简易心电信号测试仪设计

精品文档 1欢迎下载 内部资料 注意保存 解放军理工大学本科毕业设计论文解放军理工大学本科毕业设计论文 简易心电信号测试仪简易心电信号测试仪 姓名 甘 兴 队别 学员旅五队 专业 电子工程 指导教员 徐志军 职 称 教 授 解放军理工大学训练部制表 二 一一 年 六 月 精品文档 2欢迎下载 目录目录 1 课题背景 2 2 课题完成功能 3 3 系统硬件设计 3 3 1 主芯片的选择 3 3 2 硬件电路设计 4 3 2 1 输入回路噪声抑制设计 7 3 2 2 前置放大模块 7 3 2 3 后置放大模块 7 3 2 4 滤波网络模块 7 3 2 5 数字化存储与回放电路 7 3 3 PCB 绘制 7 4 系统软件设计 10 5 系统实测结果 10 5 1 测试参数表格 11 5 2 测试波形 11 6 结束语 17 设计体会 17 参考文献 19 精品文档 3欢迎下载 简易心电信号测试仪 摘摘 要要 本系统以 TI 公司的高精度仪表放大器 AD620 和低功耗 MSP430 单片机为核心 实现了心电信号的采集 存储和显示 设计 采用右腿驱动电路和高通负反馈滤波器等抑制干扰措施 提高了放 大器的共模抑制比 选用内部资源丰富的 MSP430 单片机和液晶显 示器 LCD 实现了心电信号的存储和回放 结果表明系统各项技术指 标达到了设计要求 具有低功耗低成本的特点 关键词关键词 放大器 单片机 心电图 1 1 课题背景 课题背景 随着社会的发展和物质生活水平的不断提高 人们对健康的重视 程度与日剧增 特别是近年来社会老龄化的加剧 而且每年心血管 疾病的发病率也不断上升 目前心血管疾病成了威胁人类生命的主 要疾病 心脏病已经成了世界上死亡率最高的疾病 鉴于这种严峻 形势 提高预防和监测该疾病的手段势在必行 而心电信号检测是 发现心脏病的最直接手段 但目前医院用的心电监护仪价格昂贵 维护费用高 患者检查的经济负担重 不能做到随时随地都能检查 因此设计一种便携式 价格便宜且实用的心电监护仪器具有重要意 义 本文设计了一种可以随时随地都能观察心电信号检测仪 它具 有体积小 成本低 便于携带 实用性强等特点 2 2 课题完成功能 课题完成功能 本课题要完成的功能是以放大器和单片机器件为核心 实现数字 心率测试显示等多种功能 课题既需要设计和制作硬件 又需要编写程序作为调试软件 综 合运用 Protel 软件进行原理图的绘制 封装和制版 以 C 语言作为 编写工具 是对我们四年来所学课程的复习总结 更是自我学习拓 展的运用 平台的设计各种需考虑的因素错综复杂 要求具有全局 思维和做好每一个零部件的耐心 精品文档 4欢迎下载 3 3 系统硬件设计 系统硬件设计 3 13 1 主芯片的选择主芯片的选择 人体心脏工作产生的生物电流在身体表面不同部位产生不同电势 并且随心跳的节律呈现规律性的升降变化 通过电极将变化着的电 位差检测并记录下来就是心电图 ECG 心电信号是一种带宽为 0 05Hz 至 100Hz 有时高达 1kHz 幅度在 10 V 5mv 的微弱交流 信号 并且混杂有人体生物电干扰以及各种外部电磁干扰 如何从 环境噪声中提取微弱的心电信号是设计的难点和要点 低成本低功 耗便携式简易心电图仪是本设计的最大考量 它顺应了保健电子产 品设计的发展趋势 系统采用常见电池供电 能采集标准导联方式 I 或 II 心电信号 通过放大 滤波得到模拟心电信号 ECG 并能 利用液晶实时显示或存储回放波形 本系统主要需要以下几种功能的芯片 仪用放大器 通用运算放 大器 微型单片机 为此 在选择用于本系统的集成芯片 IC 时 低功耗 小尺寸 高精度 性能稳定的芯片就是选用的目标 TI 公 司的相关芯片可满足对系统的要求 AD620 仪用放大器是一种低功耗的仪用放大器 特别适合做小信 号的前置放大级 经 AD620 放大后的小信号失真度很小 加一级 AD620 组成的前置放大 同样可以把系统误差控制在系统设计要求 的范围内 OP07 芯片是一种低噪声 非斩波稳零的双极性运算放大器集成 电路 由于 OP07 具有非常低的输入失调电压 对于 OP07A 最大为 25 V 所以 OP07 