基于ARM7的单电源心电信号采集系统设计与实现.pdf

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1、?电子测量技术 第 卷 第期 年月基于犃 犚犕 的单电源心电信号采集系统设计与实现陈红万施继红王威廉吴小艳（云南大学信息学院昆明 ）摘要：本文介绍了基于 的单电源心电采集系统的设计与实现。所设计的电路结构简单，采用 单电源供电，借助嵌入式技术的 进行数字滤波，简化了常见 信号采集电路中的硬件电路。系统采用 公司的高性能芯片：、等进行设计，并完成了实际电路，最后给出人体实际测试结果。测试结果表明，该电路稳定可靠，达到设计要求。因此，本设计对开发低功耗、低成本的小型心电记录监测仪器具有重要的应用价值。关键词：；心电信号采集；单电源；软件滤波；芯片中图分类号：文献标识码：犇 犲 狊 犻 犵 狀狅 犳

2、 狊 犻 狀 犵 犾 犲 狊 狌 狆 狆 犾 狔犈 犆 犌犪 犮 狇 狌 犻 狊 犻 狋 犻 狅 狀狊 狔 狊 狋 犲 犿犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犃 犚犕 （，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，、，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；基金项目：国家自然科学基金资助项目（）引言一个好的心电采集电路是心电图机设计的前提和基础，目前常用的心电采集电路大多设计复杂，一般都是双电源或者多电源供电，采用硬件电路滤波方法，虽然效果较好，但成本较高，不适合小型的便携式心电处理设备。本文给出的设计电路结构简单，采用 单电源供电，在基于 核的嵌入式系统中采用了软件滤波算法，省掉了常用心电采集电路中的威尔逊电阻网络

3、，导联选择，有源双带阻滤波、光电隔离等电路。同时，处理器还可以对采集到的心电信号进行转换，波检测，心率计算，心率失常分析等实时处理。系统框图心电采集电路前端由传感器、保护电路、滤波电路、图 系统框图更多技术文章，论文请登录内容版权归作者所有第 卷电子测量技术前置放大电路、右腿驱动电路和主放大电路组成，采集电路后端由 公司的基于 核的 来对心电信号进行转换，滤波等处理。系统框图如图所示。利用体表电极获得的心电信号幅度在 ，临床心电信号的标准带宽为 。心电信号含有的主要噪声源为电源工频干扰（），工频干扰噪声的消除对于微弱心电信号的采集是非常重要的，在电路设计中，将主要通过数字滤波的方法来消除工频干

4、扰，同时结合简单模拟滤波电路、共模抑制电路，屏蔽电路等消除干扰噪声。电路设计 采集电路前端 高频噪声滤波电路图 高频噪声滤波电路由心电传感器从人体采集的心电信号可能含有大量的高频噪声干扰，因此在进入前置放大器之前，要经过一个截止频率为 的二阶低通滤波器滤除高频噪声，同时这也提供了心电信号的直流通道。每个通道的两个串联电阻还可以起到限流作用。电路采用 单电源供电，病人最大的漏电流应该小于，所以犚犚 ，为留有余量，选择的值为 取犚 ，犚 ，犆犆犉 犮 犚 犆 所以犆 ，实际电路中取犆犆犆犆 前置放大和右腿驱动电路前置放大和右腿驱动电路如图所示。前置放大级选用高精度、低功耗、三运放结构的高性能仪器放

5、大器 ，通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比（）而保持最小的误差，线路噪声及谐波。低功耗（时 ）、宽电源电压范围（）、高共模抑制比、高输入阻抗、较高的差模增益、满电源幅度输出等优点使 成为单电源供电心电信号采集电路的理想选择。图 前置放大和右腿驱动电路图 内部结构图 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性。其增益最高可达 倍。在本设计中取前级放大倍数 犚犌犚犌（）所以犚 （犚犚），取犚犚 ，求得犚 因为是单电源供电，而不同导联的心电信号电压有正有负，所以一定要提供一个合适的箝位电压。的 转换模式下电压输入范围是 ，这里就选择电源电压 的中间值 作为箝位电压。即

