（生物医学工程专业论文）基于MSP430单片机的便携式动态心电监护仪研制.pdf

硕士学位论文 a bs t r a c t c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ei so n eo fm a i nd i s e a s e st h a tt h r e a th u m a n h e a l t h a n dt h ee a r l yd i a g n o s i sa n dt r e a t m e n ta r ee f f e c t i v ew a y st h a t p r e v e n th e a r td i s e a s e e c gm o n i t o ri sp l a y i n gt h ev e r yi m p o r t a n tr o l ei n a m o n g b a s eo nt h ed y n a m i ce c gm o n i t o rb a s i cf u n c t i o na n df e a t u r e ， t h i sp a p e rh a sd e s i g n e dap o r t a b l ed y n a m i ce c gm o n i t o rb a s e do n m s p 4 30 f14 9m i c r o c o n t r o i l e r i nt h eh a r d w a r ep a r t ，t a k i n gad u a l8 - c h a n n e lm u l t i p l e x e r sm a x 3 9 7 a st h ef o u n d a t i o n ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dt h eh e a r tl e a d ss e l e c t i n gc i r c u i t c o u l ds w i t c ha m o n gt h et h r e es t a n d a r d 1 e a d s ，t h r e ea u g m e n t e d 1 e a d s ，o n e c h e s t 1 e a da n dlm vc a l i b r a t i o nc i r c u i t ；u s i n gi n s t r u m e n t a t i o na m p l i f i e r a d 6 2 0 ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dp r e a m p l i f i e rc i r c u i ta n dd r i v e n r i g n t l e g c i r c u i t ；b e h i n dt h e m ，u s i n go p e r a t i o n a la m p l i f i e r , t h ea u t h o rh a sd e s i g n e d a0 0 5 10 0 h zb a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t 5 0 h zn o t c hf i l t e rc i r c u i ta n dm a i n a m p l i f i e rc i r c u i t ；f i n a l l y t h e a u t h o rh a st a k e nm s p 4 3 0 f14 9 m i c r o c o n t r o l l e ra st h e d i g i t a lc i r c u i tc o r e ，a n di tt a k e sc h a r g ef o rt h e c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o no fi t s p e r i p h e r a lc i r c u i t ；u s i n gl c d c o n t r o l l e rs1d13 7 0 0a n dl c dg 3 2 0 2 4 0 ew i t hr e s o l u t i o n3 2 0 * 2 4 0 t h e a u t h o rh a sr e a l i z e dd y n a m i cr e a l t i m e d i s p l a yo fe c gs i g n a la n d d i r e c t - v i e w i n gm e n us e t t i n gi n t e r f a c e ，a n dw o r k i n gw i t ht h e6 - k e y k e y b o a r d ，t h em a n i p u l a t i o ni ss i m p l e ；t h ea u t h o rh a su s e d2 g bs dc a r d t or e c o r dr e a l t i m ed a t ac o n t i