景艷梅 王硯生 何文學(xué)

摘要：心電信號(hào)是人體重要的生理信號(hào)，載有人體心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)生理、病理信息，對(duì)心電信號(hào)的監(jiān)護(hù)是臨床上進(jìn)行心臟研究和診斷心血管疾病的重要方法。針對(duì)心電信號(hào)低頻微弱特性，提出了一種基于MSP430超低功耗單片機(jī)的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了心電監(jiān)護(hù)終端硬件結(jié)構(gòu)的總體框架，重點(diǎn)介紹了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，包括放大電路、濾波電路及右腿驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；心電監(jiān)護(hù)；MSP430；降噪；信號(hào)調(diào)理

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)01-0220-03

Design of ECG Signal Acquisition and Processing Circuit

JING Yan-mei1, WANG Yan-sheng2, HE Wen-xue1

(1.College of Physics and Electronic Information, Yunnan Normal University, Kunming 650092, China; 2.Wucheng Primary School , Kunming 650031, Yunnan）

Abstract: ECG signal is an important human physiological signal, containing the human cardiac conduction system of physiological and pathological information. The ECG monitoring is an important method performed on the heart study and clinical diagnosis of cardiovascu? lar diseases. Aiming at the weak low frequency characteristic of ECG signals, one kind of portable ECG monitoring system is proposed based on the MSP430 MCU, and the ECG monitoring terminal hardware structure of the framework is given. In this paper, the design of the signal processing circuit is focused on, including an amplifier circuit, filter circuit and the right leg drive circuit design. Key words: ECG; ECG monitor; MSP430; noise reduction; signal processing

隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展及老年化社會(huì)的到來(lái)，人類的健康觀念、健康方式和途徑都發(fā)生著深刻的轉(zhuǎn)變，心臟保健成為了一個(gè)引人注目的社會(huì)問(wèn)題。由于醫(yī)院傳統(tǒng)的心電圖儀體積大、成本高，不適宜家庭日常監(jiān)護(hù)使用，因此設(shè)計(jì)一款便攜式、低成本，使用方便的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義和需求。

1設(shè)計(jì)思想

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于體積、重量、電池供電等因素考慮，選取的單片機(jī)必須是低功耗的[1]。MSP430FG43X單片機(jī)是TI專門設(shè)計(jì)用于人體醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)（心電、血壓、血糖）的單片機(jī)。系統(tǒng)采用MSP430FG439微處理器為核心控制芯片，不僅具有MSP430的超低功耗特性，還能大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。心電圖（Electrocardiogram ,ECG）信號(hào)是通過(guò)心電電極探測(cè)到生物電流，并通過(guò)導(dǎo)聯(lián)線與心電信號(hào)采集器連接，將采集到的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析[2]。系統(tǒng)的主要功能框圖如圖1所示。

圖2信號(hào)調(diào)理電路框圖

2.1放大器的設(shè)計(jì)

由于心電信號(hào)十分微弱，只有0.05—5mv，而且因人而異，從電極采集到的心電信號(hào)的峰峰值一般為1mv。為了便于觀察和A/D轉(zhuǎn)換，心電信號(hào)應(yīng)盡量不失真地放大到V量級(jí)。要想獲得用如此高增益的放大器來(lái)放大強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱ECG信號(hào)并不是一件容易的事情，考慮到初級(jí)放大增益太大會(huì)影響電路的直流穩(wěn)定性，前置放大器將出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，因此采用兩級(jí)放大。

2.1.1前端放大電路

在心電信號(hào)的采集和處理過(guò)程中，前置級(jí)放大電路設(shè)計(jì)是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵部分[5]，因?yàn)樗粌H要求在心電信號(hào)頻率范圍內(nèi)不失真地放大所采集的微弱心電信號(hào)，同時(shí)要將干擾信號(hào)降低到最低水平。任何放大器都會(huì)同時(shí)放大夾雜在所需ECG信號(hào)中的各種干擾[6]，在某些情況下ECG信號(hào)往往淹沒(méi)在干擾信號(hào)中，使放大的信號(hào)毫無(wú)價(jià)值。

前置級(jí)放大電路一般都采用三運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但自己搭建的三運(yùn)算放大器電路，由于電子元件精度不對(duì)稱，很難達(dá)到設(shè)計(jì)所需的精度[7]。由于從電極采集到的ECG信號(hào)夾雜著各種共模干擾，為了防止ECG信號(hào)的輸出被淹沒(méi)在50Hz工頻干擾、電極極化電壓或其他共模干擾之下，一個(gè)更好的方法是使用一個(gè)差分放大器。這些共模干擾通過(guò)理想匹配的差分放大器自動(dòng)地濾除掉了。本設(shè)計(jì)中采用已經(jīng)和相應(yīng)的平穩(wěn)增益電阻匹配的INA321差分放大器[8]。

INA321是美國(guó)Texas Instruments公司設(shè)計(jì)的一款微功耗、單電源的CMOS儀表放大器，它提供固定的5倍增益，可根據(jù)需要外接增益電阻任意設(shè)置增益；線性誤差最大值為2ppm，失調(diào)電壓最大值為200μV；共模抑制比為94dB，可擴(kuò)展到3KHZ，有效消除了線路噪聲及線路諧波等共模干擾；工作電壓范圍：2.7V—5.5V。INA321還具有低成本，低輸入偏置電流和小封裝等特點(diǎn)，所以它非常適合應(yīng)用于醫(yī)療儀器。基于系統(tǒng)選擇的單片機(jī)而言，INA321儀表放大器在單片機(jī)的工作電壓（1.8V—3.6V）下工作更穩(wěn)定，偏移電壓、偏移電流更小，更適合用于心電信號(hào)的前置放大。

2.1.2主級(jí)放大電路

經(jīng)過(guò)INA321放大后的心電信號(hào)的幅值仍較低，為了提高采集精度，將進(jìn)一步被MSP430FG439中三個(gè)綜合運(yùn)算放大器之一的OA0放大，如圖3所示。結(jié)合FG439中集成的A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量范圍0～2.5V，將主放大電路的放大倍數(shù)設(shè)定為100倍左右，經(jīng)兩級(jí)放大后ECG信號(hào)總共被放大500倍，使輸入A/D轉(zhuǎn)換端口的心電信號(hào)幅值落在測(cè)量范圍內(nèi)。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)便攜式監(jiān)護(hù)儀器自身固有的特點(diǎn)：硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積便于攜帶,提出了以MSP430FG439超低功耗微處理器為核心控制芯片、采用高精度的儀表放大器INA321為前置放大的設(shè)計(jì)思想,著重介紹了抗干擾的硬件解決方案,對(duì)其余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將在進(jìn)一步的研究工作中去實(shí)現(xiàn)和完善。

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