6、的脚接参考电压 。右腿驱动电路是专为克服人体承载的共模干扰，提高更多技术文章，论文请登录内容版权归作者所有陈红万 等：基于 的单电源心电信号采集系统设计与实现第期 而设计的，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。实际电路中采用双运放放大器 放大共模信号，考虑功耗问题，犚取，犚取 ，犚 为限流保护，犆可以让电路更稳定，一般取 。输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，它消除了屏蔽电缆分布电容的影响，提高了电路的共模抑制能力。屏蔽驱动对于减少 共模干扰也很有用。高通滤波和主放大电路高通滤波和主放大电路如图所示。图 高通滤波和主放大电路因为临床心电信号的标准带

7、宽为 。在信号进入主放大器之前，需要用一个高通滤波器滤除低频信号，以消除低频干扰导致的心电信号基线漂移。电路中取犆 ，犚，其高通截至频率为 。主放大器采用 的 芯片，是一款微功率、轨对轨输入与输出放大器，利用 单电源供电可以达到所有指标，特别适合便携式仪表。图 电源电路 的放大倍数由公式 犚 犚 来确定，前置放大电路的放大倍数为 ，为使 左右的心电信号放大到 的输入电压范围内（），需要将心电信号放大约 倍，所以取主放大电路的放大倍数 ，犚，犚 的值分别为 和 。同时犚、犚 和犆构成一阶低通滤波器，其截止频率设为 ，犆 。电源电路电源管理芯片采用 的 ，封装。输入电压范围（），最大输出电流，可以

8、用两节干电池作为供电电源，该电路可以分别输出 模拟电路供电电压，数字电路供电电压以及 的参考电压。采集电路后端心电信号采集电路后端主要由 及其外围电路组成，基于 核的 芯片有丰富的片内外围电路，处理速度高达 ，位转换速度可达 ，具有很高的性价比。首先由 对前端输入的心电信号进行转换，选择定时器控制的 采样模式，采样频率为 。一次转换结束，触发 中断，在中断服务程序中对数字信号进行滤波处理。心电信号中电源工频干扰是最主要的干扰，传统的双陷波电路对元件的精度和对称性要求比较高，在实际中很难调试，所以选择软件滤波，滤波算法为简单整系数带阻滤波。其理想滤波特性可以用全通网络犎和梳状滤波网络犎的组合来实

9、现。全通网络只具有延迟特性，起到抵消梳状滤波网络带来相位延迟的作用。梳状滤波网络用整系数实现。其传递函数和频率响应分别为：犎犎犎（）犎（犣）狕 狕 狕（）犎（犼 狑）犲犼 狑 狑 狑犲犼 狑（）其实现框图如图所示，幅频响应如图所示。图 简单整系数带阻滤波器实现框图这个滤波器除了滤掉 以下的零漂和 的工频干扰外，也有效地滤掉了高次谐波的干扰。处理后的数据通过 口送至，由 通过由 编写的界面将结果直观地显示出来并存储下来。更多技术文章，论文请登录内容版权归作者所有第 卷电子测量技术图 简单整系数带阻滤波器幅频响应 实测结果该电路通过采集人体心电信号进行实调，输出使用 示波器进行监视，图是前端采集的

10、心电信号跟后端软件滤波后由 的 输出的心电信号的对比。图 所示为基于 开发的程序采集的心电信号。该电路现已经投入使用，并已采集了大量病人和正常人的心电数据，使用表明，该电路稳定可靠，达到了设计要求。图 示波器显示的滤波前后心电信号图 显示采集的心电信号 结论本研究根据人体心电信号的特点，设计出放大电路并通过软件滤波可以得到低失真的心电信号。通过电路实测表明，该电路满足设计要求，可用于 监护仪中。本设计具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声和低温漂等优点，而且低成本、低功耗、体积小，便于携带。参 考 文 献朱大缓便携式心电检测放大电路设计医疗卫生装备，（）：万相奎嵌入式心电信号分析仪计算机工程与应用，（）：王志坚简明心电图教程北京：人民军医出版社，：余学飞医学电子仪器原理与设计第版广州：华南理工大学出版社，：谭渝简单整系数递归数字滤波器及其在生物医学中的应用（三）中国医疗器械杂志，（）：王镇，蔡萍用于去除心电信号中工频干扰数字滤波技术电子测量技术，（）：和志强，曾文献 嵌入式虚拟数字存储示波器仪器仪表学报，（）：作 者 简 介陈红万，男，云南大学信息学院生物医学工程专业 级硕士研究生，主要研究方向为医学信号处理，嵌入式系统设计。：施继红，女，云南大学信息学院副教授，主要研究方向为 技术。：更多技术文章，论文请登录内容版权归作者所有