n u o u s l y , a n dt h ed a t ar e c o r d i n gt i m ec o u l d r e a c h1m o n t h ；u s i n gu s bi n t e r f a c ec o n t r o l l e rc h 37 2 t h es y s t e mc o u l d t r a n s m i tt h ed a t ei ns t o r a g ed e v i c et ou p p e rc o m p u t e rc o n v e n i e n t l y i nt h e s o f t w a r ep a r t ，u s i n gs t r u c t u r i n gp r o g r a md e s i g nm e t h o d ，t h ea u t h o rh a s c o m p l e t e dt h ei n i t i a l i z a t i o no fv a r i o u sm o d u l e si nt h ed i g i t a lc i r c u i tp a r t a n dm a d et h e mw o r kn o r m a l l y , a n dt h ea u t h o rh a so p t i m i z e dt h e a l g o r i t h mo fl c d m o d u l ed i s p l a y , a n d g o tt h eg o o de f f e c t a f t e rm a k i n gp r i n t e dc i r c u i tb o a r da n dd e b u g g i n g ，t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eh a sr e a l i z e dt h ea n t i c i p a t e df u n c t i o n ，a n dt h es y s t e mi ss t a b l e a n dw e l l - p e r f o r m i n g ，a n ds a t i s f i e st h er e q u e s to fp o r t a b l ee c gm o n i t o r i i 硕士学位论文 a b s t r a c t s y s t e m t h eo v e r a l ls y s t e mi ss m a l l ，l i g h ta n dc o n v e n i e n tt oc a r r y , a n di s s u i t a b l et ou s ei nf a m i l i e s k e yw o r d sd y n 删ce c gm o n i t o r i n g ，m s p 4 3 0 f1 4 9 ，p o r t a b l e i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者躲避魄哗年月竺日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 名：弛聊签名啦隰号一上日 硕士学位论文第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一【1 2 】。据统计，世界上每年平均 有几百万人死于心血管疾病，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能 及时发现病变从而延误了治疗，可见心脏病已成为危害人类健康的多发病常见 病，因此心脏系统疾病的防治和诊断是当今医学界面临的首要问题。 国际上医学界人士能够通过研究心电信号的特征、规律，对部分相关病变 做出早期预测并及时诊断；因此准确的进行心电信号提取，为医生提供有效的 辅助分析手段是重要而有意义的课题【3 训。 随着电子技术的迅速发展，近年来，医用电子检测、监护系统等已经在临 床中普遍应用【5 川。这类仪器是以心电图作为首位监护参数的，所以也称为心电 监护。常规心电图是病人在医院静卧情况下由心电图机记录下来的心电活动， 有1 2 个导联，反映了额面和横面上的心电变化，可以从多个角度观察到心脏的 活动情况【8 。9 】。对心肌梗塞、早搏、左前分支阻塞和左后分支阻塞等进行定位诊 断，是心脏病诊断的重要手段之一，但是常规心电图仅记录6 , - - 1 0 0 个心动周期， 历时仅仅几秒至一分钟不等，只能获取较少有关心脏状态的信息，对于一些突 发性心电变化就力不从心了。一个正常人一天2 4 小时心搏数达1 0 万次以上， 在有限的时间内，正巧记录发生心律失常的概率是非常相当低的，尤其是一些 阵发性心律失常，即使病人有自觉症状，但在做常规心电图检查时也往往难以 捕获。研究发现，检测一分钟心电图只能检出1 0 病人的心律失常，而2 4 小时 的检测则可达到8 5 9 0 。在人的日常活动过程中进行心电监护，长时间不间 断的记录得到的动态心电图，包含各种情况下的心电图形。这样它就能发现常 规心电图检查时不易发现的短暂心律失常和心肌缺血，并且还能进一步计算它 们发作的频率，分析引起它们发作的条件【l 仉1 1 】。