（电气工程专业论文）心电模型及其数据传输技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，它具有直观性 和规律性。心脏病是威胁人类生命的主要疾病，因此，心电信号的快速提取与传输 是准确诊断心脏病的首要条件，在临床医学中具有非常重要的意义。 本论文在分析心电信号的特征和心电数据传输类型的基础上，结合电子技术的 最新发展，遵循模块化设计思路，设计出一种心电数据快速传输设备。该设备不仅 能正确采集心电信号，并能对心电信号进行简单处理，同时通过u s b 接口快速传 送数据至上位机。 论文主要做了以下几方面的工作： 研究系统的整体设计方案。 心电采集模块的设计，包括心电前置放大、高通滤波、工频陷波、电平抬 升和主放大、a d 转换和f p g a 采样电路。 中央处理模块的设计，该模块以d s p 为核心，包括程序存储器扩展电路、 液晶显示电路、f p g a 数字信号接口和核心电源电路。 u s b 传输模块的设计，包括硬件电路、软件流程以及u s b 传输方式、数据 编码、信息包格式。 驱动程序设计，包括通讯协议和软件程序模块。 设计数字滤波器并利用传统的心电分析算法来标定心电波形的特征点。 以上各项工作进展顺利，初步取得了成功，基本上达到了设计的要求，为进一 步的产品开发打下了良好的基础。 关键词：心电图，滤波器，d s p ，u s b 英文摘要 a b s t r a c t p e o p l e h a v es t u d i e dt h ee l e c t r o c a r d i o g r a m ( e c g ) s i g n a lf o rm a n y y e a r sa n da p p l i e di t t ot h ed i n i c a lm e d i c i n eb e c a u s eo fi t si n t u i f i o n i s t i ca n dr e g u l a rp r o p e r t y n o w a d a y s ， c a r d i o p a t h yi s o n eo ft h em a i nd i s e a s e st h r e a t e n i n gh u m a n sl i v e s t h e r e f o r e ，t h ef a s t e x t r a c t i n ga n dt r a n s m i t t i n go fe c gs i g n a l a r et h el e a d i n gf a c t o r si nd i a g n o s i n gh e a r t d i s e a s e ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n t i nc l i n i c a lm e d i c i n e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee c g s i g n a l sc h a r a c t e r i s t i c sa n d i t sd a t at r a n s f e rp a t t e r n , a ne q u i p m e n th a sb e e nd e s i g n e dt ot r a n s m i te c gd a t aq u i c k l y , w h i c hc o m b i n e sw i mt h e l a t e s tp r o g r e s so ft h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n df o l l o w st h et h o u g h to fm o d u l a r i z a t i o n d e s i g n n o to n l yc a nt h i se q u i p m e n tc o l l e c te c gs i g n a lc o r r e c t l y , b u tp r o c e s si ts i m p l y a tt h es a m et i m et h ee q u i p m e n tt r a n s m i t se c gd a t at oc o m p u t e r t h r o u g hu s b i n t e r f a c e 1 1 1 em a i ns t u d i e si nt h i sm e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： s t u d y o nt h ew h o l ed e s i g ns c h e m e e c gs i g n a ls a m p l i n gm o d u l ed e s i g n , i n c l u d i n gp r e a m p l i f i e r , h i g hp a s sf i l t e r , 