些情况，以及是否需要医生 的进一步诊断：在情况紧急的时候，还会提供相应的急救措施。 1 4 系统设计的主要内容 近几年来，单片机应用技术的发展需要更高性能的单片机，而单片 机性能的提高又大大促进了单片机应用技术广泛和深入的发展。低功耗 c m o s 工艺是单片机发展的特点。所以单片机具有集成度高、体积小、功 能强、工作可靠、价格便宜等优点。因此单片机的应用，可以实现仪器 的智能化、小型化。而这恰恰为我们研制新型便携式心电监护系统提供 了良好的条件。因此，本文采用3 2 位嵌入式处理器( p 瑚7 t d m i ) $ 3 c 4 5 1 0 b 作为主控芯片，研制了一种新型便携式心电监护系统。本系统包括两大 功能模块：便携式心电监护仪和医院中心监测站。心电监护仪能采集心 电信号，采用液晶显示器( l c d ) ，可显示心电波形，存储数据并通过无线 收发模块进行无线传输，也可通过电话将心电信号发送到定点医院监测 中心。使用三个按键操作，具有简洁的特性。并且具有体积小，功耗低 的突出优点。该监护仪可作为医生使用的便携式心电图检测仪。医院中 心监测站采用了计算机作为中心处理器，并且用虚拟仪器l a b v i e w 语言 编写了用户的操作界面，可以完成心电信号的接收、心电图显示、心电 数据的保存和病人信息的管理等功能。 本系统能使患者方便地将所记录的心电信息传送到医院，患者可以 通过观看监护仪的心电波形较早的了解自己的病况。同时还可以建立完 善的档案管理功能：可随时查询、比较病人的档案。专家可以在办公室 接收医院传来的病人的资料，从而可对其进行诊断和治疗。本系统的研 制将大大提高心电监护系统的实用性，给心血管疾病患者提供一个实用 的监测系统。图l 一2 为便携式无线心电监护系统示意图： 图1 - 2 便携式心电监护系统示意图 4 第二章总体设计方案 2 1 系统设计原理概述 本系统主要针对便携式心电监护仪和医院中心监测站两大部分进行 设计。其中，心电监护仪包括陷波器、放大器、低通滤波器、模数转换、 存储、数模转换、调制及液晶显示。医院中心监测站包括信号接收电路、 解调、模数转换、存储、串口通信及微机处理部分。图2 - i 为便携式心 电监护仪的系统框图。 图2 1 心电监护仪系统框图 心电信号首先经过放大和滤波处理，然后通过由嵌入式控制的模数 转换器件将其转换为数字信号再将数字信号存储起来。同时为了让测试 者能够声音信号被录入，在模数转换后，将该数字信号转换为模拟信号， 通过模拟调制芯片将心电信号调制在音频范围内，该信号可通过扬声器 输出，以示意测试者现在电路的工作状态及自己心音的大致情况。在将 心音信号存储后，这样可以对上次测得的心音信号实现多次回放功能。 同时我们选用了高速嵌入式a r m 作为核心处理器，控制模数转换、存储、 液晶显示。 图2 2 为医院中心监测站系统框图。医院中心监测站通过接电话接 收心电仪声音信号并解调，把已调信号还原成真实的心电信号，单片机 控制a d 转换，并且通过串口把心电信号数据送给中心计算机。中心计 算机的用户操作系统是用l a b v i e w 编写的，可以完成心电波形的显示、 心电数据的存储、用户信息的管理等功能。 医院中心检测部分具体实现过程主要包括以下部分： a 、用话筒把电话传输过来的声信号变成电信号。 b 、心电信号在传输过程中可能包含一些高频干扰，因此我们必须用 滤波电路把这些干扰滤掉。 c 、用锁相环解调电路把已调制的心电信号解调出来还原成真实的心 5 电信号。 d 、为了能让医院中心计算机处理和分析患者的心电数据，我们必须 通过a d 把模拟信号转换成数字信号，并且通过串口传送给计算机。 e 、中心计算机记录心电数据、显示心电波形。 图2 - 2 医院中心监测站系统框图 为了满足整个系统设计的要求，使其具有更高的可靠性，要求我们设 计本系统时，必须注意几下几个方面： a 系统必须有足够的安全性和稳定性，以保证患者的安全。 b 系统要满足低功耗、低噪声的要求。 