因此，动态心电图有助于诊断心 律失常和心绞痛；有助于鉴别胸痛、心悸、头晕和昏厥是否由心脏原因所引起： 可作为心肌梗塞病人康复期的检测；可用于细致研究抗心律失常和抗心绞痛药 物的疗效；也用作观察人工心脏起搏器的治疗作用，从而大大提高临床心电图 诊断的价值。实践表明，应用动态心电监护进行长时间连续心电记录，其2 4 小 时动态心电图检查对冠心病心肌缺血的检出率为7 0 9 0 。对症状不典型、常 规心电图检查正常或仅有轻微改变、运动试验阴性或可疑阳性的可疑冠心病人、 不稳定性心绞痛的病人非常有用，对于冠状动脉痉挛引起的无症状性心肌缺血 硕士学位论文第一章绪论 等症，尤其有效，而且这些都是常规心电图检查难以发现的。此外，由于动态 心电监护能比较不同生理或病理状态下的心电信号变化，还可用于医学研究， 例如取得正常情况下的各种心电数据，与特定状态下的相应数据进行对比分析 等等。由此可见，它的用途是相当广泛的。动态心电监护不但使心电变化的检 出率发生了量的飞跃，还能把那些平静、仰卧状态下不会出现的心电变化揭示 出来，并能了解这些变化与心律、日常生活、症状、体位等以及其它心电活动 变化之间的关系，将心电图的临床应用提高到一个新阶段。由于心电监护能及 时捕捉心律的各种异常变化，使医生能对病情了如指掌，旦病症出现就能及 时采取治疗措施，从而有效的降低死亡率。因此，能够记录病人2 4 小时活动过 程中的动态心电数据，给医生提供具有诊断价值的资料，对于心脏功能的评价， 心脏病的早期诊断非常有益。 由于动态心电监护仪其价格的高昂以及我国人口的众多，经济的落后，到 目前为止，我国县级医院大多数仍没有配备动态心电监护仪，乡镇医院除少数 经济条件特别好的外，其余一般医院均未配备动态心电监护仪，即使在部分城 市中，人口密度大，患者数量不在少数，而医院中的动态心电监护仪数量有限， 无法因而使得绝大多数人没条件使用这种仪器，错过了及早发现和治疗心血管 疾病的时机。需要一种既物美价廉，操作方便，又可满足临床要求，以适合我 国广大家庭中使用的同类产品，同时可考虑与省级大医院的高档动态心电图相 兼容，与之能配套使用【1 2 1 。 因此，研究和发展动低功耗、便携式、低成本的动态心电监护仪具有重要 的意义和广阔的应用前景，其既能够为临床诊治提供有价值的诊断资料，同时 对心脏疾病的早期预防和心脏功能的评估也非常有益。 1 2动态心电监护仪的发展现状 早在1 8 世纪就已经发现肌肉收缩时会产生电现象，但由于当时科学水平低， 不能定量研究由心肌收缩所产生的电压。知道1 8 8 7 年，w a l l e r 用1 8 7 2 年l i p p m a n 所制作的毛细管静电计以无创伤的方法记录了体表心电图。1 9 0 3 年e i n t h o v e n 把 弦线电流计引入到心电描记术中，记录了心电图。到1 9 2 0 年后，弦线电流计与 电子放大技术结合，使体积和重量大为减小【1 3 】。 如今，随着电子技术和软件技术的出现和发展，心电监护仪在体积、功耗、 功能方面也有了长足发展。2 0 世纪7 0 年代中期记录器更趋于小型化，记录时间 更长( 2 4 4 8 h ) ，回放系统开始采用自动分析程序，并能够准确计算心率、异位 心搏和s t 段改变。2 0 世纪8 0 年代中后期，随着微型计算机和微处理器的应用， 2 硕士学位论文 第一章绪论 开始出现具有实时分析功能的多通道多功能( 起搏分析、心电监护) 的磁介质 记录器，并且回放系统使用了计算机，使分析运算的准确性和速度均显著提高， 打印系统已普遍采用激光打印机，从而使分析报告和图形日趋完善【1 4 16 1 。 2 0 世纪9 0 年代后，随着电子技术的飞速发展，运用大规模集成电路、大容 量固态数码记录等全新技术，在信号采集与数据分析质量方面有极大改进，尤 其电子介质存储器的发展，现在已多采用f l a s h 、电子硬盘，其特点是体积小、 佩戴舒适、存储容量大、，1 1 , 电波形保真度高等。近些年来，在心电信息处理方 式方面由模拟式动态心电监护仪向智能化式动态心电监护仪转变，目前智能化 动态心电监护仪己在临床得到广泛应用，其是一种随身携带的记录仪，连续检 测人体2 4 7 2 小时的心电变化【1 7 - 2 3 1 。 进入2 1 世纪之后，动态心电监护系统的意义和价值已经得到了越来越多的 关注和认可，相应设计的也越来越多，而且具有各自的特点：采用当今高速发 展的无线网络g s m 、g p r s 和c d m a ，提高了系统的报警及时性和全面性，使 相关医务人员在第一时间得到病情资料【2 4 。2 7 】；采用u s b 接v i 、蓝牙接口以及 z i g , b e e 接口的传输方法，让系统与上位机通讯更加快速方便【2 舢3 0 】：采用数字信 号处理器( d s p ) 以及a r m 作为处理核心，以强大的运算能力处理心电信号， 省去大量模拟硬件电路 3 1 - 3 3 】：采用图形操作系统，如嵌入式、u c o s i i 等，作为 心电监护系统，为用户提供了友好界面，直观方便【3 4 3 6 】；存储器向着大容量发 展，对于心电信号的存储显得游刃有余，为用户保存数据提供了方便吲；对低 功耗的技术的深入，大大延长了系统的工作时间【3 8 】；将其他生理参数监护集成 于动态心电监护系统中，实现了一机两用甚至多用，为有特殊需求的患者提供 全面的监护p 9 】；分析系统的发展促进了动态心电监护系统的智能化，大大减少 人工劳动 4 0 - 4 3 】。 