5 0 h z n o t c h 丘h 既e l e c t r i c a ll e v e lr i s i n ga n d p r i m a r ya m p l i f i e r , a d ca n d f p g a c e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ed e s i g n , i n c l u d i n gd s pc o r e 、e x t e n d e d p r o g r a m m e m o r y , l c dd i s p l a y i n gc i r c u i t ，p r i n t e rc i r c u i t ，f p g ac i r c u i ta n d c o r e p o w e r u s bt r a n s f e rm o d u l ed e s i g n , i n c l u d i n gh a r d w a r ec i r c u i t , s o f t w a r ef l o w , t r a n s f e r p a t t e r n , d a t ac o d i n g a n d p a c k e t f o r m a t d r i v e r sd e s i g n , i n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n ds o f t w a r em o d u l e d e s i g n i n gd i g i t a lf i l t e ra n dd e m a r c a t i n gt h ef e a t u r ep o i n t so fe c g w a v ew i t ht h e t r a d i t i o n a le c g a n a l y s i sa l g o r i t h m a l lt h e s ew o r k sh a v eb e e nd o n ea n dt h ed e s i g ng o a li sa c h i e v e ds u c c e s s f u l l y t h a ti st o s a y , t h et h e s i sh a se s t a b l i s h e dag o o d b a s i sf o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r o c a r d i o g r a p h ，f i l t e r , d s p , u s b i l l 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题的研究意义 心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一，它比其他生物 电信号更易于提取和检测，并具有较直观性和规律性。当前，心电信号的提取、心 电数据的传输和处理仍是生物医学工程界的重要研究对象之一。 近年来心脏病仍然是威胁人类生命的主要疾病，世界上心脏病的死亡率仍占首 位。据统计全世界死亡人数中，约有三分之一死于此类疾病，很多病人由于没能及 时发现病变延误了治疗而死于非命。在我国因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人 数的4 4 ，可见心脏病已成为危害人类健康的多发病和常见病，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。国际上医学界人士已经可通过对心电 信号的规律的研究对相关病变作出早期预测和及时诊断，因此准确地进行心电信号 的提取和心电数据的快速传输，为医生提供快捷、有效的辅助分析手段是十分重要 而有意义的课题川。 在临床医学中，经常需要对人体的心电、脑电等信号进行连续的观测、监视和 记录，这就需要对所采集信号的数据进行相应的计算、处理和存储 2 。随着科学技 术的发展，各种监护仪器、治疗仪器也相继出现，其中应用最广泛的是将采集的数 据上传，利用主机来实现对各种参数的处理和图形的动态显示，给人以直观的印象。 数据传输的方式很多，常用的有i s a 、e i s a 、v e s a 、p c i 、s c s i 、a g p 卡以及4 2 2 、 4 8 5 总线板卡等【j 】【4 j 。采用板卡不仅安装麻烦、易受机箱内环境的干扰，而且由于受 计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，不可能挂接很多设备。 随着通信领域和计算机领域技术的不断发展，传统的通信和计算功能已经出现 融合趋势。而且社会的飞速发展使得人们需求交换的信息种类越来越多，数量也越 来越大，这就需要提供一种廉价的、遍布全球的连接手段。但是，长期以来通信技 术和计算机技术是彼此相互独立地发展。能不能提出一种新的技术来实现计算机和 通信设备之间的互连昵? 