畢業(yè)論文---無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p>　　2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</p><p>　　2012年 5 月 25 日</p><p>　題 目：無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　專(zhuān) ?業(yè)? 班? 級(jí)：電子信息工程02班 </p><p>　學(xué) ???

2、? ?號(hào):</p><p>　姓 ?名：</p><p>　指 導(dǎo) 教 師：教授 </p><p>　學(xué) 院 名 稱(chēng)：電氣信息學(xué)院 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)一種無(wú)線心電監(jiān)

3、測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能測(cè)量、存儲(chǔ)、回放、分析病人的心臟跳動(dòng)情況，而且能在心電不正常時(shí)，自動(dòng)向預(yù)約醫(yī)療單位發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信息。</p><p>　　系統(tǒng)的方案是：采用心電檢測(cè)電路對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采樣和調(diào)理，用GPRS無(wú)線傳輸電路將心電信號(hào)傳輸?shù)筋A(yù)約醫(yī)療單位，通過(guò)醫(yī)療單位的監(jiān)測(cè)設(shè)備顯示和記錄心律失常信息。</p><p>　　系統(tǒng)的工作原理是：心電檢測(cè)電路對(duì)人體心電信號(hào)進(jìn)行采樣，并對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行

4、初級(jí)放大，以減少心電信號(hào)的損失，通過(guò)其內(nèi)置的前置放大、右腿驅(qū)動(dòng)、濾波、電平抬升、50Hz帶阻濾波器等電路等對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以得到準(zhǔn)確有效的心電信號(hào)；MSP430中內(nèi)部含有有A/D轉(zhuǎn)換器部件，完成對(duì)心電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，以得到相應(yīng)的數(shù)字化心電信息；數(shù)字化心電信號(hào)的存儲(chǔ)采用了SD卡；圖形回放使用的是NI公司生產(chǎn)的PCI-6731數(shù)模轉(zhuǎn)換卡（遠(yuǎn)端）和TFT彩色LCD顯示器（本機(jī)）；心電信息的遠(yuǎn)傳采用了M22，其傳輸過(guò)程通過(guò)16位MSP430實(shí)現(xiàn)

5、。</p><p>　　調(diào)試證明，該系統(tǒng)具有較好的抑制心電信號(hào)噪聲的能力，心電基線漂移小，測(cè)量準(zhǔn)確，使用便利，能夠滿足病房和家庭無(wú)線心電監(jiān)測(cè)的基本要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：心電信號(hào)；采集；存儲(chǔ)；回放；遠(yuǎn)傳</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In this paper, t

6、he design of a wireless ECG monitoring system, the system can measure, store, playback, analysis of the patient's heart beat, abnormal ECG, automatic remote alerting information to make an appointment medical units.&

7、lt;/p><p>　　System options are: ECG detection circuit ECG signal sampling and conditioning, and GPRS wireless transmission circuit ECG transmission to the appointment of medical units, medical unit of the monit

8、oring equipment to display and record arrhythmias information.</p><p>　　The system works: ECG detection circuit of the human ECG signal is sampled and collected ECG primary amplification, in order to reduce

9、the loss of the ECG signal through its built-in preamp, right leg drive , filtering, level uplift, 50Hz band-stop filter circuit ECG signal conditioning, accurate and effective ECG; the MSP430 internal containing the A /

10、 D converter components to complete the conversion of the ECG to digital ECG information; the storage of digital ECG signal using the SD card; gr</p><p>　　Debugging proved that the system has a better abilit

11、y to inhibit the ECG noise, ECG baseline drift, measurement accuracy, ease of use and able to meet the basic requirements of the ward and home wireless ECG monitoring.</p><p>　　Keywords： EGO ; Acquisition ;

12、Storage ; Playback ;Transmission：</p><p><b>　　:</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

13、p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景及意義1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、生產(chǎn)需求狀況2</p><p>　　第二章 心電信號(hào)的相關(guān)介紹4</p><p>　　2.1 心電信號(hào)的產(chǎn)生4</p><p>　　2.2 心電信號(hào)的組