c 系统体积要小，以便于携带。 d 该系统可以传输、存储和显示心电信号 e 该系统应有一个友好的用户操作界面。 2 2 心电信号干扰及噪声问题的解决 在心电信号的处理过程当中，我们往往会遇到一些信号干扰以及噪 声的问题，在本系统的设计中，主要有以下噪声源，他们是： 2 电源线干扰：5 0 6 0h z 的工频干扰和电网产生的谐频。 电极接触噪声；由于电极和皮肤之间接触的变化产生的基线漂移。 由于其他电子设备产生的电磁干扰。 由电极线引起的天线效应。 由于其他电子设备引起的耦合噪声，通常是高频设备。 为了得到有用准确的心电信号，采取滤波或者去除所有这些噪声源 等措施。这些措施可以采用硬件电路来实现，也可以采用数字滤波的来 实现。 2 3 系统需解决的问题 基于以上的分析，本系统的设计中需要解决一些实际问题，概括起 来主要有以下几点： 6 1 、中心频率为5 0 h z 陷波器的设计。 2 、放大倍数为4 0 0 倍的放大器的设计。 3 、截止频率为1 0 0 h z 的低通滤波电路的设计。 4 、心电信号模数转换、存储、液晶显示、串口通信的设计。 5 、中心频率为1 7 k h z 的调频电路的设计。 6 、心电信号的解调电路的设计。 7 、医院监护站的串行通信系统得设计 8 、系统软件的设计。 7 第三章心电监护仪系统硬件设计 心电监护仪是一种便携式心电监护设备，它可以随时监测和分析人 体的心电信号变化情况。在心电监护设各处，心电信号采集模块把采集 到的心电信号传给信号处理模块，信号处理模块负责对心电信号的分析 处理。 3 1 心电信号的特点 心电信号的最大特点就是信号十分微弱，常见的心电频率一般在 o 一1 0 0 h z 之间，能量主要集中在1 7 h z 附近，幅度小于5 m v ，心电电极阻 抗较大，一般在几百千欧以上。在检测生物电信号的同时存在强大的干 扰，主要有电极移动引起基线漂移( 一般小于i h z ) ，电源工频干扰( 5 0 h z ) ， 肌电干扰( 几百h z 以上) 。电源工频干扰主要是以共模形式存在，幅值可 达几v 甚至几十v ，所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。电极 移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生 的直流电压，最大可达3 0 0 m v ，因此，心电放大器的前级增益不能过大。 或者需要采用超低频的交流放大器。由于信号源内阻可达几十k 纵乃 至几百k q ，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几m q 以上。不仅要求 输入阻抗，对c m r r 也要有8 0 d b 以上的共模抑制比。同时在有源低通滤 波器中要求能够有效地滤除与心电信号无关的高频信号，最后在设计要 求对某一频段的信号能够抑制或衰减。通过系统调试，最后得到放大、 无噪声干扰的心电信号。 本系统要求具有灵敏度高、分辨率强、抑制噪声和抗干扰能力好等 特点。在测量中，不仅要抑制仪器系统的噪声，还要充分认识人体噪声 的性质和特点，采取有效办法滤除干扰，从人体中提取有用信号。为了 防止外界干扰，应根据具体测量需要，采取必要的隔离措施。 本系统主要分为心电监护仪和中心监测站控制两大部分，中控机主 要以p c 机为核心心电监护仪主要包括陷波器、放大器、低通滤波器、 模数转换、存储、数模转换、及调制及l c d 显示。下面重点分析下位机 各部分电路的工作原理。 3 2 心电信号的采集 人体的心电信号非常微弱，因此干扰和噪声常常可以淹没心电信号。 外界干扰主要有人体周围的高压电源与人体通过耦合产生的干扰；大电 流电路与人体通过电磁耦合产生的干扰；噪声电流通过人体产生的电压 降以后引起的阻抗干扰。同时，电路内部又存在着各种各样的噪声。