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1、心电监护仪的设计实验QYK 电子信息工程温州医科大学一、系统功能要求1、设计一个标准导联的心电信号采集、处理和显示系统。2、能记忆当前时刻前若干秒的数据，由设计者确定参数。3、数据回放和打印功能。4、软件数字滤波，计算瞬时心率，并在LCD12864液晶显示器上显示出来。5、报警参数设计，通过软件实现当心率输入大于某个固定值时，报警装置工作。二、总体论证（1）总体方案确定心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号一般比较微弱，幅值范围0.5-5mV，带宽0.05-100Hz，因此极易受环境影响。在采集的心电信号中，常常掺杂着各种干扰，这些来源于心脏以外的干扰信号会使心电信号在周期和形态上发生畸
2、变，噪声严重时可完全淹没心电信号。为了正确进行测量、波形识别和病征诊断，就必须抑制这些干扰。而抑制干扰的主要方法是通过各种滤波器进行滤波。考虑到心电信号的幅值很低，不能使AD芯片正常采样，因此就必须放大体表的心电信号。最后将经过滤波、放大、AD转换后的信号输入到单片机中进行处理，得到并显示人体的生理参数。1.采样方法选择一般临床上使用的心电采集分为胸导联和肢体导联，其中又以肢体导联最为普遍。肢体导联分为标准导联、和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF。标准导联为双极肢体导联，反映其中两肢体之间电位差变化。而加压单极肢体导联属单极导联，基本上代表检测部位电位变化。本系统将选取标准导联的三种导联
3、作为心电监护仪的采样方式。2.系统组成本系统主要由模拟部分和数字部分组成。在模拟部分中考虑到心电信号的微弱和易受干扰等特点，在设计系统组成时便不得不考虑到对信号的优化和处理，所以在信号采集和处理是本部分的重要环节。首先，由于心电信号只有0.5-5mV，远远低于AD采用的幅值范围。因此需将采集的信号进行放大，为了减少噪声且增加共模抑制比，此单元采用常见的分级放大。同时因为电极是直接与皮肤接触的，基于安全考虑，将在前级放大和后级放大之间用光耦器件进行隔离，保证了测量者的人身安全。在数字部分中通过AD芯片将处理好的信号转变为数字信号并存入单片机中，经过单片机的处理后将测得的数据显示在液晶屏上，也可通
4、过与微型打印机的连接将数据打印出来进行分析。（2）确定系统功能本系统以实现设计任务基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性价比，对于系统改进和功能扩展将在最后讨论。根据设计任务的基本要求，本系统应具有以下几种基本功能：*可以采集、处理并显示心电信号。*可以显示当前时刻前若干秒的数据，时间参数由设计者确定。*可以进行数据的储存并回放。*可以进行数据的打印。*具有报警功能，通过软件实现当心率输入大于某个固定值时进行报警，固定值由使用者确定。三、系统设计（1）软、硬件功能划分1.速度估算由于心电信号的频率主要在0.02100Hz，处于较低的频率范围。根据奈奎斯特采样定理，采样频
5、率应大于信号中最大频率的两倍，并且在实际应用中采样频率应为510倍。以10倍最大信号频率(1KHz)为采样频率来说，采样的时间间隔为1ms或更长时间。由此可见，对于采样间隔为10us的AD采样芯片而言，速度完全满足要求。2.软、硬件功能划分为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，有关数据处理分析、数据存储及大部分控制过程都可由软件来完成。硬件的主要功能是心电信号的采集、放大、滤波及A/D转换等。另外，人机通道功能由系统软、硬件配合完成，以降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。（2）系统功能划分、指标分配和框图构成根据系统总体方案，系统主要由以下三个模块组成，总体框图如下图所
6、示。 1.单片机基本系统单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对运行速度和功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的MCS-51系列单片机8031。8031单片机可以提供系统控制所需的中断、定时以及存放中间结果的RAM电路，但片内没有程序存储器，因此单片机基本系统中除了应包括的复位电路和晶振电路外，还应扩充程序存储器。同时考虑到本系统具有数据回放功能，故还需扩充一片片外数据存储器。2.前向通道前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大滤波、A/D转换等电路。由于心电信号的频率为0.02100Hz，相对而言变化比较快，因此需要在前向通道中设
7、计采样保持电路。3.人机对话通道人机对话通道主要由键盘、LCD液晶显示和打印机组成。为了完成设定时间参数以及警报心率参数和打印等功能，满足显示心电波形等要求，键盘可由10个数字键及6个功能键组成（确认、取消、设定时间、设定心率、切换显示、打印）。波形显示由LCD12864液晶显示，分别显示心率及波形，由“切换显示”按键进行切换显示。打印功能由微型打印机完成，可以打印给定的时间的心率数据。四、硬件开发（1）系统配置与接口扩展1.单片机基本系统单片机基本系统以MCS-51系列单片机8031为核心，外扩8K8的EPROM 2764作为程序存储器和8K8的RAM6264作为数据存储器，如图所示。考虑到