经过5 0 年的发展，动态心电监护仪的功能和性能早已今非昔比，并且朝着 人性化的方向发展，已经成为临床上一种不可缺少的医用电子仪器，对医疗事 业的发展有着重大的意义。 1 3研究意义 基于对动态心电监护系统研究背景和国内外研究现状的讨论，可以看出便 携式动态心电监护系统的研究具有非常重要的意义。 在我国，心血管疾病逐年上升的趋势随着人民生活水平的提高、肥胖人群 的增加而呈现加速，加上人民的保健意识也逐渐增强，因此需要一种可家庭自 用，且具有功耗低、存储量大、可显示等特点的便携式动态心电监护仪满足市 3 硕士学位论文第一章绪论 场需求。 该便携式动态心电监护仪的出现主要有以下几个意义： ( 1 ) 普及心电监护在家庭中的使用，缓解医院有限资源的压力： ( 2 ) 该仪器采用电池供电，并采用低功耗设计，可长时间工作，加上便于携 带，满足现代人对生活得要求： 总之，该便携式动态心电监护仪的成功研制，将为我国的家庭保健做出相 应的贡献。 1 4论文结构 第一章绪论。本章介绍了课题的研究背景以及当前发展状况，然后针对前 面的讨论，提出和讨论了本文的意义。 第二章便携式动态心电监护系统总体设计。本章从两个方面提出了系统的 设计要求，并根据要求设计了设计任务，最后将系统总体分四个部分，并分别 介绍系统总体的框图设计。 第三章硬件设计与制作。本章将系统分成硬件和软件两大部分分别介绍。 在各部分中，又以模块为基本单元进行详细介绍。 第四章软件设计与调试。本章结合数字电路部分的模块，依次介绍其软件 程序设计，最后针对液晶使用过程中出现的问题，着重优化显示程序，并提出 了相应的优化算法。 第五章总结与展望。本章总结了本文研制过程中所做的工作，并提出了系 统的改进和扩展思路。 4 硕士学位论文 第二章便携式动态心电监护系统总体设计 第二章便携式动态心电监护系统总体设计 2 1设计要求 本文将便携式动态心电监护仪的设计要求分为两个部分来介绍， 是动态心电监护的基本功能要求；第二部分是便携设备的基本要求， 节分别进行介绍。 2 1 1基本要求 第一部分 下面分两 根据实际临床应用，基本动态心电监护系统必须达到如下要求： ( 1 ) 高位数的a d 转换器采集； ( 2 ) 液晶显示，以便观察； ( 3 ) 数据存储，以便后期回放和分析。 2 1 2 便携性要求 结合便携式设备和动态心电监护系统各自的特点，本系统在总体结构设计 时遵循以下要求： ( 1 ) 电池供电 便携式设备大多只能依靠电池供电。设计时应根据设备的使用环境，充分考虑 电池供电的负载能力和连续工作时间。目前，可采用普通干电池供电，以利于 随地采购。对于开机时间长、电流消耗大、数据采集与处理频繁的便携式设备， 可采用锂电池供电。 ( 2 ) 低功耗 由于采用电池供电，便携式设备的低功耗设计显得尤为重要。设计中应尽量采 用低电压、低功耗器件，降低电路的电能耗，在电池电量固定的情况下增加仪 器工作的时间，并根据不同的功能允许一些器件进入休眠( 低功耗) 状态，采 取积极措施降低系统功耗。 ( 3 ) 操作性 目前大多数医护人员对计算机的操作掌握有限，因此具有良好的人机界面和系 统的易学、易用是对系统的基本要求。 ( 4 ) 通讯接口 随着医学信息的网络化，需要医学仪器通过接口将医学信息传送到p c 机，通过 医院的网络就可以实现对医学信息的分散收集、统一管理、信息共享，从而提 5 硕士学位论文第二章便携式动态心电监护系统总体设计 高医院的工作质量和工作效率，这也是当今数字化医院的建设方向。 2 2研究任务 本文中所设计的便携式动态心电监护系统为满足上述要求，具体任务内容 如下： ( 1 ) 设计心电信号采集电路，对从心电输入电极获取的心电信号进行滤波、 放大等处理，其中滤波包括有效抑制5 0 h z 工频干扰和高频干扰，去除信号中的 直流成分，最大限度的保证所获取的心电信号质量： ( 2 ) 设计心电信号调理电路，把从a d 转换器得到的数据送至单片机处理， 通过单片机外围电路扩展存储、显示、传输等功能； ( 3 ) 设计单片机程序，结合硬件电路编写心电显示、监护、存储等程序。 上述的设计任务主要是满足动态心电监护系统的基本功能，本文在这些基 本功能增加具有自己特色的设计，比如： ( 1 ) 实现3 个标准导联、3 个加压导联和一个胸导联采集，以满足更多人群 的要求； ( 2 ) 计时； ( 3 ) 方便： ( 4 ) 的价值； 采用内置锂电池方式，可以不用担心实时时钟芯片因为更换电池而重新 采用墙上适配器和u s b 两种方式对电池充电，符合使用者习惯，简单 强调便携式的同时，必须着重低功耗方面的设计，才能使便携式有真正 ( 5 ) 强调系统的人机对话，采用大尺寸、高分辨率的液晶使液晶显示让用户 感到更亲切。 2 3总体设计 动态心电监护系统由硬件和软件组成，其中硬件由模拟电路、数字电路和 电源三大部分组成，本文按顺序对这三部分分别进行介绍，最后单独介绍软件 的总体设计。 2 3 1 模拟电路部分 由于本文采用锂电池供电，所以通常使用在常规动态心电监护仪中的输入 级的保护电路可以省去，使得电路简单了许多。 