电子设计竞赛论文：简易心电图仪

--大学简易心电图仪1简易心电图仪作者：--赛前辅导及文档整理辅导老师：--摘要本简易心电图仪以TI公司MSP430单片机为核心，采用仪用放大器INA326对采集到的微弱心电信号进行前置放大。在后级电路中，采用电压放大器，对波形进一步放大；采用低通滤波器进行滤波，50HZ双T陷波器，消除50HZ工频干扰，以得到清晰的心电波形。同时，我们通过MSP430单片机系统，实现对两路心电信号准确采集，存储，并进行回放。通过12864LCD实时显示心电图仪工作状态及心率，使整个系统的人机交互更加友好。AbstractThissimpleelectrocardiograminstrumenttoTI'sMSP430microcontrollerasthecore,forusewithamplifierINA326collectedtotheweakECGtopreamp.Inafter-classcircuit,avoltageamplifier,tofurtherenlargethewaveform;lowpassfilterforfiltering,50HZDoubleTnotchfiltertoeliminate50HZfrequencyinterference,inordertogetaclearECGwaveform.Atthesametime,weadoptedMSP430MCUsystem,toachievethetwo-wayECGaccuratecollection,storage,andplayback.12864LCDdisplaythroughreal-timeECGandheartrate-workstate,sothatthewholesystemofhuman-computerinteractionmorefriendly.一、选题以及系统方案论证1、选题简易心电图仪着重于心电信号的检测，涵盖了非常丰富的模拟电子技术知识，同时，波形的存储，回放部分，又需要扎实的数字电路，单片机知识作为基础。整个系统要求有非常高的噪声抑制功能，和信号处理能力。需要软硬件的密切配合，才能达到良好的效果。本题具有非常高的趣味性和实用性。2、选赛题提交参数指标①能够同时清晰显示两路心电波形②具有存储，回放两路心电波形的功能。③具有液晶同步显示功能，拥有友好的人机界面。④能够数字显示心率，示波器显示动态波形。⑤电压放大倍数1000倍。⑥高共模抑制比≥80db(包含1.5米长的屏蔽导线)。3、选题分析及方案论证--大学简易心电图仪2由于人体心电信号是极弱信号，且夹杂于大量的外部高频噪声中，该噪声将产生50/60Hz的固有模式干扰以及共模模式电压干扰。所以，心电信号的采集以及从非常大量的共模态电压及噪声中提取出非常微弱的电信号，成为我们的设计重点。所以，硬件方案的论证，我们主要集中在信号的采集和信号处理上。（1）信号采集部分①基本差分放大电路在测量人体心电的过程中，由于人体信号源电阻是变化的，会造成心电信号的放大增益极不稳定。同时，由于50Hz工频信号以及肌电呼吸所带来的干扰，会使基本差分放大电路的共模抑制比急剧下降，共模干扰极易湮没极其微弱的心电信号。所以一般的差分放大电路，例如OP07,OP27等，虽然能够抑制共模干扰，但是却无法达到足够高的CMR，所以我们不选取此种方案。②仪用放大器由于CMR共模抑制比是衡量心电图仪性能的重要指标之一，而且一般心电图仪都要求运算放大器的CMR不小于80dB，所以我们选取TI公司低功耗，高精度仪用放大器INA326来消除共模至双端输入的AC线路常见噪声，并放大输入端所残余的非直流信号。由于仪用放大器极高的共模输入电阻，人体信号源电阻的变化对输入电阻的影响几乎可以忽略不计，所以仪用放大器完全可以解决⑴方案基本差分电路的不足，该方案可取。③后级放大对于仪用放大器，作为放大器的第一级，虽然提高增益有益于降低输出噪声，但是考虑到极化电动势，共模抑制比等问题，其增益不应选取太大，所以我们选取5倍增益，而在后级放大电路中，我们选取200倍增益，总的增益为1000倍。