伊春職業(yè)學(xué)院機電工程系 張 旭

1.概述

現(xiàn)在的大學(xué)涉電專業(yè)所學(xué)的電路、模擬電子、數(shù)字電子、單片機等課程相對比較獨立，同學(xué)們普遍缺乏面對實際工程問題、設(shè)計制作較大規(guī)模應(yīng)用電路的工作經(jīng)驗。

生物機體內(nèi)蘊藏著大量的生物電信息，它包括心電、腦電、肌電、胃電等。其中，心電是心臟跳動產(chǎn)生的電信號，使身體不同部位的表面發(fā)生電位變化，將其記錄下來即可得到心電圖(ECG)，心電信息與其他生物信息相比，更易于檢測并具有較直觀的規(guī)律性。

本文設(shè)計了一種簡單的心電波顯示基礎(chǔ)實驗平臺，通過對該平臺的制作、調(diào)試，學(xué)生能在示波器和液晶屏上觀察到本人的心電信號，使同學(xué)們能學(xué)到一些測量微弱生物信號的方法和技術(shù)，同時把電子電路和單片機技術(shù)方面的知識應(yīng)用于實際，讓學(xué)生徹底了解一個電子系統(tǒng)實現(xiàn)的全過程，強化了系統(tǒng)工程的概念，真正學(xué)以致用，進而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.基礎(chǔ)實驗平臺電路設(shè)計

平臺的原理框圖如圖1所示。

圖1 平臺的原理框圖

實驗平臺的輸入信號可由模擬心電發(fā)生器提供，也可由放在人體左腿(LL)和右臂(RA)的心電電極直接拾取。心電信號頻譜范圍是0.05～100Hz，電壓幅值為20μV～5mV，典型值為1mV，信號源的阻抗為數(shù)千歐到數(shù)百千歐，此外在信號的提取過程中還混雜有其他生物電信號，以及體外電源50Hz工頻干擾(主要是以共模形式存在，幅值可達幾V甚至幾十V)、肌電干擾(由于人體運動、肌肉收縮引起，頻率為2Hz～2000Hz)、基線漂移(呼吸和電極極化電壓引起，幅值通?？蛇_到幾十毫伏，頻率集中在0.015～0.3Hz)等，致使心電信號的背景噪聲很強，如何在強干擾環(huán)境下提取非常弱的的有用信號，是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵和難點。因此，本平臺心電采集部分電路要求一級放大電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、高穩(wěn)定性及強抗干擾能力等性能，而且增益不能過大；心電信號經(jīng)一級放大后幅值仍然較小，再經(jīng)過二級放大使心電信號放大到相應(yīng)的幅值，便于用示波器觀察；為了消除低頻噪聲，在一級放大之后加入高通濾波電路；為了消除50Hz工頻干擾及高頻干擾，加入了低通濾波器；經(jīng)過前面處理的心電信號為交變信號，而本平臺AD轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為0V～5V，因此，在送入AD之前還需進行電平抬升，使心電信號變成單極性信號。

本設(shè)計的模擬電路部分如圖2所示。

圖2 平臺的模擬電路圖

選用儀表放大器AD620進行一級放大，AD620的核心是傳統(tǒng)的三運放放大器電路，具有高輸入阻抗(109Ω)、高共模抑制比(可達100dB)、低噪聲等優(yōu)點，AD620只需外接一個電阻就能設(shè)置1—1000的放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)方便，其運放增益精確地被外接電阻Rg確定：G1=49.4kΩ/Rg+1

實驗中通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的可變電阻，可以適當(dāng)改變一、二級放大的增益，可以使高通濾波器的截止頻率設(shè)在0.03～0.05Hz，可以使低通濾波器的截止頻率小于50Hz，可以適當(dāng)改變電平抬升電壓的大小，可以測量共模抑制比KCMR。計算公式如下：

二級放大增益G2=UB/UA=1+R3/R2

下限截止頻率f01=1/(2πR1C1)

上限截止頻率f02=1/(2πR4C2)

