心電信號采集與心電波形實(shí)時(shí)顯示模塊的設(shè)計(jì)

1、摘要本課程設(shè)計(jì)心電信號采集和心電波形顯示，采用AT89C51作為控制器，通過對人體標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)信號的采集以及放大濾波等處理，傳至控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)而在液晶屏上顯示波形以及實(shí)現(xiàn)計(jì)算心率等功能，設(shè)計(jì)內(nèi)容分為硬件部分和軟件部分。硬件部分由模擬采集部分和數(shù)字處理部分組成。模擬采集部分由前置放大級、二階高低通濾波器、光耦隔離、一級放大、50Hz陷波電路、增益可調(diào)二級放大組成，數(shù)字處理部分有AT89C51控制器、A/D轉(zhuǎn)換、LCD160128液晶顯示、按鍵處理模塊、閾值報(bào)警等構(gòu)成并且前置級浮地，數(shù)字電源和模擬電源分開供電，減少相應(yīng)的干擾。軟件部分需要將單片機(jī)與ADC轉(zhuǎn)化部分相連，在8位的ADC進(jìn)行系統(tǒng)

2、的配置后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。進(jìn)行數(shù)模的轉(zhuǎn)化。通過建立坐標(biāo)的方法進(jìn)行波形的實(shí)時(shí)顯示。另外可以構(gòu)建心率算法實(shí)現(xiàn)其他心率計(jì)算等其他功能。設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行仿真，制作樣機(jī)，軟硬聯(lián)調(diào)后測試預(yù)期的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：心電信號 AT89C51 心電波形目錄1.基本原理11.1心電信號的特點(diǎn)11.2心電檢測的原理12.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)12.1系統(tǒng)總體框圖12.2系統(tǒng)功能描述22.2.1 前置放大22.2.2 保護(hù)電路22.2.3 屏蔽驅(qū)動(dòng)22.2.4 高通濾波22.2.5 一級放大22.2.6 光電隔離22.2.7 DC-DC轉(zhuǎn)換32.2.8右腿驅(qū)動(dòng)電路32.2.9 50Hz陷波器32.2.10 低通濾波器32.2.11

3、 二級放大32.2.12 A/D轉(zhuǎn)換32.2.13 閾值報(bào)警32.2.14 LCD顯示33.系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)43.1模擬電路設(shè)計(jì)43.1.1前置放大器設(shè)計(jì)43.1.2高通和低通濾波器、50Hz陷波器設(shè)計(jì)63.1.3一級放大和二級放大設(shè)計(jì)93.1.4光電隔離設(shè)計(jì)113.1.5 DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)123.2數(shù)字電路設(shè)計(jì)133.2.1 A/D轉(zhuǎn)換和閾值報(bào)警133.2.2 LCD模塊顯示設(shè)計(jì)143.2.3數(shù)字電源設(shè)計(jì)153.2.4按鍵電路15參考文獻(xiàn)16附錄一：總原理圖1721.基本原理1.1心電信號的特點(diǎn)心電信號頻率低，幅值微弱，常常混雜其它的生理信號。心電信號的電壓范圍為0.54mv，頻率范圍為0.0

4、5100Hz。測量系統(tǒng)有較高的敏感度，易引入干擾。50Hz工頻干擾在測量頻率范圍內(nèi)。人體是電的良導(dǎo)體，其它電生理信號也會(huì)進(jìn)入測量系統(tǒng)。人體運(yùn)動(dòng)偽差帶來電極接觸的位置改變影響測量系統(tǒng)。1.2心電檢測的原理本心電檢測裝置根據(jù)愛氏標(biāo)準(zhǔn)雙極性肢體導(dǎo)聯(lián)（、）方法，使用三個(gè)不銹鋼電極，其中一個(gè)電極安裝在人的右腳，另外兩個(gè)電極根據(jù)愛氏三角形，可連接左手（）、右手（）或右手（）、左腳（）或左手（）、左腳（）。通過后兩電極之間的電壓差采集心電信號，然后再通過信號的分析處理得到心電波形。2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)低通濾波50Hz陷波器前置放大一級放大高通濾波光電隔離DC-DC轉(zhuǎn)換右腿驅(qū)動(dòng)屏蔽驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路二級放大AD轉(zhuǎn)換鍵盤

5、控制2.1系統(tǒng)總體框圖Msp430單片機(jī)閾值報(bào)警LCD屏顯示 圖1-系統(tǒng)總體框圖2.2系統(tǒng)功能描述2.2.1 前置放大用兩個(gè)集成運(yùn)放和儀用放大器構(gòu)成前置級放大，增益為G=10，提高輸入阻抗。2.2.2 保護(hù)電路對于心電信號0.54mv，可以使用反向并聯(lián)的硅二極管，低壓情況下工頻電壓干擾300mv左右，可使電壓鉗制在300mv。2.2.3 屏蔽驅(qū)動(dòng)由于測量電極和測量系統(tǒng)有大于1m距離時(shí)，會(huì)使共模電壓不等量衰減，降低共模抑制能力，將屏蔽層接入共模輸入信號的等電位點(diǎn)以消除分布電容的影響。2.2.4 高通濾波濾除頻率低于0.05Hz的電信號。2.2.5 一級放大使用集成運(yùn)放，使得運(yùn)放增益為G=20。2

