2004年湖北省电子设计竞赛一等奖简易心电图仪

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本设计应用高精度的仪表放大器INA128组成放大电路对心
. p0 I6 \8 ~# X) [; P3 i电信号进行放大，采用有源滤波电路和数字滤波等技术对
" f6 A7 [7 [8 E$ q心电波形进行综合处理，实现了两路心电信号同时测量显示、
存储及回放，并配有语音提示功能。

0 S8 F' Q% z2 Z6 K0 g# G赛题分析与方案论证
3 z. O5 p' f8 O! c0 \3 {% ]本系统的用途是对心电信号进行检测、存储和回放。由于
心电信号为弱信号，因此本系统对抗干扰和信号处理能力有较
, j4 B& L9 g8 Y7 i高的要求。方案论证主要集中在数据采集和信号处理部分。
. K  U" M# I4 f$ w' W/ a  Q  P6 H1. 数据采集部分
因为赛题已要求用20mm × 20mm 薄铜皮作为与皮肤接触的
' ?, Z9 d/ a) B( e$ Z! K简易电极，因此数据采集部分的方案选用主要在信号的放大部分。
: D4 B5 r- p6 i& t1 W! y关于信号放大的方案论证如下：
. x. N8 q  n: ?* r- Y（1）采用如OP07、NE5534 等低噪声，具有一定精度的普
通运算放大器来构建放大电路，但从体表采集到的信号除了人
体心脏产生的电信号外，还包含肌电、呼吸以及50Hz工频信号
/ K4 S4 h0 @1 s* }, v等带来的干扰。其中，工频干扰引起的共模信号可能远大于心
" X3 J, C7 m  y; [2 r5 a电信号，从而影响系统对心电信号的分析，因此，CMR（共模
  l* J0 [; a: L& f7 |抑制比）是衡量心电图仪性能的重要指标之一。心电图仪要求
2 q) J7 }- ?) v8 X2 I$ `. {) Z$ G运算放大器的CMR不小于80dB。上述两种运算放大器的共模抑
制能力虽能满足这个要求，但用这样的单个运放构成的电路难
以达到较高的CMR，故不采取此方案。
（2）采用低功耗、高精度的仪表放大器——INA128。其具
, |$ r+ ]; Y- t7 i7 a$ ]有良好的共模输入抑制能力，CMR 大于120dB，而且只需外接
一个电阻就可调节增益。INA128可将毫伏级的心电信号放大成
伏级信号，便于测量。同时，INA128 对直流电源的要求低，甚
至只需2.25V的直流电源电压就可表现出色的功能特性，静态
8 [. j# V4 E; ]. {' |: v7 T电流只有700μA，功耗非常低。因此，在小信号放大部分我们
! ^& e/ ^4 I/ h3 [; n$ o, J选择仪表放大器INA128。
2．心电信号处理部分
由于心电信号属于低频小信号，易受干扰，因此必须对所采
集的信号进行高通、低通、陷波处理。因此我们将心电信号处理
9 L" d9 h. R  J4 h. X8 p- O/ _部分的方案论证主要放在滤波部分。
（1）高通滤波部分
考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低，且对精度也
8 f) I& ^* T: V/ E% a没有严格要求，因此选用结构和设计都十分简单的RC一阶无源
滤波，其效果不错且易于实现。
（2）低通滤波部分
0 b! Z" D* @3 y: h: j0 |2 \& g7 R& ?0 l低通滤波可选有源滤波或数字滤波。
8 O4 r/ }; b( O1 t; q9 M有源滤波
1 g: ~; y5 k! T$ _. P& J9 [①一阶滤波。其结构相对简单，且采用了集成运算放大器，
; O0 K! {/ e+ s因此具有高输入阻抗和低输出阻抗，同时由于具有缓冲作用，
6 _- ~# {3 k7 P1 ?2 I" k/ X, E滤波效果比无源滤波器好，幅频特性曲线可达到-20dB/10倍频
/ n" F7 [; U% S0 W程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。

& K& z* Z' H' P( X7 |②二阶滤波 。它和一阶滤波采用类似的结构，但幅频特性
" Y  {* e, q; P+ t曲线能达到-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显。
7 u6 N8 b; P0 H/ v' {③二阶以上的高阶滤波。它是由多个一阶和二阶滤波器组
成的，效果自然要比上述两种滤波器好，但其电路比一阶和二
& ^) r% l) R: u* n2 ], \阶复杂，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，有时为了匹配一个阻值需要好几个电阻串并联，
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，导致实际的滤波效果与设计时所期望
) {' n4 a# b7 ~6 A9 t8 U) a& L+ f的存在一定差距。本赛题只对截止频率的精确度有要求，而对
4 }$ W% k, m" S8 \( e系统的频域衰减速率未做特别要求，因此可以不必选择高阶滤
波方案。
" @# R( r8 |* {; b数字滤波方案 　数字滤波的优点是参数可调节性好，可
以通过更改程序中的参数对截止频率进行精确的调节，由于参
6 z2 C  s( j% y. W数不会随温度等环境因素改变，从而精确度得到保证。但是数
0 Q, ^. v* E/ s+ }$ x" K, q7 b5 V字滤波对处理器的要求比较高，想要得到更好的滤波效果就要
& S1 i; w& c, B. a2 z, C$ ?1 v0 q求滤波器取更高的阶数，处理器时钟周期尽可能小，乘法的计
算速度尽可能大 ，一般非DSP处理器达不到要求。本系统的数
" u. Y7 J* X* w& }9 e字处理器凌阳61A单片机可达到49.512MHz的时钟频率，而且
提供计数器计时中断。计数器的时钟源频率最高可以设置为24.
7 r; F. ?  D7 W% ]. h5 N512MHz，经过分频后有多种采样频率可选。而且凌阳单片机的
汇编语言中已经有FIR算法可以直接应用，因此可以做出16阶
! `# u0 v. r0 z4 |6 B1 ~5 J的数字滤波。虽然16阶的数字滤波器效果不是十分理想，不能
2 ^+ [+ q4 D1 U3 F0 g3 F2 T% E9 q充分发挥数字滤波的性能，但可以起辅助滤波作用。
综上所述，由于本系统除了波形处理外，还要求具有数字
5 f# |' H) ~$ k: W6 _. p+ c存储和回放功能，因此本系统采用模拟、数字滤波相结合的方
0 O% u: _2 I  S* b/ i案，对通过两种标准导联所采集的两路心电信号分别进行以
100Hz 和500Hz 为截止频率的模拟低通滤波，对要进行存储的
信号，在用单片机采样的同时对其进行数字滤波，截止频率可
设置低于50Hz，以避免工频信号干扰，使所存储回放的心电波
形更为清晰。
（3）陷波处理
本系统要除去工频50Hz的干扰，需要对混杂在心电信号里
的50Hz信号作尽可能大的衰减处理。处理方案集中在两种：自
) Z% X* x1 v8 H( V6 J3 p适应相干模板法和模拟陷波法。
- j/ D' D4 v+ c, I$ x6 @自适应相关模板法 自适应相关模板法利用工频干扰的相
关特性， 从原始输入信号中得到工频干扰的模板， 进而从原始
2 u6 [$ j% |5 K0 ~输入信号中减去工频干扰的模板， 达到滤除工频干扰的目的。
但这种方法算法虽简单但程序设计比较复杂，考虑到竞赛时间
, B) b" D: a: T有限，故不采取这个方案。
- F8 m. g& V, J, V6 Y% z

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