简易心电图仪.doc

题目：简易心电图仪 姓名：昌磊 学号：20121004148 班级：0761219摘要：本简易心电图仪由前置放大电路、抑制共模信号电路、低通滤波电路、工频50Hz的带阻滤波电路及数字信号处理、存储模块构成。本设计前级采用差分式仪表放大器INA128,用于放大在人体体表采集的微弱心电信号，中间级采用双T陷波滤除50Hz工频干扰，再经过高通、低通滤波和末级放大实现心电信号的测量。并使用MSP430单片机AD采样，将采样信号存储到flash中存储，再通过DA转换输出到示波器，可以形象直观地反映心电信号，并且通过键盘控制实现心电波形回放功能。关键字：简易心电图仪，INA128，MSP430，flash存储器 一、方案论证与比较心脏跳动产生的电信号，使身体不同部位的表面产生的电位变化，将其记录下来就可以得到心电图（Electrocardiograph ,ECG）。心电信号的特点：信号十分微弱，常见的心电频率一般在0.05100Hz之间，能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV，心电电极阻抗为150K。这三组基本参数，是设计心电图仪的主要依据。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1Hz)，电源工频干扰(50Hz)，肌电干扰(几百Hz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。电极极化电压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300mV，因此心电放大器的前级增益不能过大，而且要有去极化电压的RC常数电路。因此本系统设计的关键和难点在于抑制噪声。根据指标要求，本系统由前置放大电路、抑制共模信号电路、低通滤波电路、工频50Hz的带阻滤波电路及数字信号处理模块构成。1.输入导联模块（1）导联方式为了满足临床诊断的要求，对ECG的电极位置和引线以及与放大器的连接方式有统一规定，称为心电图的导联系统。目前广泛应用的是12导联系统。其中，又分为双极肢体导联、单极肢体导联、单极胸前导联。考虑到题目要求，我们仅采用双极肢体导联。这种导联方式又称标准导联，其具体的连接方式如图1.1所示。 图1.1 标准导联示意图（2）抑制干扰 此模块设计方案中引入屏蔽驱动和右腿驱动，以提高系统的共模抑制能力，进而使系统抑制干扰的能力大大增强。有源屏蔽驱动。有源屏蔽驱动电路可以用来消除共模电压。为病人做心电检测时，电极与心电图机的前置放大器（或缓冲放大器）之间是由多股电缆线（导联线）连接的，导联线的中芯线与屏蔽之间存在着一定数量的分布电容C的存在，会降低整机的输入阻抗，由于各屏蔽分布电容数值不可能一致，造成各缓冲放大器的输入阻抗不平衡，致使放大器的共模抑制比降低。屏蔽驱动对于减少50Hz共模干扰也很有用。右腿驱动。体表驱动电路是专为克服人体承载的共模干扰（主要是50Hz共模干扰），提高CMRR而设计的，原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路倒相放大后再加回体表上，所以称为右腿驱动。 2. 前置放大模块 心电图仪的前级放大器前置放大在整机中处于非常重要的地位，决定了整机的主要技术指标。ECG前置放大器要求噪声尽可能低和共模抑制比尽可能高。方案一：三运放仪用放大电路如图2.1相并联三运放结构。A1、A2构成放大器的第I级，主要用来提高整个放大电路的输入阻抗。第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。将A3、A4两个同相输入运放电路并联，再与A5差分输入串联的三运放差分放大电路。当R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即：Avd=(（Rp+2R1）/Rp)(R6/R4)图2. 1 运放仪用放大器方案二：利用INA128来设计放大电路。选用低功耗(最大供电电流仅为1.3mA)、高精度仪表放大器INA128。INA128为差分输入，能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标，故可用于精确的数据采集系统，作为各种微弱信号的前置调理器。 比较上述两种方案，方案一采用了过多的集成运放和分立器件，稳定性难以保证，且调试困难。方案二简化了电路，提高了系统的稳定性，因而本设计采用方案二。3. 滤波网络模块由于心电信号容易受噪声干扰，且主要集中在0.05100Hz频带内，所以采用滤波的方法对心电信号作进一步的降噪处理，抑制外界干扰，从而得到较为平滑的ECG波形。方案一：采用已有的滤波算法实现离散数字滤波。在不提高成本的前提下，采用单片机完成数字滤波功能，但数字滤波器要求足够高的阶数，才能取得较好的滤波效果。方案二：采用多级滤波网络。经过前置放大的心电信号，主要存在工频、肌电等干扰信号，故首先经双T有源陷波器过滤50Hz工频信号，再将其送到由0.05Hz高通滤波器和100Hz低通滤波器组成的带通网络滤除有效频带以外的肌电干扰信号。经过此三级滤波电路组成的滤波网络后，得到较为光滑的心电信号波形。比较上述两种方案，考虑到工艺，所用器件，以及抑制干扰的效果，本设计采用方案二。4. 数字信号处理模块方案一：单片机方式。即由单片机MSP430完成信号的采集存储显示等控制与变换工作。方案二：FPGA/CPLD或带有IP核的FPGA/CPLD方式。即用FPGA/CPLD完成采集存储显示及A/DD/A等功能由IP核实现人机交互及信号测量分析等功能。方案三： 单片机与FPGA与PC机结合方式。