總的增益為G=G1×G2

電平抬升至Uc=R6/（R5+R6）

由于P波、R波和T波的頻譜范圍遠低于50Hz，因此加入低通濾波器對P波、R波和T波無影響，QRS波中含有50Hz以上的成分，因此加入低通濾波器將會引起QRS波失真，我們可以設(shè)置不同的截止頻率讓學(xué)生觀察分析濾波器對心電信號的影響。電路中增加了簡單的右腿驅(qū)動電路(右腿心電電極(RL)接地)，以消除工頻干擾。圖3、4為電平抬升前后示波器顯示的心電波形，其中Umin（1）從-40.0mV抬升至160mV。

圖3 電平抬升前的心電波形

通過上面電路的安裝、調(diào)試，同學(xué)們可以熟練掌握集成運算放大器的使用方法，減少模擬電路教學(xué)中過多地研究分立器件帶來的負面影響(分立元件電路設(shè)計公式繁多，計算復(fù)雜，調(diào)試費時費力，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣)。

本設(shè)計數(shù)字電路部分選用帶中文字庫的JM12864M液晶屏來顯示心電波形，它采用ST7920作為控制芯片；選用低價位、高性能8位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549和學(xué)生熟悉的AT89S52單片機來處理模擬心電信號。具體的電路如圖5所示。

圖5 平臺的數(shù)字電路圖

3.軟件設(shè)計

從人體體表獲取的心電信號經(jīng)過放大、濾波、升壓處理后，即可送到A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549輸入端口進行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于等于被采樣信號最高頻率的兩倍，即200Hz以上，以免采樣后的信號發(fā)生頻譜的混疊。但是，考慮到平臺選用的是學(xué)生常用的AT89S52單片機和JM12864M液晶屏以及工作速度問題，我們將采樣頻率設(shè)置為50Hz，轉(zhuǎn)換結(jié)果為：ADC=(VIN*256)/VREF，數(shù)據(jù)范圍是0x0000～0x00FF。選用原因如下：一般人的心率按75次/分鐘算，LCD的X軸是128個像素點(去除坐標占用剩下115個像素點可用)，如果選用200Hz采樣且一個像素點采樣一次的話，一屏僅能顯示不到一個心電波形周期，為了方便觀察，采用50Hz采樣，液晶屏上大約40個像素點一個心電周期，保證任何時刻都有2個心電波形能夠顯示在LCD屏上。

采用定時中斷進行采樣，A/D轉(zhuǎn)換周期由T0定時控制，采樣周期是20ms，定時初值TH0=0XB1，TL0=0XE0，A/D轉(zhuǎn)換完成后進入顯示數(shù)據(jù)子程序。

LCD液晶控制：

JM12864M無論顯示字符或圖形，都是通過對顯示RAM（文本顯示DDRAM和繪圖顯示GDRAM）寫入不同數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。

(1)波形顯示方法

采用逐點推移的方法在LCD上顯示波形，方法簡單，運行速度快，軟件設(shè)計難點也在于此，它包括：

1)建立坐標系：在LCD上通過地址變換關(guān)系建立坐標系，LCD上縱坐標Y(LCD行數(shù))表示顯示幅值，與顯示數(shù)據(jù)大小相對應(yīng)；LCD上橫坐標X(LCD水平位址，即列數(shù))代表時間序列，按所采集數(shù)據(jù)的先后次序確定，也就是說，水平方向一個像素點代表一個時間單位，垂直方向一個像素點代表一個幅值單位。JM12864M的GDRAM坐標如圖6所示，水平坐標X以字節(jié)為單位(2字節(jié)16位)、垂直坐標Y以位為單位寫入數(shù)據(jù)。

圖6 JM12864M繪圖顯示坐標

屏幕分上下兩屏，垂直坐標上下屏都為Y：00—1F(也即0X80+Y)；水平坐標上半屏為X1：00—07(也即0X80+X1)，下半屏為X2：08—0F(也即0X80+X2)。

2)基本畫圖子程序：畫波形依靠畫點、畫線兩個子程序。

①畫點子程序：首先對AD轉(zhuǎn)換后的原始波形數(shù)據(jù)進行處理，在這里，我們定義的坐標系如圖7所示，(0,0)代表屏幕的左上角，(27,63)代表屏幕的右下角。