消 除干扰和噪声的主要措施是采用正确的屏蔽，如磁屏蔽、静电屏蔽、电 3 磁屏蔽等：合理的接地；选用低噪声的元器件和差动放大器的形式或采 用滤波电路，将噪声和干扰加以适当的滤除。因此，本电路的输入级采 用了典型的仪用放大电路，这样可以有效的消除共模信号对电路的影响 同时又提供了足够的电压增益。第二级采用了同相放大器对信号进行再 次放大以满足电压增益的要求。然后采用5 0 h z 的陷波器滤除5 0 h zi 频 电压对电路的干扰，接着采用两阶低通滤波电路来滤除各种高频干扰信 号，最后一级采用电压跟随器以提高带载能力和与后级隔离。 从人体体表采集的心电信号一般频谱范围0 0 5 一l o o h z 。心电信号正 常输出时，其幅值约为i m v 左右，而a d 转换器的输入电平要求达到l v 左右。前级放大电路其作用就是要把微弱的心电信号放大提供给后级电 路，同时又具有足够抑制各种干扰信号的能力。根据前级放大电路的作 用，前级放大器必须具有输入阻抗离、噪音小、失调漂移小、稳定性好、 共模抑制比高、抗干扰极化电压能力强、输入电流小、漏电流小等特点。 在选择芯片时，必须考虑到具体工作环境的要求。本系统因为要求 必须能随时随地的测试心电信号，因此在电路能源提供上就必须考虑用 电池供电，这样就要求系统所用的器件应尽可能的少，器件的功耗应足 够的低，所以在器件选择时尽可能的使用低功耗的c m o s 器件。在设计 本电路时经过查阅器件手册和实际测量的对比分析选用了以下器件： l m 3 2 4 ( 仪用放大电路) l m 3 5 8 ( 完成滤波和放大功髓) c d 4 0 4 6 ( 完成 心电信号的调制) 对与这些器件都是一些比较传统的器件，所以在此不 加以说明。 c p u 控制部分主要完成对心电数据的采集、存储及回放功能。心电 信号的最高频率为l o h z 左右，按照采样定理，要不失真的恢复原信号， 采样频率必须大于信号最高频率的两倍以上，这样采样的最低频率应大 于2 0 h z ，然而从心电信号的实际波形可以看出，再每次出现心电信号跳 变的时间都比较短，为了尽可能的采到该跳变过程，实际采样频率至少 应大于l o o h z ，这样对于一般的逐次逼近型摸数转换器件都可以满足要 求。对于数模转换和数据存储都没有什么特殊的要求，因此采用一般的 数模转换器件和e p r o m 就可以满足电路的要求。 3 3 便携式心电仪硬件系统工作原理 3 3 】5 0 h z 陷波器的设计 带阻滤波器是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段外的有 用所有信号通过。在生物电信号提取的过程中，为了去除人体或测试系 统中产生的5 0 h z 干扰，常用带阻滤波器予以抑制。带阻滤波器又称陷波 器，当5 0 h z 干扰严重而无法工作时，用5 0 h z 为中心频率的陷波器把5 0 h z 成分滤除，并保证下一级放大器工作在线性区。 利用双t 网络和运算放大器构成的有源双t 带阻滤波电路，是作为 9 抑制生物信号测量中的工频5 0 h z 干扰而经常采用的陷波电路结构。 首先我们分析双t 网络的频率响应。 苛 一h 一+ v ( a )( b ) 图3 - 1 双t 选频网络( a ) 电路( b ) 等效电路 1 双t 网络的频率响应 为了讨论方便我们设信号源内阻近似为零，负载电阻为无限大，则 双t 网络可画成如图3 1 ( a ) 所示。利用星形一三角形变换原理，可以将 图3 - 1 ( a ) 所示的双t 网络简化为图3 - 1 ( b ) 所示的等效电路。因此有 z ，= 百2 r ( 丽1 + s r c ) = l + s 2 r 2 c 2 ( 3 1 ) 乞毋如爿= 如剖 伍2 ， 或 ，( ，) = ( 3 3 ) ( 3 4 ) 1 0 壶k 盟嘲 一 州 艇 则 考 式中的国。= 1 r c 、s = j a ，。由式3 4 可知，当m = 彩。时，= 0 ，即 信号频率等于它的特征角频率m 。