该部分主要是消除心电采集时，可能存在的各种干扰对采集效果的负面影 6 硕十学位论文第二章便携式动态心电监护系统总体设计 响4 4 1 。心电信号经电极片和导联线传输到电路板的缓冲放大器，接着进行调理 与采集。该部分分为五个模块：威尔逊网络电路、导联选通缓冲电路、右腿驱 动电路、放大滤波电路和a d 转换电路。模拟电路部分模块框图如图2 1 所示。 图中导联选择缓冲电路需要单片机3 个普通i o 引脚的控制。 2 3 2 数字电路部分 人体电极 威尔逊网络 j 土 查坚墅垫 导联选择缓冲电路l干 二二匕l 仪表放大器卜_ j 二二工二 滤波放大电路i 二二工二二 a d 转换 弋忑i 单片机 单片机外围电路 图2 1 模拟电路部分模块框图 心电模拟信号由片内a d 转换器输入转换成数字量后，供数字电路部分使 用。数字电路部分是围绕着单片机进行设计，其外围电路包括5 个主要模块： s d 卡、液晶控制器s 1 d 1 3 7 0 0 、u s b 接口c h 3 7 2 、实时时钟d s l 3 3 7 和6 键键 盘。数字电路部分模块框图如图2 2 所示。 调理电路 a d 模块 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机 s d 卡 键盘 图2 2 数字电路部分模块框图 7 液晶g 3 2 0 2 4 0 e u s b 接口 釜一 硕士学位论文第二章便携式动态心电监护系统总体设计 2 3 3 电源部分 电源的主要职责就是为整个系统提供稳定可靠的电压，在保证电压稳定的 同时，追求更小波纹和和更大电流输出负载。电源模块主要是为围绕着主电源 芯片l t c 3 5 6 6 构建，配合t p s 6 1 0 4 0 和t p s 6 0 4 0 0 ，得到3 种不同的电压：+ 3 3 v 、 3 3 v 、+ 2 4 v 和常通+ 3 3 v ，分别用于系统中不同的场合。电源部分模块框图如 图2 3 所示。 图2 3 电源部分模块框图 图中的部分虚线表示其并非系统一部分，仅仅表示仪器需要使用它们时才 有。箭头方向表示电流流向，由于锂电池存在充电与放电过程，故采用双向箭 头，其他均为单向箭头。模块工作原理及电路图将在下一章详细叙述。 2 3 4 软件部分 软件是无法脱离硬件独立工作的，它必须以硬件为载体，发挥其功能，其 中的载体就是系统中的核心单片机。单片机有了软件的支持就可以实现相当人 类大脑的工作，支配和管理外围电路有条不紊的工作。 本系统中的软件结构清晰，层次简单，软件部分工作流程框图如图2 4 所 示。 8 硕士学位论文 第二章便携式动态心电监护系统总体设计 图2 4 软件部分工作流程框图 本流程图包括了系统启动前后的总体工作，开机后系统自行完成，无需用 户干预。 2 4本章小结 本章从两个方面提出了系统的设计要求，并根据要求设计了设计任务，最 后将系统总体分四个部分，并分别介绍系统总体的框图设计。 9 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 第三章硬件设计与制作 3 1模拟电路部分 3 1 1电极和导联线 电极的选择对信号的采集是非常重要的一个环节【4 5 】。有下列几个选择原则： ( 1 ) 灵敏度高； ( 2 ) 电极失调电位低； ( 3 ) 电极噪声低； ( 4 ) 电极极化效应低； 为了达到上述的要求，采用a g a g c l 材料制作的电极所达到的效果最好， 市面上的电极通常都是采用该材料制作，其次选择舒适度较为良好的，让患者 长时间佩戴不会产生不良反应。 导联线是心电信号在电路中所经过的最长的一段，其质量好坏也将直接影 响信号的质量，因此选择一款高质量的导联线也是非常重要的。使用具有屏蔽 作用的导联线是最好的选择。本文采用的导联线为6 线，分别为l a 、r a 、l f 、 r f 、c 和线缆屏蔽，线缆屏蔽与大地相连，能够很好屏蔽噪声和电磁干扰对信 号的影响。 3 1 2 威尔逊网络 w i l s o n 提出了威尔逊网络【蛔：威尔逊网络是由9 个电阻组成的平衡电阻网 络，6 个2 0 k f l 的电阻r l 组成三角形，3 个3 0 k i 的电阻r 2 组成星形，如图3 1 。 图3 1 威尔逊网络原理图 1 0 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 值得注意的是，由于威尔逊网络中使用的电阻阻值与人体电阻( 约 l k 1 0 0 k 0 ) 大小相当，若将威尔逊网络与人体直接相连，必然大大影响人体体 表电压的准确性，因此在输入威尔逊网络之前，必须加入电压缓冲器，提高输 入阻抗，降低输出阻抗，使威尔逊网络与人体彻底隔离开。 威尔逊网络的3 个顶点分别与左臂( l a ) 、右臂( r a ) 、左腿( l l ) 电极相 接，三角形各边的中点是加压肢体导联的相应参考点( l + r ) 、( l + f ) 、( i h f ) ， 星形的中点是威尔逊网络中心端( l + r 卜f ) 。 使用威尔逊网络配合导联选择，既可减小均压电阻对心电信号的衰减，又 不影响放大器的输入阻抗。通过电位分析可知，威尔逊网络的中心端的电位与 人体电偶中心点的电位相等，即均可视为零点位。 