在很多应用场合不需要额外的调零措施 OP07 同时具有输入偏置电流低 OP07A 为 2nA 和开环增益高 对于 OP07A 为 300V mV 的特点 这种低失调 高开环增益的特性使得 OP07 特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面 MSP430F147 是 TI 公司推出的一款低电源电压范围 1 8V 3 6V 的低功耗 16 位单片机 该芯片内含 60Kbyte 的 Flash EPROM 以及 2KByte 的 RAM 有一个性能齐全的基础时钟模块 包括一个数据控振荡器 DCO 和两个晶体振荡器 另外还包括硬件 看门狗 三个捕获 比较寄存器的 16 位定时器 Timer A3 七个捕获 比较寄存器的 16 位定时器 Timer B7 8 通道 12 位 A D 转换器 精品文档 5欢迎下载 ADC12 和两个串行通信接口等 特别值得一提的是其低功耗应用 采用外接低速晶振 32768H 产生准确的定时信号和设置异步握手通信 波特率 而 A D 转换及运行使用内部数控振荡器产生的速度较快的 400kHz 时钟信号 其功耗小于 3mA 3 3V 3 23 2 硬件电路设计硬件电路设计 分析可知 简易心电图仪系统主要包括输入回路 前置放大模块 后级放大模块 滤波网络模块以及存储回放等模块 设计重点在于 前置放大模块 和滤波网络模块和数字化存储回放部分 3 2 1 输入回路噪声抑制设计 来自导联电极的心电信号混有主要包括人体肌电呼吸等生物噪声 电极接触噪声 工频 50Hz 信号及其谐波等干扰 以及其它电子设备 机器噪声及外界高频电磁干扰等噪声 其中工频 50Hz 干扰信号较强 主要是共模噪声 由于信号线对屏蔽线的输入电容不完全对称 造 成共模电压的不等量衰减 使得包括导联在内的放大器共模抑制比 降低 从而使系统抑制干扰的能力下降 其中工频干扰引起的共模 信号可能远大于心电信号 其影响尤为严重 为有效地消除输入电 路不对称而引起的电压分配效应所产生的共模干扰 采用屏蔽驱动 和右腿驱动电路 从输入导联取出的共模电压送入屏蔽层 屏蔽层 不接地 同时送到右腿放大器反向放大 经一个限流电阻接到右腿 电极 即等效为以人体为相加点的电压并联负反馈电路 抑制了共 模干扰进入后续电路 为更好的抑制工频干扰 可以在右腿驱动电 路加入低通滤波电路 满足将心电放大器 含屏蔽导联线 的共模 抑制比提高到 60dB 的指标要求 该电路采用 OP07 实现 3 2 2 前置放大模块 前置放大模块在整机中处于非常重要的地位 其性能决定了整 机的主要技术指标 前置放大模块应满足高输入阻抗 高共模抑制 比 低噪声 低漂移的要求 放大器AD620内部集成有两个共模抑制 比可达94dB的仪用放大电路 可以同时满足两路微弱信号的采集要 求 而且只需外接两个电阻可调节增益 增益从5 1000倍可调 静 态电流只有400uA 功耗极低 输入阻抗达到1013 特别是芯片的 各项指标在低频段表现优异 适用于10KHz以内信号的放大 电极的 极化电压是个差模信号 可能会造成运放的饱和 仪表放大电路增 益不应太大 因此控制在十倍左右 模块图如下 精品文档 6欢迎下载 3 2 3 后置放大模块 后置放大块用来对通过滤波器的心电信号进行100倍放大 设计 为比例放大器 简单高效 模块图如下 3 2 4滤波网络模块 由于心电信号易受噪声干扰 且主要能量成分集中在 0 05Hz 100Hz 频带内 所以本系统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心电图波形 滤波电路的设计主要是满足心电信号特定的频率响应特性 高通滤波电路 精品文档 7欢迎下载 心电信号的最低可能频率成分只达到 0 5Hz 相应于心脏搏动 30 次 分 但为降低信号因相移产生线性失真 心电信号放大电路的 低频截止频率必须达到心电信号的低频截止频率的 1 10 即 0 05Hz 实际上 在前置放大模块采用了高通负反馈滤波器进行隔 直和低通滤波 0 05Hz 信号包括直流极化信号已基本被滤掉 为进 一步满足高通滤波特性 采用效果好且易于实现 RC 