时，电压传输系数f 为零这体现了双 t 网络的选频作用，由式3 4 可求出其幅频响应、相频响应的表达式分 别为： i f 咖l = 旷a r c t g 籍吒q 乃一j 等( 当导( 1 卜 矿毗籍喏m ( 3 5 ) 时) - 1 i i( 3 6 ) f 时) j 根据式3 5 、3 6 可画出双t 网路的频率响应，如图3 - 2 所示 ifu 伽l i 、i厂一 l 9 0 0 0 0 、 i 昏o 口n o ) 嘲 图3 2 双t 网络频率响应特性曲线 ( a ) 幅频响应( b ) 相频响应 由图3 2 可知，当w c o 。= l 时，幅频响应的值等于零。这点也可以从物 理概念上可以得到解释。联系图3 一l ( a ) 可以看出，在低频段，由于2 c 的容抗非常大，所以输入信号经过两个电阻r 直接传到输出端，有 眈j * 阢l 或( | f | = 1 ) ：而在市辉器，。由于c 的容抗非常小，信号通过两 个串联的电群d 传输，同样有眈i z l 或( 例= 1 ) ，只有当频率信号哆等 于它的特征角频率。= 1 r c 时? 暇抗变得副大，才能使电压传输系数俐 几乎为零，且相频特性呈现9 0 0 突变形式。 2 有源双t 带阻滤波电路分析 双t 网络具有选频作用，原则上可以作为某一固定频率的陷波电路， 但其陷波特性很差。首先看幅度衰减l 2 时的阻带宽，由式3 5 、3 6 可 知，对国。= 5 0 尼的陷波，其阻带宽度达1 1 5 h z ( 从1 8 7 5 h z 至1 3 4 h z ) 如果从带阻区的( - - 3 d b ) 点计算，真正的带阻区宽度将更大。此外，双 t 网络的没有带负载的能力。所以为了实现一定的陷波特性，在双t 网 络的后面，加一级运算放大器，构成有源双t 带阻滤波电路，如图3 - 3 所示。 样 图3 - 3 双t 有源带阻滤波电路 运用有源器件的理想条件，并且假设r i “r ，贝l j l o , l 一0 这 以= 彳缸一乩)u o = 乩+ 乩 乩= 七乩0 s 七 以i c m r r 3 这样式( 3 - 2 3 ) 近似为：c m r r * 以，c m r r 3 即两级放大电路的共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第二 级的共模抑制能力。 3 放大器后置级的设计 通过以上分析可知三运放仪表放大电路满足心电信号提取的要求， 所以我们可以采用三运放仪表放大电路作为心电信号前置放大器的前置 级，为了提高其放大倍数和稳定性，在三运放仪表放大电路的后面再加 一级交流放大电路，如图3 7 所示 1 9 图3 - 7 放大器后级电路 此级放大电路的输入端加了一个隔直电容，用于滤掉上一级信号的 直流分量，以避免直流分量对下一级放大的影响。放大电路为正相输入 比例放大电路，其计算公式如下： ( 3 2 4 ) 4 放大器的具体设计 基于上述内容，本设计采用的心电信号放大器电路图如图3 - 8 所示。 图3 - 8 心电信号放大器电路图 由上面分析的可以得出放大器的放大倍数为： a 。：f l + 堡1 生f l + 一r i o1 ( 3 2 5 ) 。l岛j 民l马 三运放仪表的放大倍数为2 0 0 ，下一级电路的放大倍数为2 ，所以放 大器的放大倍数4 0 0 ，加上滤波电路的放大倍数为2 5 ，因此整个电路的 放大倍数约为1 0 0 0 。从而可把o - 5 m v 的心电信号放大到o _ 5 v 。 由放大器的放大倍数公式( 式3 2 5 ) 可确定各电阻之问的比例关系， 再通过试验反复调试最终得到图3 8 所示的具体参数。 小结：放大器的参数选取是通过精心挑选器件和反复试验所获得。 电路有较稳定的增益，输入阻抗可达几十m q ，共模抑制比可达1 6 0 d b 。 能把微弱的心电信号检测出来并加以放大。 