随着友好的用户图形界面和新的硬件、软件的结合以及与之相对应的诸如p c i 、 p n p 、s i a 和p c m 、c i a 等新一代总线体系结构的提出，已经改变了计算机当初的 不易配置性，重新配置也变得相对容易。但是从用户的角度看，既要使用方便，又 要避免计算机插槽数量和地址、中断资源的限制，这就需要一种双向的、廉价的、 支持高中低速的总线。正是在这种客观需求下，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称 u s b ) 技术得到了飞速的发展。 u s b 技术与当今计算机的发展趋势相适应，能支持热插拔( h o tp l u g g a b l e ) 。 重庆大学硕士学位论文 即把p c 机的外围设备和扩充电路板连接起来，系统可自动分配中断和端口等资源， 而无需用户干预，也不需要关主机电源。因此采用通用串行总线解决计算机插槽数 量和地址、中断资源等这些冲突，实现低成本、高可靠性、大容量的数据传输具有 十分重要的意义口1 。 u s b 总线是一种新型的串行总线，它具有传输速率高、支持异步和同步传输等 特点，支持高达4 8 0 m b s ( 2 。0 版本) 的数据速率，适用于多种数据传输。具有u s b 接口的设备，能够通过u s b 集线器进行级联，一个u s b 接口可以连接多达1 2 7 个 外部设备，结构简单，鳃决了应用中计算机总线插槽不够的问题。u s b 不但对即插 即用支持非常好，更支持热插拔，这些特性使得u s b 设备能够在不断电的情况下 安装并使用。u s b 对数据通过连线传递过程中的所发生的噪音和失真进行了专门处 理，从而使数据在传送过程中可能出现的错误降低到最低程度。 利用u s b 的高速传输特性，实现下位机与上位机的全双工通信，方便地进行 数据的双向传输。这样就可以在上位机写入或者修改下位机程序，使下位机适应各 种接口，具有很强的通用性。 1 2 国内外研究现状 心电数据采集、传输的方式很多。传统的采集方式大体相同，都是采用微处理 器与模拟电路相结合，并对数据进行初步处理。数据传输的方式很多，应用广泛的 是i s a 、e i s a 、v e s a 、p c i 卡以及4 2 2 、4 8 5 总线以及无线传输。但是随着科学技 术的发展以及大量的数据、图像信息传输的客观存在。一些快速传输方式也得到迅 速的发展，其中u s b 技术便是应用广泛的一种传输技术。随着u s b 技术的日趋成 熟，一些带u s b 检测、监护等设备也得到了快速，迅猛的发展。 1 2 1 u s b 的发展史 u s b 是为了解决日益增加的p c 外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制 定的一种串行通信的标准。是由p h i l i p s ，c o n p a q ，h e w l e t t ，i n t e l ，l u c e n t ，m i c r o s o f t 等7 家公司联合制定而成公开的标准。其前身是a c c e s s b u s 规范，a c c e s s b u s 则是由1 2 cs y n c h r o n i c ss e r i a lb u s 发展而来。与u s b 不同的是a c c e s s b u s 使用开 放的收集器的驱动程序，而且a c c e s s b u s 从未在p c 机上使用。u s b 最初版本变 动频繁，在版本经过多次更新后，u s b l 0 发表于1 9 9 6 年1 月。u s b l 1 则修订了 1 0 版本的问题，并且新增一个传输类型( 中断输出) ，于2 0 0 0 年4 月发表，新增 了高速模式，其传输速度能达到1 2 m b s 。 u s b 2 0 是版本更新的一大跃进，它加入了许多高速传输特性支持，传输速度 达到了4 8 0 m b s ，同时，它兼容u s b l 1 ，连接器与电缆都相同，唯一不同的是：如 果要使用最新高速传输，则必须使用u s b 2 0 兼容的主机与连接器。如果将较慢的 1 绪论 外围设备连接到u s b 2 0 兼容的集线器上，集线器会自动转换外围设备的速度与 u s b 2 0 的速度。现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口，m i c r o s o f t 的w m d o w s9 8 、 n t 以及m a c o s 、l i n u x 、f r c e b s d 等流行操作系统都增加了对u s b 的支持 6 】。 1 2 2u s b 的优点： u s b 总线具有一些固有的特点，使它很容易中、低、高速外设的需要。u s b 易于使用，管理和设计，因而得到了广泛的应用。 方便终端用户的使用：u s b 的一个显著的特点就是对用户而言隐藏了技术细节 和大部分的配置操作。u s b 端口电缆都有确定的规格，因而不会在连线时出现混淆。 另外，u s b 技术还支持即插即用功能，并可以进行热插拔。 具有广泛的应用领域：在u s b 总线上，可以同时支持低速( 1 5 m b s ) 、全速 ( 1 2 m b s ) 和高速( 4 8 0 m b s ) 的数据传输；支持异步传输( 如键盘、鼠标) 和同步 传输( 如声音、图像设备) ；可以支持高达1 2 7 个外设。 