基于MSP430F2274的便携式心电测量仪

secret

[摘要]该装置利用心电电极和心电导联线采集心电信号，经放大滤波后送至单片机控制的AD转换芯片,转换成数字信号，并将结果通过射频发送模块传输到接收端，再通过DA转换还原出心电信号，供医生观察。


【心电图典型波形】
心电图(ECG)是描绘由心脏或心肌在心跳期间引起的电压图表。它非常准确地提供心脏性能状况。一个典型的正常心跳周期信号波形如图1所示。

P波:由心房的激动所产生。前一半主要由右心房所产生，后一半主要由左心房所产生。正常P波的宽度不超过0.11s，最高幅度不超过2.5mm。

QRS 波群:反映左、右心室的电激动过程，称QRS 波群的宽度为QRS时限，代表全部心室肌激动过程所需要的时间。正常人最高不超过0.10s。

T波：代表心室激动后复原时所产生的电位。在R波为主的心电图上，T波不应低于R波1/10。

U波：位于T波之后，可能是反映心肌激动后电位与时间的变化。人们对它的认识仍在探讨之中。




1作品简介
该心电测量仪能在噪声背景下，通过体表传感器不失真地将心电信号**测出来，清晰地还原并放大，此过程需经过前置差动放大，增益可调节后级放大，二阶低通滤波，50Hz工频陷波等步骤。然后将放大至合适辐度(0~2V)的心电信号送入AD转换器变成数字信号，将数字信号调制到2.4GHz的超高频我波上，再通过专门设计的发射模块将已调信号发射出去。专门设计的接收模块将射频信号解调后送到DA较换器还原出原来的模拟心电信号。

整个测量仪在单片机MSP430F2274的控制下进行，包括AD转换器TLC2543、无线收发模块nRF240I、DA转换器DAC7611，及各端口输入输出的有序协调操作。

这样，观察着可以在另一端观察测试着的心率情况，大大节省了检测心电图的过程，提高了检测效率，方便了医生和患者。为保证测量仪能稳定可靠工作，内部各模块电路均配置稳压器件，且布极紧凑，具有启动快，使用方便、安全等特点，实用性强，效果好，应用范围广。

2系统分析
2.1系统分析与理论计算
2.1.1信号采集部分
对心电监护仪器来说，评价其整体性能的好坏的首要标准是心电信号在不失真的前提下其有较高的抗干扰能力。而且安全可靠。为避免干扰所造成的影响，最有效的措施是消除干扰源，但在实际应用中，不可能完全将干扰源排除，所以要在硬件电路上采取措施来提高系统的抗干扰性。通常采用的措施可分为两炎：一类是消除千扰进入系统的通道：另一类是削弱系统对干扰信号的灵敏度。

根据心电信号的特点以及通过电极提取的方式。，前置级应满足下述要求:(1)高输入阻抗。通过电极提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减小信号源内阻的影响，必须提高放大器的输入阻抗:(2)高共模抑制比CMRR。人体所携带的工频干扰以及所测量的参数以外的生理作用的干扰，般为共模干扰。前置级采用CMRR 高的差动放大形式，能减小共模干扰向差模干扰的转化:(3)低噪声、低漂移:(4)高安全性，以确保人体的绝对安全。

后级放大器主要是进行毛放大，调节电位，以及对信号进行滤波以获得特定的频丰响应特性，这包括阻容稠合电路、增益选择、被止频率等。

由于心电信号属于低频信号，而高频干扰相对心电信号比较高，所以低频的截止频率可以在一个比较宽的范围内选取，一般的心电图机或监护仪选取低通的截止频率为90 ~120Hz.