一阶无源滤波 低通滤波电路 滤除混入的各种高频干扰噪声 按照心电图信号的频谱范围 高 频截止频率选择 100Hz 和 500Hz 两种 对滤波特性的要求主要是信 号的时域失真要小 心电信号具有脉冲波形的特征 为保证不失真 放大 滤波器应具有较好的线性相位特性 3 2 5 数字化存储与回放电路 MSP430 F147 作为系统的控制核心 具有丰富的片内资源 是一 精品文档 8欢迎下载 款性价比极高的单片机 利用它作心电信号的采集与处理 不仅极 大地简化了系统硬件电路 还大大提高了系统的性价比 液晶显示 模块采用 LCD 12864H 点阵式 LCD 实现 作为菜单和心电波形的显 示 它以 MSP430 作为液晶的微处理器 通过单片机采集和处理心 电数据 输出给液晶显示 3 33 3 PCBPCB 绘制绘制 在 PCB 绘制之前 首先需要对原理图进行检查 画 PCB 图时按照 确定尺寸 导入元件 布局 布线 检查五个步骤一次完成 PCB 图 的绘制 本实验图绘制如下 4 4 系统软件设计 系统软件设计 程序框图 精品文档 9欢迎下载 初始化 AD 采样 转换 中断入口 数据变换存储 数据数量 是否大于 N 输入到 LCD 显示波形 开始 Y N 波形显示点坐标的确定 心电波形是一系列的曲线 在液晶屏 上要显示这些曲线需要将相应的点阵显示 对于一条心电曲线 起 始显示数据点在起始列只显示一点 从第二个数据点开始 要在下 一列显示上一数据点到此次数据点到此次数据点之间的线段 具体 的方法为通过16进制的数据除以总页数8得到商和余数 得到的商为 此数据点所在的页 得到的余数为此数据点所在页的行数 注意的 是每一数据点应在相应的列 因为列地址每送一个数据自动加1 因 而在每次从DDRAM中读取数据时一定要保证列位置的正确 否则会出 现曲线的混乱 精品文档 10欢迎下载 5 5 系统实测结果 系统实测结果 人体心电图测试 按照标准I导联实测队友的心电图 在TDS1012B数 字示波器上显示出正常心电信号 具体各项参数如表所示 其中测得波形如图所示 项目与测试条件测试记录数据记录 实测输出电压 1 0V 电压放大倍数 误差输入 20Hz 1mV rms 正弦信号 放大倍数误差 5 实测高频截止频率 150Hz高频截止频率 误差输入 正弦信号 误差 20Hz 实测最大值 1 25V 输出 实测最小值 0 89V 频带内响应波动输入 1mV rms 正弦信号 0 5Hz 100Hz 最大可调范围 0 36V 共模抑制比输入 20Hz 正弦波共模抑制比 60dB 输出噪声测量值 5mV 实际测试心电图时 放大器的 等效输入噪声 峰 峰值 等效输入噪声值 400uV 精品文档 11欢迎下载 6 6 结束语结束语 前期进行硬件电路的设计 通过上网 图书馆借阅书籍查找资料 学习了常用硬件电路设计方法和相关芯片的选择和使用 Protel Tina 软件的使用 让我学会了如何绘制原理图 如何在软件本身没 有所需库文件时自行绘制原理图库和封装库 以及如何绘制 PCB 图 并合理美观地进行布线 同时 在这过程中 一个一个出现的错误 故障 也让我从中学到了怎样查错 更重要是怎样纠正错误 1 在设计人体心电信号采集电路时 发现以薄铜皮做为皮肤接触 电极来采集心电信号现象极其不明显 通过查找分析原因 对系统 进行了改进 引入了震动传感器 实现了由心电信号到电信号的一 个转换 经试验效果明显 达到了预期效果 2 在绘制 PCB 前的原理图检查过程中 analyse 工具总报错 解 决方法 使用 navigator 工具挨个察看元件参数 封装和 net 等是 否设置正确 发现有几处 net 标错或者漏标 而且发现自己设计的 封装库并未加到工程里 经逐个排查 解决问题 绘制 PCB 图过程 中 应该综合考虑走线距离和美观等因素 灵活寻找合适的等效连 接端 总之 硬件电路的设计考虑的问题比较多 对设计者的要求比较 高 不仅在知识层面上要有足够的知识储备 对设计者的细心和耐 心也是一种考验 尤其在电路调试时 工作量比较大 对出现的各 种错误 需要足够的毅力和耐心 发现问题解决问题 以保证高效 精品文档 12欢迎下载 无误的完成 参