具有高可靠性：u s b 在协议层提供了很强的差错控制和恢复功能；u s b 总线 与系统完全独立；支持对缺省设备的支持。 操作系统的广泛支持：从最初的w i n d o w s 9 8 ，其后的w i n d o w s 2 0 0 0 ，w i n d o w s x p 都支持u s b ，其他操作系统如l i n u x ，n e t b s d ，以及f m e b s d 也都支持u s b 。 1 2 3 国内外的应用现状 在p c 机上最早提供u s b 支持的是w i n d o w s 9 5 的o e m s e r v i c er e l e a s e2 ，之后 还有修订版：o $ r 2 1 与2 5 。这些并不提供给消费者，而是直接卖给p c 零售商。 在这些版本上的u s b ，功能有限，连接设备不多，限制了u s b 的应用。 从1 9 9 8 年7 月的w 协d o w s 9 8 开始，u s b 外围设备开始陆续出现，同时u s b 也成为最受欢迎的接口。w m d o w $ 9 8 的s e r v i c ep a c k 与第二版，更增强对u s b 的 支持。w i n d o w s9 8 的最初版本叫做w m d o w s 9 8g o l d ，第二版则是叫做w m d o w s 9 8 s e 。其后的版本大多支持u s b ，象w m d o w sx p 以及w m d o w s2 0 0 0 。w i n d o w s2 0 0 0 上的u s b 比较稳定，主要使用在商业上。最新的w i n d o w sx p 以w i n d o w s2 0 0 0 为 基础，同时包含商业用途和家庭使用。 国外应用u s b 开发传输设各已有多年，诸如高清晰数字会议视频设备、新的 彩色扫描仪和彩色打印机、快速存储设备、高速刻录机、宽带x d s l 和c a b l e m o d e m 等。早期将u s b 运用于医疗仪器方面还不是很多，常用的心电图机有的采用无线 传输，有的采用网络传输，更多的采用串口传输。但在数据量、准确性等方面与 u s b 没有可比性。但是近年来，u s b 技术发展的曰益成熟，也促进了医疗仪器的 快速发展，u s b 也逐渐地应用于各种医疗设备中，比如先进的心电图机、心血管参 数测量仪等。国内在u s b 的应用上主要集中在诸如数码相机、m p 3 播放机、高速 数据采集设备等。许多厂家生产的医用设备主要采用串口或者无线传输。如常用的 重庆大学硕士学位论文 有a d 卡以及4 2 2 、4 8 5 等总线板卡。由于u s b 的方便和快速等特点，许多制造商 也逐渐将u s b 运用于实际工程领域。在医疗仪器方面，u s b 也得到了广泛应用， 如一些先进的心电、脑电设备，多参数监护等设备都开始采用u s b ，这些设备在数 据传输速度、数据准确性方面得到了很大的提高。 1 3 本文的主要研究内容 在分析、了解了国内外的心电模型及数据传输的基础上，本文提出了模块化设 计思路，即把本论文分为几个模块来设计：信号采集模块、数据处理模块、数据传 输模块、驱动模块。论文的主要研究工作包括如下几个方面： 比较国内外心电模型，研究心电数据传输的总体设计方案； 设计心电数据采集模块及各种数字信号接口； 设计数据处理模块； 设计u s b 传输模块； 设计驱动程序及通信模块； 研究心电数据分析算法。 4 2 心电数据的采集 2 心电数据的采集 2 1 引言 心电信号是一种微弱的生物电信号，它一般具有以下特点：随机性较强，即信 号无法用确定的函数来描述，而只能是用统计的方法，从大量测量结果中看其规律； 噪声背景强，即要测的有用信号往往淹没在许多无用信号中。常规心电信号的频带 范围是o 0 5 h z 一1 0 0 h z ，在此频带范围内包含了心电信号的主要能量成分。由于心 电信号是m v 级的信号，对于干扰环境而言，它是非常微弱的信号，因此在心电信 号的采集过程中，如何滤出干扰是需要重点考虑的问题。 2 2 心电信号的干扰类型 心电信号是一种低频率的徼弱信号，信号幅度在l o _ v 到4 m v 之间，典型值 为l m v 。频率范围在0 0 5 h z 到2 5 0 h z ，频谱能量主要集中在0 2 5 h z b 5 h z 之间。 由于心电信号直接取自人体，而人体又处在各种纷繁复杂的电磁环境中，所以在心 电采集的过程中不可避免会混入一些干扰信号。常见的干扰有以下几种7 】 8 ： 2 2 ，1 工频干扰 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。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 2 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 会形成一个金属一电解质溶液界面。由电化学的知识可知，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 9 1 。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。 