3 1 3 导联选择 本文出于成本及功耗考虑，未采用7 导联同步采集，而是通过模拟复选器 ( m u l t i p l e x e r s ) 来实现对多路信号的切捌4 7 1 。 7 导联需要7 路信号通道，加上i m v 定标信号，一共8 路信号，所以选择 芯片时，需要两片8 选1 的模拟开关，或一片双通道的8 选l 。从集成度、p c b 面积以及布线复杂程度等方面考虑，本文采用了后者，并选定美信公司研发生 产的m a x 3 9 7 芯片。该芯片的内部结构如图3 2 所示，其中逻辑地址选择端 a 0 、a 1 、a 2 与单片机i o 引脚相连，用于选通所需采集的信号对，原理同3 8 译码器，例如当e n 为“1 ( 高电平) ，a 0 、a 1 、a 2 全输入“0 ”( 低电平) 时， 同时选通n o l 的a 和b 。 柏射 船 尉 图3 2 m a x 3 9 7 内部结构图 |重怒嚣唧器搿裟委重哪 硕士学位论文 第三章硬件设计与制作 从图3 2 可以看出，数字相同的端口a 和b ，它们的开关状态是相同的， 即同为开或关，将称之为“模拟开关对 ，因此在设计过程中，我们只须将测量 目标的两个导联源分别与模拟开关对的两端相连即可，电路图如图3 3 所示。 图3 3 导联选通缓冲电路图 表3 1m a x 3 9 7 地址译码表 图3 3 中的输出玳和+ 斟与下一环节的仪表放大器的输入矾和+ i n 端相 连。在本设计中，由于模拟电路对电源中的纹波尤为敏感，为了将电源纹波对 1 2 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 模拟信号的影响降至最低，因此模拟电路中每个模块的电源入口均使用1 0 u f 和 1 0 0 n f 电容作为去耦电容去除纹波，在后续的电路模块设计中，都使用了该方式 去除电源纹波，不再复述。 最后使用地址译码的方式实现了不同模拟开关对的输出选择，进而完成 了8 种不同输出信号的选择功能。具体逻辑地址与输出信号选择的关系如表3 1 所示。 表中的输出信号含有7 路导联和l m v 定标信号，7 路导联分别是三个标准 导联i 、i i 、i i i ，三个加压导联a v r 、a v l 、a v f ，一个胸导联c ，主要用于测 量体表心电信号。l m v 则是用于调节仪器因环境而产生的内部参数变化，使仪 器工作在标准状态。本设计中的l m v 是以单片机内置电压基准+ 1 5 v 为基础， 进过电阻分压得到的，但该电压基准不能直接用于产生l m v ，这是因为其并非 一个理想电压源，需要采取一些措施，降低其输出阻抗。本文采用了串联电压 跟随器的方式，降低输出阻抗，使得该电压基准+ 1 5 v 稳定。影响电压基准的另 一个因素是放大跟随器温度漂移。本文采用了凌特( l 矾e a rt e c h n o l o g y ) 公司的l t 6 0 8 8 运算放大器。该放大器的典型温度漂移为5 u v ，设常温为2 5 ，温漂为1 2 5 u v ，相对+ 1 5 v 来说，可以忽略不计【4 引。使用一个模拟开关用于 产生方波，其导通也由单片机i o 引脚控制，本文选择了安森美( o n s e m i c o n d u c t o r ) 公司的单刀双掷开关n l a s b 3 1 5 7 ，其最大导通电阻仅3 f l ，适 用于控制微弱信号的通断【4 9 1 ，整个l m v 定标电路如图3 4 所示。 图3 4l i i l v 定标电路图 图3 4 中，r e f + 1 5 v 单片机内部电压基准产生并由相应引脚输出，经过 电压跟随器后，除了为l m v 定标电路提供稳定的电压，还为后续电路滤波放大 电路提供了虚拟地的功能，由v i r t u a lg r o u d + 1 5 v 表示。2 h z 信号由单片 机的定时器产生波形，并设置其周期为0 5 s ，便于在调节过程中观察波形。 1 3 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 n l a s b 3 1 5 7 由b 0 或b 1 端输入，a 端输出，其中b 0 和b l 由s e l 端的电平决 定：s e l 为“o ”时，信号由b o 端输入，否则由b l 端输入。 在电路初期调试过程中，先将s e l 端抑制置于高电平，使得n l a s b 3 1 5 7 选通输出+ 1 5 v ，再通过调节1 k 电位器，使电路输出l m v 。此处需要一个测量 精度为m v 级的万用表进行测量，保证测量的精度。 3 1 4仪表放大器和右腿驱动 仪表放大器采用了模拟器件公司( a n o l o gd e v i c e ) 研发生产的a d 6 2 0 。 这是一款通用的仪表放大器，在接近l k h z 共模抑制比高达1 0 0 d b ，5 0 u v 的最 大输入失调电压，l n a 的最大输入偏置电流，0 6 u v 的最大温漂，性能足够满 足本文设计中的要求【5 们。 仪表放大器的放大倍数由主要两个因素决定： ( 1 ) 仪表放大器的最大输出电压摆幅； ( 2 ) 某增益倍数下的共模抑制比，通常共模抑制比随着倍数增大而增大。 心电信号是非常微弱的信号，幅值通常在o 5 2 m v ，这个差分信号叠加在 由电极和皮肤接触所产生3 0 0 m v 的直流电压分量之上，其中还包含着由电极 和地之间电势所产生的1 5 v 的共模电压。