圖7 定義坐標系

如圖7的坐標值要轉(zhuǎn)換成液晶屏如圖6的顯示坐標值，方法如下：

數(shù)據(jù)寫入GDRAM的步驟如下：a)關(guān)閉繪圖顯示功能；b)先將垂直的坐標(Y)寫入GDRAM地址；再將水平的位元組坐標(X)寫入GDRAM地址；c)將D15——D8寫入到GDRAM中；將D7-D0寫入到GDRAM中；d)打開繪圖顯示功能。

每顯示一個時間點的數(shù)據(jù)時都是將相應(yīng)列的像素點置位，但是位元組坐標(X)是按照16位寫入的，寫入新點的時候，會覆蓋掉16個點中的其他點，所以先將顯示中的點讀出來，再或上要顯示的點，后再寫入GDRAM。

注意：讀取數(shù)據(jù)的時候要先進行一次空讀(dummy read)；水平坐標一個單位兩字節(jié)(即16位D15～D0)寫入或者讀完后，X地址會自動加1，加到0FH時會重新設(shè)為00H，所以，讀取數(shù)據(jù)之前要先寫入你要讀取數(shù)據(jù)的地址，讀取數(shù)據(jù)之后的寫入數(shù)據(jù)還要重新寫入地址，否則，地址會發(fā)生改變。

②逐點推移畫線子程序：這是用來在液晶上形成連續(xù)曲線的程序。當(dāng)一個點畫完后，自動向右移動一列，并將下一列的數(shù)據(jù)與該點比較，若相同則畫一個點，不同則采用布蘭森漢姆(Bresenham)算法(請參閱相關(guān)資料)在兩點差值點間補點，由此方法逐點推移形成連續(xù)的圖形。

心電曲線從左向右移動繪制，波形到達右邊界后，整個液晶屏上的數(shù)據(jù)被清空，新曲線將從左邊界向右重新掃描，如此循環(huán)，實現(xiàn)波形刷新顯示。為了使顯示更加精確，在LCD顯示時加入坐標系(橫軸代表時間(t)、縱軸代表幅值(U))和位于屏幕中心的中心線，用來區(qū)分心電波正負值。實際LCD顯示波形如圖8所示。其中坐標系與刻度的顯示采用LCD取模軟件取出圖形數(shù)據(jù)后送顯。

圖8 LCD上顯示的心電波形

(2)文本顯示方法

JM12864M的DDRAM提供8個×4行的漢字空間地址，DDRAM坐標（請參閱相關(guān)資料）。設(shè)計比較簡單，不再詳述。

4.總結(jié)

以此基礎(chǔ)實驗平臺作為起點，可以開展數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲、菜單及心率等生理參數(shù)顯示、波形的回放和顯示靜止等功能的研究，可以考慮把無源濾波電路改成有源濾波電路、采用速度更快的微控制器、刷新速度更快和點陣數(shù)更多的液晶屏以及分辨率更高的A/D轉(zhuǎn)換芯片以提高實驗平臺性能。

通過以上基礎(chǔ)實驗平臺的實驗，使同學(xué)們逐漸從單純模仿到個人創(chuàng)造，提高了同學(xué)們的硬件軟件系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試的能力，分析問題、解決問題的能力，理論應(yīng)用于實際的能力。為學(xué)生即將畢業(yè)走向工作崗位和繼續(xù)深造打下了堅實的實驗基礎(chǔ)，開闊了視野。隨著實驗平臺的進一步完善，相信學(xué)生學(xué)到的知識會更多，收獲也會更大，極大地彌補了目前驗證性實驗多而自主設(shè)計實驗少、單科性實驗多而綜合性實驗少的不足，全面地把握自己的專業(yè)定位。

[1]高吉祥.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽培訓(xùn)系列教程模擬電子線路設(shè)計[M].電子工業(yè)出版社,2007,5.

[2]王保華.生物醫(yī)學(xué)測量與儀器[M].復(fù)旦大學(xué)出版社,2003,1.

[3]童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三版[M].高等教育出版社,2004,4.

[4]張旭.便攜式遠程實時動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)的研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010,6.

[5]萬隆,巴奉麗.單片機原理及應(yīng)用技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2010,3.