2 2 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 重庆大学硕士学位论文 曲线称为肌电图( e l e c t m m y o g r a p h y , e m g ) 。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，频率为2 h z 到1 0 k h z ( 临床应用上限5 k h z 就足够了) 。 2 2 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5 h z ；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 时心电信号的幅值约有1 5 的变化。 2 3 心电采集模块的整体结构 根据心电信号的特征以及本设计的具体要求，设计了十二导联的心电数据采集 模块，由于十二导联的每一个导联系统仅仅是输入的原始心电信号不同，后面的处 理电路是一样的，因此，在这里仅对一导联的心电采集系统加以说明。一导联的心 电采集模块的功能框图如图2 1 所示。 图2 1 心电采集模块功能框圈 f i g 2 1b l o c k d i a g r a mo f e c g c o l l e c t i o nm o d u l e 模拟信号处理电路接收取自人体的心电信号，采取各种措施滤除干扰，并将心 电信号放大到合适的幅度，单片机控制a d 转换器把心电模拟信号转化为数字信 号，并将数据暂存，在采集完1 2 通道数据后，将心电数据通过并行总线送入d s p 。 2 4 模拟信号处理电路的设计 模拟信号处理电路的任务是从噪声中提取心电信号，并将它放大到合适的电平 提供给a d 转换电路，其电路结构如图2 1 所示。从心电电极得到的心电信号先要 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 0 5 h z 高通滤波器，再到5 0 h z 陷波器，其作用是消除频率为5 0 h z 的工频信 号。工频中的其余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到1 0 0 h z 低通滤波器。心电信号通过陷波和低通滤 波以达到消噪的目的，最后得到较为光滑的波形。 6 2 心电数据的采集 前高陷主低电 置通通平 渡放 放诡滤抬 大搜 器大 波 升 图2 2 模拟信号处理电路框图 f i g 2 2b l o c kd i a g r a m so f a n a l o gs i g n a l sp r o c e s s i n gc i r c u i t 2 4 1 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。本设计前置放大器采用差动放大电路。对前置级的设 计有如下要求【l o 】： 高输入阻抗 图2 3 表示包括电极系统的信号源和差动放大器输入回路的等效电路。 图2 3 心电放大器的输入回路 f i g 2 3i n p u tc i r c u i to f e c ga m p l i f i e r 图中各符号的定义和数值范围如下： 【，。：心电信号电压，1 0 微伏到4 毫伏： r 舻r 。： 人体电阻，几十欧到几百欧； r 舻r ：电极与皮肤接触电阻，几千欧到百多千欧，与皮肤的干湿、清洁 程度及皮肤角质层的厚薄有关： 岛、疋： 电极极化电压，几毫伏到几百毫伏； c 。、e ： 电极与皮肤间的分布电容，几皮法到几十皮法； c 2 。，、c 2 。：信号线对地分布电容，长1 米的电缆线约为几十皮法； 重庆大学硕士学位论文 r 舻r 信号线和放大器输入保护电阻，通常小于3 0 kq ； 足：放大器输入电阻。 图2 3 ( a ) 可进一步简化为图2 3 ( b ) ，其中 z 埘= r 州+ 1 + j 二c o ! r l s l c s l + r 】r ，i + 如l + r 村 ( 2 _ 1 ) z s ：= r p z + t ；蒜+ r n r 舻+ r s 2 + r n 2 2 _ 2 粗略估计，与放大器输入端相连的信号源内阻高达约1 0 0 k q 。设放大器的差模电 压增益为a d ，输出电压为u o ，由图2 3 ( b ) 可得 = 虬乏彘以 ( 2 3 ) 假设互。= t ：= 互，并令爿。= ，爿。表示对心电信号u ，的增益，则 如2 云若以 ( 2 4 ) 如果z ，的值从2 k q 到1 5 0 k q 变化，当z i = 1 m q 时，由式( 2 4 ) 可计算得“d 1 的变化为1 2 8 ；而当z 。= 5 m q 时，a 。的变化下降为2 8 。由此可见，前置级 足够高的输入阻抗对心电信号的稳定放大非常重要。 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指标。为了抑制人体所携带的工 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 。如图2 3 ( b ) 所 示，通过两个电极提取生物电位时，等效源阻抗互。