3 3 3 低通滤波器的设计 人体的一t l 电信号主要包含在o 0 5 1 0 0 h z 频率范围内，经常被淹没 在各种高频干扰信号之中，为了获得不失真的心电信号，我们应采用低 通滤波电路来滤掉高频干扰。根据实验的情况，我们设计了四阶低通滤 波器来实现这个功能。 高阶滤波器大都用二阶滤波电路级联而成，二阶滤波电路称之为二 阶基本节。我们设计的四阶低通滤波器就是用两个二阶滤波电路级联而 成。所以，要想完成对四阶低通滤波器的设计，首先要完成的是二阶低 通滤波电路的设计。 二阶压控电压源低通滤波电路是滤波电路最常用的形式。如图3 9 所示。它是由两节r c 滤波电路和同相比例放大电路组成，其中同相比例 放大电路实际上就是所谓的压控电压源。其特点是，输入阻抗高，输出 阻抗低。同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益， 即纠+ 鲁 c i 图3 - 9 二阶压控电压源低通滤波电路 ( 1 ) 传递函数 考虑到集成运放的同相输入端电压为 硌o ) ：掣 锄 ( 3 2 6 ) 2 1 而( s ) 与匕o ) 的关系为 = 器 ( 3 2 7 ) 对于节点a ，应用k c l - - j - 得 半一眈妒v o ( s ) p c 一半= o ( 3 2 8 ) 将式( 3 2 6 ) 一( 3 2 8 ) 联立求解，可得电路的传递函数为 彳：v o ( s ) ：丛生一 ( 3 2 9 ) 令 2 壶 3 驴壶 s d 则有么( j ) 。丽a v f o ) n 22：丽aocon2 ( 3 3 2 ) 式( 3 3 2 ) 为二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式其中国。= 1 ( r c ) 为特征角频率，而0 则称为等效品质因数。式( 3 2 9 ) 表明， a o = a ， o 7 0 7 时，将出现峰值，当q = o 7 0 7 和国珊 2 1 情况下，2 0 1 9 j a ( j a , ) a o i = 3 d b ；当缈- - - - 1 0 时，2 0 1 9 i a ( j ) a o i = - 4 0 曲这表明二阶比一阶低通滤波电路的滤波效果好得多。当迸一步 增加滤波电路阶数，由图3 1 0 b 可看出，其幅频响应就更接近理想特性 g 弋 拽l 【- ) ：3 瓤， 图3 - 1 0 低通滤波器的幅频响应 理想滤波器的频响在通带内应具有最大幅值和线性相移，而在阻带 内其幅值为零。实际的滤波器往往难以达到理想的要求。如要同时在幅 频和相频响应两方面都满足要求就更困难。因此，只有根据实际需要， 寻求最佳的近似理想特性。巴特沃斯滤波器在通带内都具有接近理想的 低通滤波器的平坦特性，所以又称为最大平坦性滤波器。这种滤波器的 对幅频响应的要求是：在小于截止频率( - d ，的范围内，具有最平幅度响应， 而在 国，后，幅频响应迅速下降。 巴特沃斯低通滤波电路的特征方程为 h 剖2 击 s s ， 1 十【瓦j 式中的n 为滤波器的阶数。为3 d b 截止角频率。 为了便于进行归一化处理，引用归一化复频率s ( s = s c o 。= j 国国。) 这样在上式中用s j 代替珊珊。则得 4 ( s ) 1 2 - - 岳 根据数学关系式| c + 归f 2 = c + 归x c 一，d ) ，所以有 l 一例2 = a ( s ) a ( - s ) i 蛳，。 一 以2 1 + ( _ 1 y s 2 ” 则爿 扫( _ s ) 的极点应满足 1 + ( - 1 ) “s 2 ”= o 由式( 3 3 8 ) 的根便可求出滤波器的网络函数4 ) 。 令邪) = 志 ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) ( 3 3 9 ) 曰( 研为巴特沃斯多项式，由上式( 3 3 8 ) 可以解出b ( d ，如表3 1 所示。 