    人体置身于充满电磁场的空间。恰如一个天线接收器.人体上感应有各种频率的电压，对心电仪器的输入端大多以共模电压形式存在，其中最强的是由动力线通过分布电容栈合到人体的50Hz 交流电压。工频干扰属于共模信号.对心电信号的干扰特别强，因此有必要对其进行抗干扰处理。

2.1.2信号传输与接收部分
为了实现心电信号的无线传输，我们首先要把信号通过AD转换变成数字信号，利用射频收发模块把信号传输给接收端，再通过DA转换还原出心电模拟信号。井通过高通滤波器滤除直流电平和微小的低频噪声干扰。

2.2设计方案论证
2.2.1信号采集部分
①前置差动放大
心电数据采集器的输人信号是通过电极取自人体表皮的缓变微弱信号，其值不超过4mv.我们将前置放人的增益设计得较低，大约5倍，以减小该级的输入偏流，避免使电极化产生高压由于从体表采集到的信号除了人体心脏产生的电信号包含肌电呼吸以及 50Hz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，所以前置放大器我们采用了工I低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输入阻抗仪表放人器INA332，从电安全角度考虑要做成电气隔离的(浮地)。

仪表放大器INA332的丰要特点是：轨至轨输出，低功耗的 CMOS 工艺，带完范用0-2.0MHz，静态电流仅415μA(关闭时为0.01uA)，使用单极或双极工作电源，在提供最低成本的同时还实现低噪声差动放大小信号。上电工作过程极快，这个器件可用电池供电。

2增益可调节后级主放大
后级主放大器我们采用增益可调节的放大电路，最大增益可达上千倍，由于前级输出电压含有直流偏置电压，为了抵消这个直流电平，该放大器还需要进行直流补偿。

该环节我们使用的器件是TI公司的 oPA335 系列 CMOs运算放大器，该放大器提供高输入阻抗和轨到轨输出摆幅，使用自动较零技术，同时提供非常低的偏置电压(5uV最大值)，温度特性极佳(核近零漂彩)。可以在单或双电源低至2.7V(n1.35V)和高达5.5V(12.75v)场合下使用。为了提供该放大器所需要的电源电压，我们使用了两片REF3020稳压芯片提供所需要的土2V电源。



3二阶有源滤波器消除高频干扰
一阶有源滤波结构相对简单且采用了集成运放，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，但幅频特性曲线只有-20dB/ 10倍频程，滤波效果仍不够明显，二阶滤波幅频特性曲线能达到-40dB/ 10倍频程，且和一阶滤波采用类似的结构，但滤波效果比一阶明显，而较更高阶的滤波器电路又简单许多，因此采用二阶滤波。该滤波器使用的运算放大器仍是0PA335。

4. 50Hz工频陷波器消除工频干扰我们使用了以0PA336为核心的有源带通与相加器组成的有源带阻滤波器去滤除50Hz的工频干扰，通过调节电位器可以调节电路的抑制频率。

2.2.2信号传输部分
①AD转换模块
将放大后的模拟心电信号通过AD转换器转换为数字信号。此工作本可由单片机内部的10位AD转换器完成，但经试验发现单片机内部10位ADC的处理效果不太理想(转换后的输出毛刺过大，可能是电磁兼容方面的问题)，因此我们采用了外接TI公司的12位串行ADC芯片TLC2543，使用单片机对其进行控制。

②射频发送模块
将AD转换后的数字信号通过射频发送模块进行无线传输，我们选用nRF2401作为无线发送芯片。其主要功能: 2.4GHz 单片无线收发芯片: 125个频道: GFSK调制方式:待机电流约为luA,最高速率为1Mb/s,最高灵敏度104 dBm,最大发射功率为OdBm,工作电压为1.9-3.6V: 绝大部分高频元件及振荡器都集成在芯片内部，具有良好的一致性，性能稳定且不受外界影响:发射电流约为8~10mA， 接收电流约为18mA;内置点对多点无线通信协议控制和硬件检错纠错单元。

③射频接收模块
由于nRF2401具有无线收发功能，所以接收端用另一片nRF2401作为射频信号接收器，并完成数字基带信号的解调。 ODA转换模块由于通过nRF2401解调的是数字信号，所以要用DA变换器将解调后的数字信号还原为模拟信号。我们选用的是TI公司的12 位串行DAC芯片DAC7611.

