简易心电图仪

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摘要：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、存储及回放，并配有语音提示功能。


赛题分析与方案论证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
因为赛题已要求用20mm×20mm薄铜皮作为与皮肤接触的简易电极，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
（1）采用如0P07、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，静态电流只有700uA，功耗非常低。因此，在小信号放大部分我们选择仪表放大器INM128。

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。
（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）低通滤波部分低通滤波可选有源滤波或数字滤波。
有源滤波
①一阶滤波。其结构相对简单，且采用了集成运算放大器，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倍频程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。


②二阶滤波。它和一阶滤波采用类似的结构，但幅频特性曲线能达到-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显。

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49.512Ml2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24.512Hz，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。

综上所述，由于本系统除了波形处理外，还要求具有数字存储和回放功能，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。模拟双T陷波图1为双T网络幅频特性曲线。通过图1幅频特性可知，对于o=w。的其他频率信号，通过双T网络具有较强的负反馈，因为双T网络具有良好的滤波特性，在仪表的电源噪声滤波电路中获得了较为广泛的应用，又因为双T网络具有比RC串、并联网络更好的选频特性，故我们选用双T网络进行陷波。


综上比较，模拟陷波方案比较简易可行，因此选择模拟陷波方案。



系统设计综合以上方案论证与分析，我们得出如图2所示的简易心电仪系统结构图。



1.前置放大部分图3为心电信号放大电路。电极采集到的心电信号大约为20uV~20mV，而灵敏的仪表放大器INA128只需外接一个电阻就能将信号放大1~10000倍，其增益G与外接电阻的R6的计算公式为：







2.滤波器部分
（1）低通部分图4为设计低通滤波器的幅频特性曲线，其中，Fpb (Pass bandFrequency)、Fsb(Stopband Frequency),由于赛题要求高频截止频率为500Hz，因此我们在放大心电信号后对其进行滤波。滤波器设计采用Filter Wizard软件，设置衰减3dB时对应频率为500Hz，衰减10dB时对应频率为900Hz。软件计算生成了一个二阶的巴特沃兹低通滤波器并给出了相关的电阻电容参数。其设计仿真图与设计电路图如图5所示。



图6a为低通滤波器的频率特性曲线，是经过PSPICE对图4的    仿真结果图。其中滤波器为输入电压振幅为1V的正弦波。从图6b可以看出滤波器的截止频率为500Hz，完全符合设计要求。

（2）高通部分赛题要求心电放大器低频截止频率在设计中保证为0.05Hz，没有要求进行测试，可用无源的RC网络来实现。由公式：1，取C2mRC为4.7uF，则R=2×3.14x4.7×10-6×0.05-677.60k2我们选用680kQ的电阻。



（3）陷波部分由于有工频电源磁场作用于导联与人体之间的环行电路，因此从人体探测到    的心电信号自然就包括50Hz工频信号及其谐波的干扰，微弱的心电信号往往被湮没在相对比较大的噪声干扰中。因此有必要对其进行抗干扰处理。为此我们使用了陷波器祛除50Hz的工频干扰。我们使用相同软件设计了陷波器。

由于电阻电容值无法完全匹配设计参数，因此实际应用的双T带阻陷波器效果没有仿真的好，于是我们通过将输出信号以反馈的方式作用于输入端，提高了陷波的衰减倍数，使得陷波的效果更好。陷波器电路如图7所示。



3.键盘控制与波形存储
（1）键盘控制利用凌阳61A单片机板上自带的两个按键进行波形存储与波形回放的控制，而没有外挂键盘，以精简电路。同时通过I/0口之间的连接控制另一片单片机做语音提示。