和z ：一般不完全相等，造成共 模干扰向差模干扰的转化。但是，提高放大器的输入阻抗，则会减小这一转化。设 u 。为共模干扰电压，则放大器输入端a 、b 两点的电压分别为： 吩u 一焘心圳“焘 亿s ， 则共模电压转化为差模电压乩- u 。 u a - u b 圳舻“云乏一暑蠢 娌- 6 通常z ， 互；( 五2 ) ，所以 77 u 一u 日z u 竺学 ( 2 7 ) 如果乙，和乏：相差5 k q ( 典型值) ，对于1 0 m v 的共模干扰电压，若要将差模干扰 限制在1 0 v 以下，则放大器输入阳抗f 立在5 m q 以匕。 2 心电数据的采集 低噪声、低漂移 高阻抗源本身具有较高的热噪声，输入信号幅度仅在微伏、毫伏级，所以，为 了获得一定信噪比的输出信号，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 器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。 心电属于低频信号，频带范围是0 0 5 h z 1 0 0 h 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，基线漂 移对测量带来严重的影响，常常使测量也不能正常进行。因此应当采取措施抑制放 大器的零点漂移。 基于上述要求，前置放大器采用同相并联差动放大电路。采用通用的集成运放 来构成这种放大器。如图2 4 所示，本设计采用了a d i 公司的放大器a d 6 2 0 作为 心电信号前置放大器的核心器件。a d 6 2 0 将典型的三运放放大器集成在一个芯片 中，通过器件参数的严格匹配使之达到较高的指标：输入阻抗达1 0 gq ；增益范围 l 到t 0 0 0 连续可调( 通过一只外接电阻实现) ；增益为l d b 时，c m r r 不低于7 3 d b ， 增益为1 0 d b 时，c m r r 不低于9 3 d b ，增益为1 0 0 d b 时，c m r r 不低于1 l o d b ； 输入失调电压小于1 2 5 _ v ，失调电压温漂小于1 卢v ；在0 1 h z 到1 0 h z 范围内 噪声电平不大于0 2 8 掣v ；带宽1 2 0 k h z ( 增益为1 0 0 时) 【l l 】。由此可见，a d 6 2 0 的性能指标是能够满足心电放大的要求的。 r 2 0 3 为增益调节电阻，增益g = 1 + 4 9 4 k f 2 p 。由a d 6 2 0 的技术手册可见， 。、2 0 3 增益越高，其共模抑制比( c m r r ) 越高。所以提高增益是有益的。然而另一方面， 由于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到a d 6 2 0 等“2 + v 。 季磷 o u r 唑卜器水：、。三 r o i n r e f 。莽产k 互。i 图2 4 心电信号前置放大器 f i g 2 4e c gp r e a m p l i f i e r 9 重庆大学硕士学位论文 输入端，若a d 6 2 0 的增益太高，则会使之饱和而失去放大能力。通常前置级 的增益取2 0 到3 0 ，就是为了能够承受几十到一百毫伏左右极化电压的不平衡。况 且当增益大于1 0 时，a d 6 2 0 的c m r r 已大于9 3 d b ，也就是说其本身对共模干扰 已经有足够的抑制能力。 以免干扰电压过高而损坏后面的芯片，在两个差动输入之间各加了两个二极 管，用来限压；为了对工作电源进行滤波，在a d 6 2 0 的正负电源分别接上两个电 容：为了稳定输入信号，提高放大器的共模输入电阻，采用集成运放t l c 2 2 5 4 构 成电压跟随器。前置放大器的输出电压波形如图2 5 所示。 图2 5 前置放大器的输出电压波形 f i g 2 5o u t p u tv o l t a g ew a v c f o r mo f p r e a m p l i f i e r 2 4 2 高通滤波电路 由于电极极化电压的不平衡、前置放大器的失调漂移以及人体的活动等因素， 前置放大器输出的心电信号中除了夹杂着不少的工频干扰外，还有很大的直流或低 频分量，这不仅会引起心电信号的基线漂移，也不利于后续电路的处理。所以本论 文设计了一个r c 高通滤波器来滤除这些直流和低频分量，如图2 6 所示。由于心 电信号的频率下限为0 0 5 h z ，为了不损失其低频分量，高通滤波器的截止频率一 般定为0 0 5 h z ，时间常数f 约为5 3 s 。 f 2 0 7 t t 2 0 1 a 图2 ，6 高通滤波器 f i g 2 6h i g hp a s sf i l t e r 2 心电数据的采集 为了将截止频率，设定在o 0 5 h z ，一般取c z ”2 l “f ，由公式厂2 积：。c ：。， 同时为了适当增加电路的输入阻抗，可以将电阻取值r ：* = 5 m d ，幅频特性如图 2 7 所示。 ，r ： ： 彳 j 图2 7 高通滤波器的幅频特性 f i g 2 7a m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f h i g hp sf i l t e r 2 4 35 0 h z 陷波电路 由于存在以差模形式进入放大器工频干扰和输入回路的不稳定等因素，前置放 大电路输出的心电信号中仍然不可避免地混有较强的工频干扰，由图2 5 也可看出 这一点。为了更好地解决这一问题，采用5 0 h z 陷波器将工频干扰滤掉。通常是用 集成运放、电阻、电容来构成有源r c5 0 h z 陷波器。但理论分析和实际测试都表明， 有源r c5 0 h z 陷波器的频率特性对电路元器件参数的灵敏度要求较高，使得电路的 调试难度较大，同时稳定性不高。为克服这一缺点，本设计采用了美国凌特有限公 司( l i n e a rt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o nl t d ) 的l t c l 0 6 8 5 0 集成开关电容滤波器来构 成5 0 h z 陷波器，取得了较好的效果。由于陷波器设计为单3 3 v 供电，所以陷波 之前需加一级电平迁移电路，即将心电信号叠加在一个合适的直流电平上 1 2 。 本课题选用的l t c l 0 6 8 - 5 0 集成块在一个芯片中封装了四个相同的通用二阶开 关电容滤波器单元，利用它可方便灵活地构成高通、低通、带通、带阻等各种类型 的滤波器。使用开关电容滤波器的一个主要的好处在于滤波器的特征频率( 如高通、 低通滤波器的下限、上限截止频率，带通、带阻滤波器的中心频率) 仅由外部或内 部提供的时钟频率决定，这使得滤波器参数的调整变得很容易。又由于滤波器特性 对时钟频率和外围器件的参数不敏感，所以滤波器性能更稳定。l t c l 0 6 8 5 0 的关 键指标如下：时钟频率一滤波器中心频率比值为5 0 ：l ，正如其型号后缀所表示的那 样；中心频率误差小于0 8 ；有三种供电方式，分别为5 v 、单5 v 和单3 3 v ； 重庆大学硕士学位论文 低噪声，小于7 5 v r m s ；低功耗，单5 v 供电时电流为4 5 m a 1 3 】。 在设计中利用f i l t e r c a d t m 软件，恰当选取陷波器参数，在一片l t c l 0 6 8 5 0 中实现了一个八阶巴特沃兹5 0 h z 陷波器，如图2 8 所示。其中时钟信号由单片机 提供。利用f i l t e r c a d t m 软件对电路进行仿真，能够达到t l l d b ，如图2 9 所示。 实际测试表明该电路对5 0 h z 正弦波的衰减达1 0 0 倍( 4 0 d b ) 左右，效果较为理想a 图2 85 0 h z 陷波器 f i g 2 85 0 h zn o t c hf i l t e r 图2 95 0 h z 陷波器的幅频特性 f i g 2 9a m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f 5 0 h z n o t c hf i l t e r 1 2 2 心电数据的采集 2 4 4 主放大电路、低通滤波和电平抬升 心电信号的幅度一般在i m v 左右，而a d 转换器的输入范围为o 3 3 v ，所 以在陷波之后采用了一级同相比例放大电路来提高增益，电路如图2 1 0 。 图2 1 0 主放大电路 f i g 2 1 0m a i na m p l i f y i n gc i r c u i t o u t 经放大后的心电信号中除混有较高频率的肌电干扰外还有开关电容滤波带来 的开关噪声。为来得到较好的输出信号，本课题设计了一个二阶压控电压源( v c v s ) 低通滤波器，电路结构如图2 “所示。 v e en 图2 1 1 低通滤波和电平抬升 f i g 2 11l o wp a s sf i l t e ra n de l e c m e a ll e v e lr i s i n g 在上图中除了有低通滤波器外，还有电平抬升和抑制基线漂移的电路。在心电 信号的提取中，基线漂移是不可避免的，必须在硬件或者软件上加以处理，否则， 就会使输入a d 的信号饱和，从而得不到真正的心电信号。由于基线漂移的频率极 低，可以认为是一个直流信号，故在低通滤波器之前加了一个1uf 的电容c 2 1 0 ， 用来隔直通交。用示波器测试表明，当出现基线漂移后，能够很快得到 回复。由于 a d 转换是单3 3 v 电平供电的，而经过前面一些信号处理后的心电信号依然是交 变信号，因此，必须在把信号送到a d 转换之前，把电平给抬升上去。这里采用了 一个2 5 v 的稳压管l m 3 8 5 经电阻分压、跟随后加到运放的反相端，从而把电平抬 升上去。压控电压源( v c v s ) 低通滤波器是具有同相( 正) 增益的晟常用的低通 重庆大学硕士学位论文 滤波器之一。其优点在于所用的网络元件少，特性容易调整，输出阻抗低，能够获 得较高的增益。其传递函数为： h ( s 1 ：一。竺：0 _ 一 ( 2 9 ) s + b l s + b o 式中：bo=面丽1b，g 小鲁，b - 2 去c ，一g ，+ 去cc 去r + 去r ，。 式中= ，= 1 + ! 塑，l = _ = ( 1 一 ) + 二一( 二一+ 二一) 。 