（2）信号处理部分心电信号为微弱低频小信号，很容易被50Hz或者60Hz干扰，以及其他生物医学带宽的其他噪声或高频成分，电磁干扰（EMI），以及来自其他电子设备的噪声所影响，所以滤波，以及50Hz工频干扰的处理，成为我们信号处理部分的主要论证内容。①低通滤波器⒈一阶有源滤波。其结构相对简单且采用了集成运算放大器，因此具有较高输入阻抗和低输出阻抗，滤波效果不错。但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。⒉二阶有源滤波其结构相对于一阶电路而言，采用两个一阶滤波电路串联构成，其滤波效果相对于一阶滤波，相当明显。⒊二阶以上的高阶滤波。此滤波器是由多个一阶或二阶滤波器组成，其滤波效果很好，但是其电路比一阶电路要复杂的多，所需电阻电容较多，而电阻、电容的实际值很难与设计要求精确匹配，有时甚至为了匹配一个阻值需要好多个电阻串并联，同时由于不能避免环境因素对电阻、电容的影响。因此用的电阻、电容越多误差就越大，而达不到预期的滤波效果。所以，综上比较，我们选用二阶有源滤波电路，其结构相对简单，且具有相当好的滤波效果。--大学简易心电图仪3②50Hz陷波处理在设计陷波电路的时候，电阻、电容要尽可能的准确，精度要尽可能的高，以达到电阻、电容的相互匹配，而使50Hz干扰信号尽可能大的衰减。在电路中加入陷波电路，对抑制50Hz工频干扰十分的有效。图1双T网络仿真频率特性曲线图1为双T网络仿真频率特性曲线。由图可知，在50Hz左右，频特性曲线被很有效的衰减。因为双T网络具有比RC串并联网络更好的选频特性，故我们选用双T网络进行陷波。同时，另外一种陷波方法“自适应相关模板法”，由于这种方法算法程序设计比较复杂，相对硬件，不容易短期实现，故考虑不采取使用这个方案。③50Hz/60Hz抑制噪声辅助电路为了进一步消除线电源噪声，抑制50及60Hz干扰，通过仪用运算放大器所得到的共模态电压信号，凭借放大器通过右腿被反向并向病人驱回。只需少许微电流甚至更少即可实现显著的CMR改进，并保持在UL544限制之内。二、系统设计1、系统总体方案设计根据前面心电图的方案论证，仔细分析，从而制定了系统设计方案。系统原理框图如下所示：图2简易心电图仪系统原理框图前置放大电路50Hz双T陷波电路ECG显示后级放大及滤波ECG回放LCD显示心率心率脉冲信号产生与整形MSP430单片机信号采集电极--大学简易心电图仪4ECG标准监控设备需要0.05-30Hz之间的频率，通过对心电信号采集，放大，滤波，50Hz陷波处理后，显示心电图形，并送给MSP430F169单片机系统，软件实现心电波形的存储，回放，以及心率显示。2、前置放大电路及驱动电路设计图3简易心电图仪前置放大电路如图3所示，作为整个心电图仪的核心部件，高共模抑制比，噪声低，抗干扰能力强，成为本简易心电图仪的指标要求。本电路采用高共模抑制比仪用放大器INA326进行前置放大，放大5倍。仪用放大器简化了ECG前置放大电路，使仪器稳定性大大提高。由于两路心电图电路结构。技术参数完全相同，所以我们选取一路进行分析计算。首先，仪用放大器，我们选择放大五倍，即:Aua=5于是：Aua=2(R4/Rg)所以：R2=R3=Rg/2=R4/Aua.我们为了达到高的共模输入电阻，故取R4=200K,则R2=R3=40K.3、后级放大电路及滤波设计在后级放大中，因为信号已经经过一定的电压放大，以及共模抑制，所以在后级放大电路中，我们采用单电源CMOS运算放大器OPA2335，进行心电信号的后级放大。为使心电信号放大倍数总的为1000倍，所以在后级放大电路设计中，我们放大200倍，使放大倍数达到指标要求。所以我们选R6=5K,R7=1M。图4后级放大电路以及有源滤波为在放大过程中，能对心电图进行有源滤波，所以在后级放大电路中，我们采用--大学简易心电图仪5惯性环节放大和滤波，使系统具有一定的滤波功能。