表3 - 1 ns ( s ) 11 + s 21 + 压s + s 2 3 1 + 2 s + 2 s 2 + s 3 = ( 1 + s ) ( 1 + s + s 2 ) 4 1 + 2 6 1 3 s + 3 4 1 4 s 2 + 2 6 1 3 s 3 + s 4 = ( 1 “8 4 8 s + s 2 i l + o 7 6 5 s + s 2 ) 理的介绍，我们采用二阶节级联的方法设计了截止频率为1 0 0 h z 四阶低 通滤波电路。 对于四阶低通滤波器 彳 ) = 4 b ( 驴矸素雨希而西硐 阻4 。) 式( 3 4 0 ) 中的二阶因子都可以用二阶低通滤波器来实现，最后把它 们级联得四阶低通滤波器。把这些参数值代入前面所分析的二阶低通滤 波器的相应的表达式中，可求出我们所需的四阶低通滤波器的r 、c 的值， 并且我们根据实验结果作出了相应的调整，最后参数见电路图3 - 1 1 所 示。 图3 一l l截止频率为1 0 0 h z 的四阶低通滤波电路 小结：此四阶低通滤波电路是由二阶低通滤波级连由巴特沃斯逼近 获得。二阶低通滤波电路的传递函数的推导和分析相对较容易一些，又 因为巴特沃斯低通滤波有现成的表格可查，这给我们设计带来很大的方 便。此电路截止频率为l o o h z ，阻带特性下降速率大于4 0 d b l o 倍频。 能把高频的干扰可以抑制到忽略不计。 3 3 4 微处理器选择及接口设计 这部分电路主要完成对心电数据的采集、存储等功能。整个电路将 用到控制芯片( a 蹦单片机) 及其外围电路。 1 方案的选择 对于该部分的电路可以有两种设计方案。 方案一：该方案是传统的设计方案，所用器件都是比较常用的器件。 模数转换芯片采用a d c 0 8 0 9 ，该芯片将经过模拟放大及处理后的心电信 号转换为数字信号送到单片机的数据总线上，供c p u 读取；控制芯片采 用a t 8 9 c 5 1 ，由该芯片完成对模数转换及数据存储的控制； 但该电路存在不利于便携式系统缺点。首先该电路所采用的元器件 都是常规器件，其功耗都比较大，这样对于电池供电的便携式系统是不 太现实的：然后从这些芯片的体积来看，由该电路组成的系统的体积比 较大，不便于携带。从以上对该方案的分析可以看出，该电路不适合于 便携式系统。 方案二：随着集成电路的发展，新一代串行总线器件以其体积小， 功耗低，占用计算机资源少而有逐步取代并行总线的趋势，正是由于它 所具有以上所述的特点，该方案所采用的外围元器件全部都是串行的。 而单片机则采用了高速嵌入式a r m ( s 3 c 4 5 1 0 b ) 单片机，它具有功耗低、 速度快、抗干扰能力强的特点，它能让c p u 工作空闲方式下。 经分析，本系统采用方案二。 2 a r m 单片机( $ 3 c 4 5 1 0 b ) 简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁， 适应系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用 性系统。它一般由微处理器、相关支撵硬件、嵌入式操作系统及上层应 用软件系统等组成，用以实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。 嵌入式系统面向于特定的应用，和应用紧密相关相结合，因此它对 硬件和软件有特殊的要求。硬件方面，嵌入式系统要求体积小、重量轻， 成本低、可靠性高等特点，所以其c p u 一般使用专用的嵌入式c p u ( 嵌 入式微处理器或嵌入式微控制器) 。嵌入式微处理器一般以某一种通用微 处理器内核为核心，芯片内部集成了r o m e p r 伽、r a l i 、f l a s h 、i 0 、a d 、 d a 、w a t c h d o g 、定时计数器、串口、总线、总线逻辑等各种必要功能 和外设接口，形成一个完整的小型计算机系统。