6、.2.6 光電隔離對信號采用光電隔離，使或部分的信號處理電路不會(huì)因干擾的引入影響前置級信號采集的安全性和準(zhǔn)確性。2.2.7 DC-DC轉(zhuǎn)換將信號采集電路和信號處理電路的電源進(jìn)行隔離，保證安全。2.2.8右腿驅(qū)動(dòng)電路降低50Hz的工頻干擾電壓。2.2.9 50Hz陷波器去除50Hz工頻干擾信號。2.2.10 低通濾波器濾除高于100Hz的的電信號。2.2.11 二級放大提高信號的電壓增益，可調(diào)電壓增益為G=120，獲得合適的波形。2.2.12 A/D轉(zhuǎn)換將心電模擬信號信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，送給單片機(jī)處理。2.2.13 閾值報(bào)警當(dāng)干擾電壓過高或電極脫落報(bào)警。2.2.14 LCD顯示顯示出心電信號的波

7、形，已檢查心臟的情況。2.2.15按鍵控制調(diào)整波形基線的位置和顯示屏的顯示及保持。3.系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.1模擬電路設(shè)計(jì)3.1.1前置放大器設(shè)計(jì)前置放大電路的電路圖如圖2所示,由輸入跟隨器、儀用放大器、右腿屏蔽驅(qū)動(dòng)和屏蔽層驅(qū)動(dòng)4 部分組成。( 1) 輸入跟隨器。提供高輸入阻抗，獲取更強(qiáng)的心電信號, 采用高輸出驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器TLC084, 具有最大失調(diào)電壓1.9mV, 超低失調(diào)偏移1.2V/°C。( 2) 儀用放大器。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器AD620, 具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 V)和低失調(diào)漂移(最大0.6 V/°C)特性 。該儀

8、用放大器的增益范圍為110 000, 由其放大增益關(guān)系式:G = 1+ 50 K/Rg, 取G=10, 則算出Rg 為5.556 k, 取近似值5.6 k。 ( 3) 右腿屏蔽驅(qū)動(dòng)。采用高精度運(yùn)算放大器TLC084,把混雜于原始心電信號中的共模噪聲提取出來, 經(jīng)過一級倒相放大后,再返回到人體, 使它們相互疊加, 從而減小人體共模干擾的絕對值, 提高信噪比。( 4) 屏蔽層驅(qū)動(dòng)。盡管大部分噪聲以共模形式存在于人體, 但由于元器件不可能完全對稱,電路板又存在一些分布參數(shù)（如寄生電容）, 結(jié)果使少部分以共模形式存在的干擾噪聲以差模信號的方式進(jìn)入放大器, 而放大器對差模信號的放大能力很強(qiáng),最終導(dǎo)致信號

9、發(fā)生畸變。因此, 采用高精度運(yùn)算放大器TLC084,通過屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路, 用共模電壓本身驅(qū)動(dòng)屏蔽層給予中和, 以便將跨接在其上的共模波動(dòng)減小到零。圖2-前置級放大前置放大級通過施加一個(gè)幅值為4mv、頻率為60Hz正弦信號源，multisium仿真結(jié)果如圖3所示：圖3-前置級放大仿真結(jié)果3.1.2高通和低通濾波器、50Hz陷波器設(shè)計(jì)由于心電信號屬于低頻信號, 為了去掉高頻的干擾, 還須通過低通濾波。低通濾波器( LPF) 如圖4所示采用歸一化設(shè)計(jì)的BUTTERWORTH 二階低通濾波, 截止頻率fH 為100 Hz, 在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度。放大器的溫漂、皮膚電阻的變化、呼吸和人體運(yùn)動(dòng), 都會(huì)

10、造成心電信號出現(xiàn)所謂的“基線漂移”現(xiàn)象, 即輸出端的心電信號會(huì)在某條水平線上緩慢地上下移動(dòng)。從頻譜上說, 這些影響都可以歸結(jié)為一個(gè)低頻噪聲干擾。文獻(xiàn)指出,這些噪聲主要集中于0.032 Hz。但是, 心電信號中的ST 段和Q 波頻率分量集中于0.052 Hz, 與上述低頻噪聲分量很接近。因此,不可簡單地把高通截止頻率定為2 Hz, 否則將使心電信號的波形出現(xiàn)較大失真。根據(jù)美國心臟協(xié)會(huì)(AHA) 的建議, 去除心電信號中的直流成分的帶通濾波器(BPF) 截止頻率不得超過0.05 Hz。高通濾波器（HPF）如圖5所示截止頻率設(shè)計(jì)為0.05Hz。采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC084, 每通道供電電