即用PC机完成人机界面显示控制逻辑，单片机完成系统控制信号分析处理变换，用FPGA完成采集控制逻辑。比较上述三种方案，方案一其优点在于系统规模较小，有一定的灵活性。方案二的优点在于系统结构紧凑操作方便；缺点是调试过程繁琐。方案三兼顾了前两个方案的优点，但是目前VB编程有困难。综合比较后，本设计采用方案一。二、系统整体方案设计传感电极FPGA控制系统前置放大器显示采样数据后级放大A/D转换模拟滤波串口通讯MSP430单片机数据分析 PC机 波形存储与回放噪声与干扰 三、主要单元电路设计1.稳压电源部分(见附录1)2.前置放大电路前置放大器的核心器件采用INA128，计算公式为G=50K/Rg+1。INA128的主要特点是低偏置电压、低温度漂移、低输入偏置电流、高共模抑制和低噪声，只用一只外部电阻就能设置放大倍数ll000。图3.2.1是INA128在前置放大电路中的应用，取Rg为5.6K，则前级的放大倍数为9.93倍。这里的源阻抗可高达1M。图3.2.1 右腿驱动和前置放大电路3.滤波网络模块（1）双T有源50Hz工频陷波器 陷波电路实际上是一个窄带带阻滤波器，其陷波频率由双T网络决定。采用如下图所示是有源双T带阻滤波器，该电路的Q值随着反馈系数（01）的增高而增高，取截止频率为46.8Hz53.2Hz 的带阻滤波。图3.3.1 50Hz工频陷波器原理图软件模拟设计50Hz陷波器幅频特性如下所示： 图3.3.2 50Hz陷波器幅频特性（2）0.05Hz有源高通滤波器 获得良好的滤波效果，在设计方案中采用巴特沃斯最大平坦有源滤波器。滤波器电路个元件参数值如图3.3.3所示。为有效设计滤波器，采用专用滤波器设计仿真软件Filter Wiz Pro V3.0进行设计和仿真，其仿真结果如图3.3.4所示，该电路的理论分析如下。设截止频率为0.05Hz，通过查表在1参数k10中，C1可取值：1000uF200uF。取C3=1000uF，K=100/fc*C=2。取Av=1，得C2=C1=1000uF .R1=1.125*k=2.5K, R2=2.251*k=4.5K 图3.3.3 0.05Hz有源高通滤波器（3）100Hz有源低通滤波器采用二阶巴特沃斯低通滤波器，其截至频率为100Hz，选定如图3.3.5所示参数，上限截至频率为100Hz，其理论计算如下。截止频率为100Hz，通过查表在1参数k10中，C1可取值：1.0uF0.1uF。取C1=0.3uF，K=100/fc*C=3.33.。取Av=1，得C2=0.33C1=0.1uF.R1=1.422*k=4.73K, R2=5.399*k=18K 图3.3.4 100 Hz低通滤波器 4.后级放大电路后级放大采用反相放大器，反相放大器一般形式如上图3.3.5 所示，其放大倍数可以调节电位器，使其大倍数和前置放大结合后使整个电路的放大倍数为1000倍。 5.数字信号处理电路信号经过放大、滤波、陷波处理后送入MSP430，通过控制AD采样进行A/D变换，将A/D变换后的数据送入flash存储，以实现波形的回放。但在实际处理中发现当采样率较高时flash存储空间不足，所以回放时间受到限制，需要下一步扩充外部存储器四、系统软件设计主函数流程图如图4.1所示 图3.3.5主程序开始 串口工作模式设置AD初始化AD转换送AD数据到PC机 图4.1 主函数流程图五、系统测试仪器方法及数据1.测试仪器EE1411型合成函数信号发生器、YB1732A3A型直流稳压电源、TDS1002型示波器、PC机2.测试方法（1）功能测试被测人员静卧在床上，使用酒精棉球仔细将与电极接触部位的皮肤擦净，然后再捆绑电极。为减小电极与皮肤间的接触电阻，在电极下滴12滴5的盐水，进行功能测试。 （2）指标测试 利用信号源产生信号，输送到心电图仪中，进行单元和指标测试。3.测试数据和结果 （1）通带内增益及频率 对信号源进行电阻分压获得5mV输入电压，测得输入、输出电压及增益如表5.1所示。5Hz1020406080909598Vi/mV555555555Vo/V2.244.284.845.325.044.964.764.463.5增益Av/倍数44885696810641008992952892700表5.1 输入、输出电压及增益 从表5.1中可知，-3dB高频截止频率约为98Hz，误差为2 Hz，达到了题目的要求。 为减小工频干扰，引入了陷波电路，对50 Hz左右的信号频带宽度：45.8Hz56.2Hz，在满足频带内波动在3dB之内的要求。 （2）电源纹波测试 在给运放供电时，用示波器交流耦合方式测得自制电源输出电压纹波峰-峰值较大没有达到题目要求的3mV。 （3）共模抑制比：所采用的芯片共模抑制比均大于100dB （4）测量输出电压动态范围用函数发生器和数字示波器测得电路的输出电压的最不失真幅度为18V。（5）系统功能测试人体的心电图测试。按照标准I导联实测队友心电图测得波形如图5.1所示。波形的存储和回放。波形除了可以实时显示以外，还可以回放4.测试结果分析从以上的测试结果可以看出，本简易心电图仪在提高共模抑制比、抑制外界噪声等方面有一定的成就，也基本上达到了题目中的要求。并且实现了波形的显示和回放。六、参考文献1 谢自美.电子线路设计实验测试M. 武汉：华中科技大学出版社2 邱关源. 电路M. 北京：高等教育出版社3 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲。北京:电子工业出版社,2007.4谢兴红，林凡强，无雄英. MSP430单片机基础与实验.北京:北京航空航天大学出版社,2008.5 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训教程电子仪器仪表设计.北京:电子工业出版社.20076