2004年湖北省电子设计竞赛一等奖简易心电图仪

ggfhkl45

本设计应用高精度的仪表放大器INA128组成放大电路对心
电信号进行放大，采用有源滤波电路和数字滤波等技术对
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、
& x2 d+ c1 W' t! d9 y, L$ {存储及回放，并配有语音提示功能。
/ Z/ A+ B% b( _2 K! `( a+ F' X0 S6 I
赛题分析与方案论证
0 w* C9 |- ^% c8 N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
7 D' w$ o$ y9 t& J. m高的要求。方案论证主要集中在数据采集和信号处理部分。
1. 数据采集部分
. W9 j1 p: r5 r因为赛题已要求用20mm × 20mm 薄铜皮作为与皮肤接触的
4 l: M. x% X/ D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。
关于信号放大的方案论证如下：
  I" n' F3 I6 k' |$ A3 R（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
! A; T* ?2 G. G2 h体心脏产生的电信号外，还包含肌电、呼吸以及50Hz工频信号
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
电信号，从而影响系统对心电信号的分析，因此，CMR（共模
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
! g0 @/ y1 T5 H. A$ ~9 j, @+ t运算放大器的CMR不小于80dB。上述两种运算放大器的共模抑
, t  p* }8 h  R- K5 e% _0 B; l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
  w8 h, U0 t1 L. u' C# a+ J, N8 w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
有良好的共模输入抑制能力，CMR 大于120dB，而且只需外接
, b5 p3 Q7 i, v一个电阻就可调节增益。INA128可将毫伏级的心电信号放大成
# j; a' K! m. M* P. C伏级信号，便于测量。同时，INA128 对直流电源的要求低，甚
" L( J1 H. H% k$ Q" j4 P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
电流只有700μA，功耗非常低。因此，在小信号放大部分我们
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
部分的方案论证主要放在滤波部分。
3 B! k- Z( B( y% \4 X8 W, z4 V& v# n（1）高通滤波部分
9 ^! H: ^0 g5 _7 [考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低，且对精度也
7 L& {/ C) S( Z1 z: S. U  }7 m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
# W/ C# h9 `6 t1 s3 K滤波，其效果不错且易于实现。
（2）低通滤波部分
7 N; y6 C+ O: F/ ^$ S5 H* }低通滤波可选有源滤波或数字滤波。
, l! v2 ~) f+ `4 g有源滤波
/ V8 }3 o) f/ d9 K- u①一阶滤波。其结构相对简单，且采用了集成运算放大器，
- ?* p# u  F9 H( g2 M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，
滤波效果比无源滤波器好，幅频特性曲线可达到-20dB/10倍频
3 c- }3 t/ W8 N. \5 p3 R程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。
9 N* H2 ~* s+ e6 K& T( f5 U$ }
5 h" h+ S6 r7 A9 a7 S②二阶滤波 。它和一阶滤波采用类似的结构，但幅频特性
+ |7 W* a8 g. j! g9 `* {2 u0 D" K! x曲线能达到-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显。
/ d8 _  ~4 }  G. w. J③二阶以上的高阶滤波。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
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
1 `+ b  J* h6 U& H: S6 h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
$ R! L; l" R; k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。
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
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
+ _' a. A; L# v* _# D) ~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
9 o" A+ @. K5 Z# ~  ?# |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
字处理器凌阳61A单片机可达到49.512MHz的时钟频率，而且
% Y8 N: `! E. V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.
) J+ q- m* F4 Y4 R512MHz，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
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
充分发挥数字滤波的性能，但可以起辅助滤波作用。
. Y4 P& I% v. V* e- J; D综上所述，由于本系统除了波形处理外，还要求具有数字
" d/ w- H0 r3 D- ?6 L4 C/ H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
& t! M0 Z- K+ V' L. R1 z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
9 a! y; k6 ^8 f9 D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
2 G3 u1 y) `, G# M9 f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
适应相干模板法和模拟陷波法。
自适应相关模板法 自适应相关模板法利用工频干扰的相
& S+ [# ~- d# m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
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
有限，故不采取这个方案。

: m% ]7 ]  R, @$ U$ a
1 n! g+ ^% ?) i$ u* u4 x- Q' O

游客，如果您要查看本帖隐藏内容请回复

; m% T6 t$ D9 y% K

hthjgjkkl

学习一下。