11、流為2.5mA, 噪聲8.5nV/Hz(在1kHz 時(shí)) , 適合便攜式設(shè)備。雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用, 但部分工頻干擾是以差模信號方式進(jìn)入電路的, 且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi), 加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素, 經(jīng)過前面的前置放大, 低通濾波和一級放大后, 輸出仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾, 所以我們采用“雙T 帶阻濾波”電路來濾除工頻干擾。50Hz 工頻陷波電路如圖6所示, 放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC084。 圖4-低通濾波器圖5-高通濾波器圖6-50Hz陷波器低通濾波器施加一個(gè)幅值400mv、頻率為60Hz的正弦電壓信號，multisium仿真結(jié)果如圖7所示

12、：圖7-LPF仿真結(jié)果高通濾波器施加一個(gè)幅值40mv、頻率為60Hz的正弦電壓信號，multisium仿真結(jié)果如圖8所示：圖8-HPF仿真結(jié)果雙T陷波器施加一個(gè)幅值400mv、頻率為60Hz的正弦電壓信號，multisium仿真結(jié)果如圖9所示：圖9-50Hz陷波器仿真結(jié)果3.1.3一級放大和二級放大設(shè)計(jì)由于經(jīng)過前置級放大得到的信號依然微弱，所以一級放大如圖10所示采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC084實(shí)現(xiàn)增益G=10，提高信號的幅值。經(jīng)過LPF后的信號幅值送入單片機(jī)進(jìn)行處理幅值太低，需要使用變阻器R39實(shí)現(xiàn)G=120的增益可調(diào)二級放大如圖11所示，便于單片機(jī)處理和顯示。圖10-一級放大圖11

13、-增益可調(diào)二級放大一級放大施加一個(gè)幅值40mv、頻率為60Hz的正弦電壓信號，multisium仿真結(jié)果如圖12所示：圖12-一級放大仿真結(jié)果二級放大施加一個(gè)幅值400mv、頻率為60Hz的正弦電壓信號，multisium仿真結(jié)果如圖13所示：圖13-增益可調(diào)二級放大仿真結(jié)果3.1.4光電隔離設(shè)計(jì)從人體的安全角度、信號的防干擾角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了光耦隔離電路如圖14所示，其采用隔離芯片ISO130和TLC084作為主要芯片，可以實(shí)現(xiàn)其光耦與放大的功能。圖14-光電耦合隔離光電耦合施加一個(gè)幅值400mv、頻率為60Hz的正弦電壓信號，multisium仿真結(jié)果如圖15所示：圖15-光電耦合隔離仿真結(jié)

14、果3.1.5 DC-DC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)光耦隔離前端電源浮地，采用MC78L05穩(wěn)壓如圖16所示提供5V電源。光耦隔離后端電源接模擬地，采用MC78L05穩(wěn)壓如圖17所示提供5V電源。圖16-前端5V穩(wěn)壓圖17-后端5V穩(wěn)壓5V穩(wěn)壓仿真結(jié)果如圖18所示：圖18-5V穩(wěn)壓仿真結(jié)果3.2數(shù)字電路設(shè)計(jì)3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換和閾值報(bào)警AD0832是位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可支持兩個(gè)單端輸入通道和一個(gè)差分輸入通道。電壓分辨率為5/256V,約為19.5mV。A/D轉(zhuǎn)換電路如圖19所示。閾值報(bào)警如圖20所示，當(dāng)電極脫落或輸出電壓過高時(shí)，紅色LED燈發(fā)光報(bào)警。圖19-A/D轉(zhuǎn)換圖20-閾值報(bào)警3.2.2 LCD模塊顯

15、示設(shè)計(jì)LCD模塊采用PG160128A為一個(gè)128行160列的點(diǎn)陣液晶屏，能顯示各種字符、圖形、 漢字，基于T6963C內(nèi)核控制，自帶字符庫，同時(shí)用戶也可以自己建立漢字、圖形庫。LCD顯示如圖21所示。圖21-LCD顯示3.2.3數(shù)字電源設(shè)計(jì)供電電源接數(shù)字地，采用MC78L05穩(wěn)壓如圖22所示提供5V電源。圖22-數(shù)字5V穩(wěn)壓3.2.4按鍵電路按鍵電路如圖23所示控制波形的顯示，1、2控制液晶顯示基線的上下移動(dòng)，3控制液晶顯示屏上波形的保持和復(fù)原。圖23-按鍵電路4.軟件部分設(shè)計(jì)AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。將ADC0832與AT89C51對應(yīng)連接，軟件部分需要的ADC轉(zhuǎn)化部分，進(jìn)行數(shù)模的轉(zhuǎn)化。通過建立坐標(biāo)的方法進(jìn)行波形的實(shí)時(shí)顯示。另外可以構(gòu)建心率算法實(shí)現(xiàn)其他心率計(jì)算等其他功能。經(jīng)過電路處理后的ECG信號在8位的ADC進(jìn)行系統(tǒng)的配置后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)