本文中采用了3 3 v 电源为模拟电路 供电，仪表放大器的电压摆幅为2 2 v ，故使用设计该仪表放大器时，可能最大 增益倍数为 ，、， g a i n = 竺= 7 3 3 公式( 3 1 ) 懈2i 鬲2 ， 公瓦( 3 1 ) 而a d 6 2 0 的增益倍数公式为 g a i n 兰坐+ 1公式( 3 2 ) 只 经计算，当r = 7 8 k f l 时，恰好能使增益倍数达到最大限度，故本设计中使 用两个3 9 k f l 的电阻，在初级调试过程中，取得了理想的放大效果。本设计并 未使用单一7 。8 k f l 的电阻，作为放大电阻，这是因为右腿驱动工作原理的原因 而必须将电阻一分为二，具体原因在右腿驱动中介绍。 在动态心电监护仪中，右腿驱动电路是一个必不可少的部分，主要出于两 个方面： ( 1 ) 5 0 h z 工频干扰抑制； ( 2 ) 保护病人。 在右腿驱动这部分电路中采用了模拟器件公司的o p 2 1 7 7 ，其内置了两个高 精度低噪声的运算放大器【5 1 1 。右腿驱动的工作原理是将由人体体表获得的共模 电压通过负反馈放大的方式输回人体，从而达到抵消共模干扰的作用，从根本 1 4 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 上抑制共模电压，这也就解释了仪表放大器中的放大电阻为什么采用双电阻设 计，共模电压只能由仪表放大器的中间电压提供，因此采用双电阻方式。选定 其中的反向增益倍数为2 4 0 k 1 2 k = 2 0 ，电路如图3 5 所示。 图中s h i e l d 和r f 分别与导联线的屏蔽端和右腿驱动端相连，玳和+ 烈 与上级电路中的相应位置连接，o u t 则与下级电路的输入端相连。 3 1 5信号调理 图3 5 仪表放大器和右腿驱动电路图 心电信号的频率大约在0 0 5 1 0 0 t - i z 之间，所以需要一个低通滤波器来消除 高于1 0 0 h z 的高频噪声以及一个高通滤波器用于滤除低于0 0 5 h z 的低频噪声。 滤除低频和高频噪声，本文分别采用一阶高通滤波器和二阶低通滤波器，其截 止频率为 f 壶 公式( 3 - 3 ) 将o 0 5 h z 和1 0 0 h z 代入式中，得出带通滤波器参数，如图3 6 所示。 图3 6 带通滤波器电路图 1 5 硕士学位论文 第三章硬件设计与制作 出于功耗和可用性的考虑，本文将仪表放大器以后用于进行信号放大滤波 的部分电路都采用单+ 33 v 供电。 由于采用单电源+ 33 v 如果仍然采用“地”作为模拟信号的电压基准，势 必会造成电压的失真，这时必须将电压基准抬高到适当位置，适应信号的变化， 本文仍然采用单片机内置的电压基准+ 1 5 v 作为此处的电压基准，此处的+ 1 5 v 即为前文中介绍的v i r t u a l g r o u p + l5 v 。本文中的一阶高通滤波器除了具有 滤波作用，兼备信号放大功能，放大倍数为 g a i n = l + 3 3 0 i ( ：1 3 85公式( 3 4 ) 24 k 与之前仪表放大器的增益倍数相乘，可计算出总增益倍数为 g a i n b = 1 3 8 s + 7 3 3 1 0 0 0 公式( 3 5 ) 因此，0l 一2 m v 的心电信号被增大至o1 2 v ，既能满足a d c 的采样幅值要 求，又能不致使信号发生饱和而失真。 为了保证电路的功能实现，故在实际制作之前对以上设计的带通滤波器进 行了仿真，其中使用了国家仪器公司( n i ) 的m u l t i s i m 软件，仿真结果如图3 - 7 所示。 图3 7 带通滤波器a c 小信号分新仿真田 硕士学位论文 第三章硬件设计与制作 从圈中我们可以很清晰的看到，信号在大约0 0 5 h z 和1 0 0 h z 处出现下降， 比正常分别下降3 d b 和6 d b 。由于电路中有放大效果。使得整体信号都有放大， 且允许通过的信号约为4 3 d b 。 为了达到更好的抑制5 0 h z 干扰的目的，本文使用了经典的双t 陷波器，电 路如图3 - 8 所示。 图3 8 鼠t 陷波嚣电路囤 其仿真结果图如图3 9 所示。 图3 - 9 陷洼嚣a c 小信号分析仿真图 硕士学位论文 第三章硬件设计与制作 在实际设计电路时，由于合适的电阻电容非常难以匹配，因此采用了串联 电阻、并联电容的方式进行匹配，使得电阻电容在数值大小方面符合陷波电路 的要求，然而，当电路制作后，对信号的陷波效果并不理想，主要表现在如下 几个方面： ( 1 ) 陷波峰值有所偏离5 0 h z ，即陷波频率不是5 0 h z ： ( 2 ) 在5 0 h z 频率附近出现2 个波谷尖峰。 通过对反复选择电阻电容实验，证明电阻电容的不准确性直接影响陷波电 路的性能，但对于实际调试电路，很难做到电阻电容完全匹配，即使使用了1 高精度电阻电容也会出现偏差，因此在后续的设计中，可以采用可调电阻电容 来代替，使陷波电路性能更好。 3 1 6 模数转换 模数转换是指将现实生活中的模拟量转换数字量的电路器件，转换后的数 字量送至c p u 处理。本文使用的是单片机自带的1 2 位a d c ，功能十分强大。 3 2数字电路部分 3 2 1 微处理器的选型 本系统的核心器件无疑是负责调配各外围部件有序工作的微处理器。