（2）波形存储本题有存储心电波形的要求，而本系统所用的凌阳SPCE61A单片机有32kwords的片上flash，除去固化程    序所用的flash外，还有很多空间可用，因此可利用片上flash进行波形存储。用计数器定时采样，采样频率约为3kHz，每次采样占用1word的flash存储空间，为保证不与存储的程序代码冲突，只用20k的flash，理论存储时间为20k/3k=6.67s我们使用的是凌阳61A单片机片上的ADC，其输入动态范围为0~3.3V。观察处理后的心电信号波形，其最小值为-1V左右，所以我们利用了一个范围在0~2V的可调加法器将心电信号偏置到0~3V之间，保证能采集到全部的心电信号。

在存储之前对采样的数据进行数字低通滤波，使存储的心电信号更为清晰。

4.屏蔽盒
考虑到心电信号极其微弱，而测试环境存在着强烈的电磁干扰（周围有许多计算机），尽管我们在前述的设计当中已尽量地排除了干扰，但本着精益求精的原则，我们还为信号采集与放大部分加上了屏蔽盒。由于金属外壳可阻挡外界的电磁干扰，我们用黄铜皮做了一个方形的外壳加在电路板外，并将金属壳与大地相连。测试表明效果有所改善，心电信号基线上的纹波变小了。

测试仪器与测试结果
1.测试仪器
FLUKE17B多功能数字万用表，数字示波器TektronixTDS1002，YB1620P功率函数发生器，直流稳压电源DF1731SL1ATA，FLUKE45多功能测试仪。

2.测试
针对赛题的基本要求与扩展要求，我们进行了测试。

（1）电压放大倍数与输出电压动态范围测试通过YB1620P功率函数发生器产生一个小幅值电压信号作为输入，用示波器来检测其输出电压波形，读取输出波形的幅值，得到增益测试数据如表1，其中电压均为峰峰值。



结果分析：系统的放大倍数在1000士5%的范围内，输出电压也满足动态范围大于士10V的要求。

（2）-3dB高频截止频率（理论截止频率500Hz）
输入峰-峰值为7V的正弦波，频率调节范围为50~550Hz，用示波器测量输出电压峰-峰值，所得低通滤波电路测试数据如表2。




（3）频带内响应波动指标测试为了减小工频干扰我们引用了陷波电路，所以对50Hz左右的信号衰减是较大的，自然也就不能满足题目对“频带内响应波动在士3dB之内”的要求。

（4）直流稳压电源测试因为示波器在测量毫伏级的信号时误差较大，所以用FLUKE45双显示多功能测试仪来检测自制电源的纹波。在给放大器供电情况下，输出交流噪声有效值为0.1mV。

（5）共模抑制比测试由于选用的是仪表放大器INA128，其DATASHEET中已标明它的CMR能达到120dB，因此能满足题目对“共模抑制比大于等于60dB”的要求。

（6）人体心电信号测试让被检测人员静卧，将电极安装在相应部位，在电极安装前用医用酒精涂抹在电极放置部位，清洁皮肤表面，以减小电极接触电阻。并叮嘱被检测人员保持平稳呼吸以减小基线漂移，同时全身肌肉放松以减小肌电干扰。测试得到心电信号与题目要求非常近似，但由于时间问题，未及时记录。两路信号（一路为100Hz低通滤波，另一路为500Hz低通滤波)，可同时接入示波器显示，其中用100Hz低通滤波的波形明显比500Hz低通滤波的波形清晰。

（7）波形存储与回放先将用加法器处理过的心电信号输入A/D，并按键进行存储，系统提示“存储完毕”后将输入端断开，按键回放波形，发现仍有输出且与刚才存储的一段匹配，从而验证了波形存储回放功能。


总结
在完成这个简易心电图仪的过程中，我们把注意力主要集中在滤波器的设计和调试上。合理地运用软件设计滤波器可以节省很多功夫，但完全照搬也不能达到预想的效果，因为实际参数无法与设计精确匹配，因此我们的做法是在关键的地方用可调器件，为电路留下余地。只要正确地调节就能太到指标要求。

冰月银离

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wy2589

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