为适应不同的应用需要， 一般一个系列的嵌入式c p u 具有多种衍生产品，每种衍生产品处理器的 内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置和封状，这样可以使嵌 入式处理器最大限度的与应用需求相匹配，从而减少功耗和成本。本课 题使用的$ 3 c 4 5 1 0 b 是以a r m 7 t d m i 为内核的微处理器，它集成了各种 总线和外设控制器，是一款性价比很高的嵌入式微处理器。 由于嵌入式系统中的f l a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进 行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，本系统没有对存储器进行外扩。 又因为它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编 程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作， 因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器， f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需 要保存的用户数据等。编程电压为单3 3 v 。 s 3 c 4 5 1 0 8 是用在基于以太网系统的高性价比、高性能的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，它以a r m 7 t d m i 为内核，系统工作频率可以达到5 0 m h z 。 $ 3 c 4 5 1 0 b 的系统框图如图3 一1 2 所示： 啦h s c 摆 蛆 m 一i 器 l接口l j 托位幕蜿总缝 l叫患 僵 _ 器基著 l 一 兰 + j 怨 i 工，嘴鲁 i ， 部尊砖 ，纠黼 熏。 叫 稻黪i 请求膻蕃 i i 篡缝路由矗l + i 警 ai 14 掣警 l i t m s c l h刿 亿h - s d a i - 以走阿控制曩 黼+ i1 14 i _ l z o oh - i 缰址h i 噜部d i 直蕃l中断控制曩 + i 控甜台卜- h u a r t o 1l +4 - - - - _ t 龚c “1 2 8 罕节) i 3 2 盘定时暑0 , 1 i - 千 lg d m a 0 ，1 卜- -t lf 器8 哇节，l 叫锴l hf ( 1 醇节l 攮q p 一， 捌-i 1 。 l用千j t 的l p 控制曩i 图3 1 2s 3 c a s l 0 b 功能框图 除了a r m 7 t d m i 核以外，$ 3 c 4 5 1 0 b 比较重要的片内外围功能模块包 括。 一2 个带缓冲描述符( b u f f e rd e s c r i p t o r ) 的皿l c 通道 一1 个1 0 m l o o m 自适应以太网控制器 一2 个u a r t 通道 一2 个g d m a 通道 一2 个3 2 位定时器 一1 8 个可编程的t i o 口 图3 - 1 3 是$ 3 c 4 5 1 0 b 开发板的结构框图，系统与$ 3 c 4 5 1 0 b 为核 心，外部配有存储器模块、电源与时钟模块、串口模块、以太网接口模 块、 t a g 接口、数据采集和系统扩展接口等部分。 图3 一1 3s 3 c 4 5 1 0 b 开发板结构框图 各部分基本功能描述如下： 一串行接口电路用于$ 3 c 4 5 1 0 b 系统与其他应用系统串行通讯，包 括两个2 3 2 口，2 3 2 日也可用于控制口，方便程序调试： 一复位电路可完成系统上电复位和在系统工作时用户按键复位； 一电源电路为5 v 到3 。3 v 的d c - d c 转换器，给$ 3 c 4 5 1 0 b 及其 他需要3 3 v 电源的外围电路供电；系统也提供5 v 供