在电 子技术高速发展的今天，市场上可供选择的处理器有很多种，最常见的有单片 机、d s p 、p l c 、a r m 等。处理器的选择不仅要看其处理能力，还要考虑其他 一些因素，比如价格、功耗等。这里对功耗需要说明的是，首先，对于一个处 理器而言，活动模式时的功耗必须与其性能一起来考察与衡量，单一的忽略性 能来看功耗是片面的。在计算机体系结构中，是用a m i p s 来衡量处理器的功耗 与性能关系的，这种标称方法是合理的。m s p 4 3 0 系列单片机在活动模式时耗电 2 5 0 u a m i p s ，这个指标非常高( 传统的m c s 5 l 单片机约为1 0 - 2 0 m a m i p s ) 。 其次，作为一个应用系统，功耗是整个系统的功耗，而不仅仅是处理器的功耗。 m s p 4 3 0 系列单片机输入端口的最大漏电流为5 0 n a ，远低于其他系列单片机( 一 般为l 1 0 u a ) 。对于本文而言，我们的目的是设计出一种简便易用的便携式动 态心电监护仪，和大型工业上的实时监控系统有很大的区别。考虑到实际系统 的便携和功耗，因此本文选择的微处理器是t i 公司研发生产的1 6 位超低功耗单 片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 t 5 2 】，其优势和特点如下： ( 1 ) 功耗低 m s p 4 3 0 f 1 4 9 电源电压采用1 8 3 6 v 低电压，r a m 数据保持方式下耗电仅 1 8 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 o 1 u a ，活动模式耗电2 5 0 u a m i p s ( m 口s ：每秒百万条指令数) ，i o 输入端口 的漏电流最大仅5 0 n a 。由于系统运行时使用的功能模块不同，即采用不同的工 作模式，芯片的功耗有明显的差异。m s p 4 3 0 有活动模式a m 和5 种低功耗模式 l p m 0 l p m 4 ，在+ 3 3 v 工作电压下，其运行模式电流消耗典型值为3 4 0 u a ，处 于l p m 3 低功耗模式下，电流消耗典型值仅为2 u a ，是业界功耗最低的单片机 之一，非常适合应用于便携式设备、无人监守设备等场合。在各种低功耗模式 与活动模式之间可由指令进行快速切换，根据实际要求可以使单片机工作在不 同的状态模式下，从而可以使系统的电流消耗更小、电池的寿命更长。另一方 面，它的低功耗实现是依靠两个不同的时钟系统：基本时钟系统和d c o 数字振 荡器时钟系统的打开和关闭实现的。 ( 2 ) 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 片上内置模数转换器a d c l 2 ，可以选择采样时序、转换时钟和工作模式，不依 赖c p u 独立工作，由软件启动，转换完成后结果存储在相应的寄存器中，在计 算时读取即可；芯片集成6 0 kf l a s hr o m 和2 kr a m 存储器，用于存储程序 指令和数据；除此之外，还有模拟比较器、定时器a 、定时器b 、硬件乘法器等 功能模块。可以有效的降低成本，节省空间，减少布线干扰，使得仪器体积小， 重量轻，精度高成为可能。 ( 3 ) 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机，m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用了目前流行的，颇受学 术界好评的精简指令集( s c ) 结构，一个时钟周期可以执行一条指令( 传统 的m c s 5 1 单片机要1 2 个时钟周期才可以执行一条指令) 。 ( 4 ) 系统工作稳定 上电复位后，首先启动c p u ，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振 荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定 最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做c p u 时钟m c l k 时发生故障， d c o 会自动启动，以保证系统正常工作，其运行环境温度为4 0 - , + 8 5 ，运行稳 定、可靠性高、适用于各种民用和工业环境。 ( 5 ) 方便高效的开发环境 m s p 4 3 0 f 1 4 9 片内有j t a g 调试接口，还有可电擦写的f l a s h 存储器，因此采 用先通过j t a g 接口下载程序到f l a s h 内，通过j t a g 接口控制程序起行、读 取片内c p u 状态，以及存储器内容等信息供设计者调试，整个开发( 编译、调 试) 都可以在同一个软件集成环境中进行。这种方式只需要一台p c 机和一个 j t a g 调试器，不需要专用仿真器和编程器。 在本文中，单片机主要是负责如下几个工作： 1 9 硕士学位论文第三章硬件设计与制作 ( 1 ) 对心电信号进行简单的处理； ( 2 ) 控制液晶显示，包括显示实时波形，参数菜单等； ( 3 ) 等待键盘中断，作为整个系统的输入设备； ( 4 ) 使用s p i