j r 2 】g j r 2 3 9 c 2 1 l c 2 1 2月2 4 0 1 r 2 3 8 c 2 l l 、 。 2 1 2 。2 3 82 3 9 给定所要求的截止频率正、增益g 等参数，有标准的计算程序可算出各元器件 的参数值。由于心电信号在高频段的频率分量并不多，本系统采集的心电信号主要 用作监护而不是用来做全面的信号分析，为了得到尽可能干净的心电信号，将低通 滤波器的截止频率定在2 5 0 h z 左右。这虽然会损失掉心电信号的一部分高频分量， 但不会影响心电信号的基本特征。低通滤波器的仿真幅频特性如图2 1 2 所示。 图2 1 2 低通滤波器的幅频特性 f i g 2 1 2 a m p l i t u d e f i - e q u e n c yc h “ a c t e r i s t i co f l o w p a s s f i l t e r 至此，对心电信号的模拟处理己完成，在a d 转换器的输入端得到了幅度适当、 波形清晰、稳定的心电信号，如图2 1 3 所示。 图2 1 3a d 转换器输入端的心电波形 f i g 2 1 3e c go f a d ci n p u t 2 心电数据的采集 2 5a ，d 转换和f p g a a d 转换后的数据需通过微处理器( m c u ) ，再通过u s b 传送给上位机。但是 当系统采集的信号特别多( 特别是各种不同的信号量、状态量) ，仅仅靠用普通的 m c u 的资源就往往难以完成任务。此时，1 般只能采用多m c u 微机处理模式， 或者靠扩展系统资源来完成系统的数据采集和监测任务。这样做不仅增加了大量的 成本，而且大大增加了系统的复杂性，因而系统的可靠性就会受到一定的影响，这 显然不是我们所愿意看到的。基于此，本课题提出了一种基于f p g a 技术的模拟量、 数字量采集系统，利用f p g a 的l 端口多，且可以自由变成支配、定义其功能的 特点，配以v h d l 编写的f p g a 内部执行软件，能很好地解决采集信号路数多的 问题。f p g a 硬件的速度是n s 级的，这是当前任何m c u 都难以达到的速度【14 。 2 5 1 f p g a 内部资源 f p g a 逻辑运算中心。用来接收数据，并按照程序中设定的方案对所收到的 数据进行相应的分析和处理。包括：对从m c u 接收来的数据指令进行分析，并按 其指令要求进行相应的操作：接收a d 采样来的数据，对数据进行各种处理，如求 有效值，进行f f t 分析等；接收来自数字量的各种信息数据，按设定的模式对其进 行判断处理，并负责按接收的c p u 指令输出相应的数字量。 数字量监测控制单元。负责所有要监视和控制的数字量的状态数据和控制 指令的输出。这一部分同样也需要用软件来模拟实现各种数字量的管理控制，只有 配备完备的外设控制管理单元，整个数字量的管理控制才能正确合理地进行。 f p g a 接口逻辑控制单元。f p g a 内部设计了f p g a 模块与外界m c u 的接 口单元，这虽然占去了一定的内部资源，但是考虑到在一般的工程系统中不仅仅包 括对各种信息的采集控制，还往往包括通信、显示以及进行一些复杂算术运算等等。 2 5 2f p g a 实现采样处理的软件构成 第一部分为设定的3 个a d 采样有关的1 6 位指令寄存器：a d 参数寄存器 ( a d p r ) 、输出控制寄存器( a d o r ) 、a d 控制寄存器( a d c r ) 。 a d p r ( x x x x x x x xx x x x xx x ) 的各位定义如下：位l 、位o 选择采样点数( 0 0 表示采样1 6 点，0 1 表示采样3 2 等) 。位6 位2 用来表示f p g a 的时钟频率，0 0 0 0 i 表示时钟频率为1 m h z ，1 l l l l 表示时钟频率为3 1 m h z ，0 0 0 0 0 表示时钟频率为 3 2 m h 2 。位1 5 位7 表示采样信号的频率，这9 位表示的范围l h z 5 1 2 m h z 。 a d o r 是与f p g a 输出有关的寄存器。该寄存器的作用是：当m c u 要读取某 通道信号的信息时，f p g a 应该输出该信号的转换结果。 a d c r 寄存器控制a d 采样的通道数的选择以及a i d 采样有关的寄存器的复 位控制等，这也是考虑到系统的通用性而设计的。 第二部分为设计产生选择通道，即f p g a 产生控制信号去选择多路开关。 重庆大学硕士学位论文 第三部分为输入数据缓冲区。当f p g a 收到a f d 转换完的信号后，将产生读 a i d 转换器的时序，把1 2 位的a d 转换数据读入到数据缓冲区的二维数组 d a t a i n ( a b c v ) ( s a m p n ) 中。a b c v 为通道号，s a m p n 表示采样信号中所采样的第几个点。 将一个周期的1 2 路信号采样完后，置标志a d f l a g 为1 。 第四部分为输出缓冲器单元。当d s p 对f p g a 产生读时序( f p g a c s 为低电 平且r d 下降沿来到时) ，f p g a 根据d s p 的低五位地址线a 0 a 4 的值( 对应于 f p g a 的c h