4、低通滤波器为了更好的达到明显的滤波效果，我们在后级放大电路滤波的基础上，再增加一简单的RC低通滤波器，来构成二阶有源滤波，滤波效果更加明显。图5RC低通滤波电路5、50HZ双T陷波器因为从人体检测到的心电信号包括50Hz工频信号及其谐波的干扰，所以微弱的心电信号往往被湮没在相对比较大的共模噪声干扰中，所以，我们必须对50HZ工频干扰进行处理。在设计陷波电路的时候，由于电阻电容值无法完全匹配设计参数，因此实际设计双T带阻陷波器时，我们选用可调电位器进行微调，以达到更为优良的50HZ陷波处理。50HZ陷波电路如图6所示，陷波电路幅频特性曲线如图1所示。图650Hz双T陷波电路三、系统软件设计本简易心电图仪，以TI公司低功耗MSP430单片机为核心，用3.3V电源对其供电。实现对ECG的存储，回放，以及液晶显示心率。我们在制作简易心电图仪的过程中，利用单片机内部A/D,D/A，FLASH存储器实现对模拟信号，和数字信号的互相转换，处理，并进行存储和输出回放ECG。--大学简易心电图仪6软件流程图如图7所示：图7软件流程框图首先，从主程序开始，开始扫描键盘，当有按键按下时，主程序将进入中断，执行子程序，等子程序执行完毕以后，系统将回到主程序，继续扫描键盘。在执行程序过程中，由LCD12864实时显示系统的工作状态。例如：当“显示心率键”按下时，程序将执行“显示心率子程序”，同时用LCD12864进行心率显示，拥有更加友好的人机界面。四、功能及指标测试1、测试仪器本简易心电图仪在进行功能测试以及指标参数测试时，所用到的测量器件主要包括：数字示波器，函数信号发生器，数字万用表，直流稳压源等。2、功能测试在进行功能测试时，要求被测量人员静卧在床上，用酒精将测量点擦净，接着捆绑接触很好的医用标准卤化银电极进行心电采集，以完成功能测试。在功能测试过程中，我们可以通过示波器清晰的看到“两路心电波形”，并通过按键--大学简易心电图仪7控制系统工作状态，由LCD12864进行实时显示，做到友好的人机交互。同时，按下“回放键”以及“显示心率键”后，示波器将清晰回放两路心电波形，并可以通过液晶，显示目前被测人员的心率。所以，由测试可知，我们所提心电图仪功能指标，全部可以平稳实现。如图8所示，附测得心电波形：图8简易心电图仪实测两路心电波形3、参数指标测试①系统放大倍数测试通过函数信号发生器，向心电图仪系统送入约1mv正弦信号，测量在不同频率下，心电图仪系统的输出电压，并计算心电图仪的放大倍数。信号频率1HZ5HZ10HZ15HZ20HZ30HZ40HZ50HZ60HZ70HZ80HZ输入(mv)1mv1mv1mv1mv1mv1mv1mv1mv1mv1mv1mv输出(v)1.041.051.020.990.950.810.560.1120.2720.4160.456放大倍数104010501020990950810560112272416456实测心电放大倍数1000倍，在频率处于50hz左右时，经50hz陷波电路，有很好的衰减，达到了很好的陷波效果。②系统共模抑制比测试（加电极屏蔽长导线）本简易心电图仪采用高共模抑制比仪用放大器INA326进行仪用放大，同时，系统采用右腿驱动方法，将通过仪用运算放大器所得到的共模态电压信号，凭借放大器通过右腿反向向病人驱回，改善共模抑制比。很容易使我们的CMR≥80db。4、测试结果分析从以上的测试结果来看，本简易心电图仪可以有效的对心电信号进行采集，信号放大，有源滤波，以及50Hz陷波，并可以清晰的对两路心电波形进行显示，存储和回放。同时可以由LCD实时显示状态，和人体当时心率，人机交互友好，所提指标全部可以稳定实现。五、总结在制作简易心电图仪的过程中，信号的采集和数据的滤波，陷波处理是我们在整个过程中的技术难题，需要很好的设计和大量的调试。同时因为选用电阻，电容的参数不相匹配，精度不高，所以在需要调试的地方，我们尽可能选用可调电位器，为整个电路的