8、单片机在进行工作时需要调用浮点数运算程序库，程序需占用较大存储器空间，为保证程序存储器有足够空间并适当留有余地以便进一步扩展功能，因此选用了容量较大的存储芯片2764。 2.前向通道前向通道由前置放大和后级信号放大处理两部分电路组成，具体流程如下图所示。 前向通道流程图心电信号经电极传感器和放大滤波电路处理后产生05V的模拟电压信号送人A/D转换器的输入端，A/D转换器将模拟量转换为数字量通过系统总线送人单片机进行运算处理。前向通道设计包含以下几个方面内容： (a)电极传感器选择市场上电极传感器的种类很多。本系统采用最为常见的体表电极，因为体表电极主要由银、铂、镍、不锈钢或钨制成，它们一般电阻
9、很小，制作也简单，其尺寸一般是毫米级的，比较适用于本系统的实验要求。 (b)信号处理主要电路 具体电路如下两图所示 前置放大及光耦隔离电路图 后级放大及滤波电路图*前置放大电路：前置放大电路是心电信号采集的关键环节， 由于人体心电信号十分微弱， 噪声强且信号源阻抗较大，加之电极引入的极化电压差值较大，因此，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能。为达到心电放大器的上述技术要求，本系统选用了AD公司的仪表放大器 AD620作为前置放大器的核心器件，并且采用了差动输入的方式。AD620为一个低成本、高精度的单片仪器放大器，工作时只需要
10、设定外部的一个电阻RG就能得到11000的放大倍数。同时考虑到心电信号中混杂着比其幅度大得多的直流信号，太大的前置放大器增益会影响电路的直流稳定性，为了保证前置放大器不工作在截止区或饱和区，因此在设计时，将第一级放大倍数定为10倍大小，保证了前置放大器的正常工作。*光耦隔离电路：为了人体安全的目的，通常的生物电信号测量技术采用浮地形式，以便实现人体与电气的隔离。采用光耦隔离可以使信号从浮地部分传递到接地部分，两部分之间没有电路上的直接联系，通过地线构成的漏电流完全被抑制。因此，不但保障了人体的绝对安全，而且消除了地线中的干扰电流。本系统选用了日本东芝公司生产的高速光耦6N136作为光耦隔离的主
11、要器件。6N136具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL逻辑电平兼容等优点。由于6N136的最主要的特点是高速度，转换时间为1us，完全满足转换心电信号的频率要求。*后级放大电路：因为电路的共模抑制比主要由心电前置放大器决定，而AD620的140dB(G=10)的共模抑制比符合设计要求。为了进一步提高前置放大器的共模抑制比同时抑制50Hz的工频干扰，本系统利用TL084作为后级放大电路核心器件，设定放大倍数为100，配合前置放大倍数使最初的心电信号放大1000倍，保证了之后A/D芯片能够正常采样。（具体电路见后级放大及滤波电路图右上方）*各级滤波电路：由于电极极化电压的不
12、平衡、前置放大器的失调漂移以及人体动作等因素， 前置放大器输出的心电信号中除了夹杂不少工频干扰外，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，因此设计了一个二阶巴特沃斯高通滤波器来滤除这些直流和低频分量（具体电路见后级放大及滤波电路图左上方）。同时50Hz工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模千扰具有较强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。为了去除人体或测试系统中产生的工频干扰，需用带阻滤波器加以抑制
13、。本系统采用的是二阶巴特沃斯带阻滤波器。（具体电路见后级放大及滤波电路图左下方）。并且考虑到经放大后的心电信号中除了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。为了得到较好的输出信号，在主放大级后设计一个低通滤波器。由前面可知，心电信号的大部分有用信息在0.05100Hz之间，所以截止频率取fc=100Hz。本系统采用的是巴特沃思二阶低通滤波。（具体电路见后级放大及滤波电路图右下方）。*各级滤波电阻参数设定： 1、高通滤波器：， ，2、50Hz陷波器：，3、 低通滤波器：， ， (c)取样/保持电路根据取样定理，AD采样的每一通道的取样的频率必须大于该通道的模拟信号频谱中最高频率成
14、分的两倍以上。但是在实际的数据采集系统中，取样频率不是决定模拟信号最高频率的唯一因素。如果考虑到采集精度，则会对输入信号的最高频率有十分严格的限制，特别是系统中采用逐次比较型A/D转换器且输入模拟信号的幅值达到A/D转换器的满量程，这时允许的模拟信号的最高频率可能会明显地低于取样定理所允许的信号最高频率。当A/D转换器前不接取样/保持电路情况且要求A/D转换器的精度不致因变换速率限制而下降，则输入的信号的最高频率应满足：对于本系统的AD芯片而言，N=12，=10us，则有 这样的频率完全不能进行准确的采样，所以要在本系统中添加取样/保持电路。而当A/D转换器前接入取样/保持电路后，最大的允许频
15、率应满足：（为孔径时间）由于远远小于，通常为纳秒级，故加入取样/保持电路后可允许输入信号的频率明显提高。从而解决必须降低输入信号的幅值来提高最大允许频率的问题。 (d)A/D转换器由于心电信号的频率主要在0.02100Hz，处于较低的频率范围。本系统采用美国AD公司生产的12位逐次比较型A/D转换器AD1674，其转换时间为10us，单通道最大采集速率为100kps。与其它AD芯片相比，AD1674的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高、低温稳定性）更好，而且可以使设计板的面积大大减小，因而可以降低成本并提高系统的可靠性。在当两次读出的12位数据遵循左对齐格式，如下所示： AD1674的5个控制信号组合的真值表见下表。 利用单片机的P16和P10共同控制AD1674的R/C端和A0端来达到A/D采样的目的，并且将AD1674芯片的输出状态信号脚STS端与单片机的INT1外部中断连接。当AD采样完毕后STS脚会从开始的高电平跳转到低电平，从而利用它的下跳沿向单片机发出外部中断，通知单片