⑤高通滤波
由于通过DA转换还原出的心电模拟信号包含直流电平和微小的超低频噪声干扰，所以需要一个高通滤波器来滤除干扰。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-阶无源滤波器，其效果不错且易于实现。

3 系统实现
3.1 硬件设计
3.1.1系统框图(如图2)





3.1.2不同功能单元之间的接口设计
本设计由不同功能单元模块组成，包括模拟电路模块，模数、数模转换模块，以及射频收发模块。电极导联采集人体心电信号，输出为小于4mV的电压信号:信号处理模块输入为微弱含噪声的心电信号，输出为0~2V稳定清晰平滑的信号: AD转换模块输入为0~2V信号，输出为12位数字信号:射频发送模块输入为数字信号，输出为射频信号;射频接收模块输入为射频信号，输出为数字信号; DA转换模块输入为数字信号，输出为模拟信号。本设计即根据上述特点完成各电路间的匹配连接。

3.1.3电路设计
(1)前置放大器
该心电数据采集器的输人信号是通过电极取自人体表皮的缓变微弱信号，其值不超过4mv。我们将前置放大的增益设计得较低，大约5倍，以减小该级的输入偏流，避免使电极极化产生高压。来自于病人左右手臂的信号输入INA332,共模电压设置由2M2电阻完成。V2给0PA335反相放大提供偏置电压，使输出电压以此偏置电压为工作点变化。同理，由另一个0PA335构成 反馈，加到INA332的REF端作为偏置电压，使INA332的输出电压以此偏置电压为工作点变化。一个0PA335则作为电压跟随器，用于右腿驱动。放大器的正负输入通过心电传感器分别接到人体的左臂(LeftArm)与右臂( Right Arm)上，与运放0PA335和电阻组成的驱动网络接到人体的右腿(RightLeg)上，构成“浮地”。电路如图3:


(2)可调节增益主放大器如图4，将前置放大后的信号通过后级主放大，并将参考电位v调节在合适位墅，经测试各人心电波强度差距较大，我们将该级设计为可调放大倍数的主放大电各，可使不同波形都达到理想大小和高度便于转换和观察。





(3)二阶低通滤波器
如图5，将放大后的波形经二阶低通滤波滤除高频噪声。该二阶滤波的截止频率
滤波器的系数补偿滤波器的衰减并且为滤波器的输出ECG信号提供额外的增益



    (4) 50Hz工频陷波器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。为此我们使用了有源带通与相加器组成的有源带阻滤波器去除50Hz的工频干扰。
如图6，前级为带通滤波器，中心频率 ，通过 调节X1可微调中2t、(CC.RrX,心频率，中心频率增益,再与后级相加器构成工频带阻滤波器。




(5)AD转换TLC2543TLC2543的管脚图如图7:



(6)射频收发模块nRF2401 ( 电路如图8)



(7) DA转换器DAC7611DAC7611的管脚图如图9:



其中数字电源与模拟电源通过0.1uF电容和10uF电解电容并联隔开。
(8)高通滤波器电路如图10:




3.2软件设计
3.2.1软件流程(如图11)



4 作品性能测试与分析



4 作品性能测试与分析



4.2 误差分析
测试时，如果被测者没有平躺下来，其肌肉处于紧张状态，心电波受到肌电呼吸等生理信号的干扰，导致波形有很大失真：或者受到外界电磁波的强烈干扰时，波形也会出现失真。

系统实现了现场模拟电压信号的采集、无线传输以及模拟信号还原，误差不大于0.5%，满足了设计要求。同时系统还存在着不足之处：在数据量加大，传输速率为1Mb/s时，偶尔会出现数据丢失现象。

系统实现了远端现场采集3路人体生理信号，无线传送到监控中心并复现现场信号的功能。实验证明，系统在250Kbps速率下无线传输距离可达30米，采集信号误差低于0.2%。数据传输中采用了16位CRC校验，降低了误码率。经改造，系统可以采集现场的数字量和一些开关量，实现设备状态监测和开关量控制等。

5 总结与展望
该心电测量仪在分析干扰产生的基础上通过接地、隔离、去耦、波等方法抑制了心电信号提取过程中的干扰，结合无线技术为心电测量提供了更便捷的途径:使用6V干电池和3V纽扣电池，各模块电压供给均通过芯片稳压后输出，保证电路各部分工作的正常和使用的安全。该心电仪具有功耗低，性能好，操作简单的特点，具有良好的应用前景。