14、成部分4</p><p>　　2.3 正常的心電圖波形5</p><p>　　2.4 心電信號(hào)的基本特征5</p><p>　　2.5 心電干擾的主要來(lái)源6</p><p>　　第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)8</p><p>　　3.2 基于無(wú)

15、線通信的無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案比較9</p><p>　　第四章 硬件設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.1 微處理器硬件結(jié)構(gòu)11</p><p>　　4.2 心電檢測(cè)電路12</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)回放電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23</p>

16、<p>　　4.5 顯示電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.6 電源電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25</p><p>　　第五章 軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.1 數(shù)據(jù)采集電路軟件設(shè)計(jì)26</p><p>　　5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路軟件設(shè)計(jì)（SD卡）27</p><p>　　5.3數(shù)據(jù)回放電路軟件

17、設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.4 顯示部分軟件設(shè)計(jì)30</p><p><b>　　總結(jié)33</b></p><p><b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附錄

18、137</b></p><p><b>　　附錄238</b></p><p><b>　　附錄341</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　心臟病具有突發(fā)性和不可預(yù)見(jiàn)性，是威脅人類(lèi)生命的一大殺手。根據(jù)我國(guó)衛(wèi)生部2005

19、年衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)資料年鑒顯示，在我國(guó)市縣范圍內(nèi)，死于心臟病的人數(shù)排在腫瘤和腦血管病之后。心臟病已成為嚴(yán)重威脅人們健康和生命的三大主要疾病之一[1]。</p><p>　　我們?nèi)粘Ｓ龅降男碾姳O(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往是在醫(yī)院見(jiàn)到的大型心電檢測(cè)工作站，這種工作站在處理速度、存儲(chǔ)能力以及分析能力上占有比較大的優(yōu)勢(shì)。但這種大型工作站體積較大、價(jià)格昂貴、專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)，不具備無(wú)線傳輸能力，限制了它在家庭保健和社區(qū)服務(wù)中的廣泛應(yīng)用，而體積小，使用方

20、便的無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始終是研究熱點(diǎn)。</p><p>　　無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以及時(shí)獲取患者的心電信息，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，采取相應(yīng)的處理措施，是降低心臟病死亡率的有效手段之一。無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)高危人群、亞健康人群、老年人心臟疾病預(yù)警意義重大。醫(yī)學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)于心臟病的防治，最有效的手段就是預(yù)防和保健，在對(duì)心臟病患者進(jìn)行監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，盡早發(fā)現(xiàn)異常病變，及早進(jìn)行治療，以控制病情的進(jìn)一步發(fā)展。</p>

21、<p>　　1.1 課題背景及意義</p><p>　　眾所周知，隨著科學(xué)技術(shù)的推進(jìn)、人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，全球醫(yī)療儀器的發(fā)展也是日新月異。21世紀(jì)的醫(yī)療行業(yè)主要呈現(xiàn)以下兩個(gè)特點(diǎn)：第一、未來(lái)的醫(yī)療世界，主要的代表產(chǎn)品是納米機(jī)械元件、隨身佩戴式化學(xué)感測(cè)器、居家保健應(yīng)用醫(yī)療器材等。第二、信息與醫(yī)療技術(shù)緊密地結(jié)合在一起。而心臟病一直是威脅人類(lèi)生命的頭號(hào)殺手，是發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一。隨著生活水平和健康意

22、識(shí)的提高，人們需要隨時(shí)對(duì)心臟進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)并且能在比較危急的情況下進(jìn)行及時(shí)的診治。所以，無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制具有非常重要的意義。</p><p>　　心電的自律性、興奮性和傳導(dǎo)性，都以生物電為活動(dòng)基礎(chǔ)。心臟電活動(dòng)的變化與某些心臟疾病，尤其是各種類(lèi)型的心率失常的發(fā)生有著密切的聯(lián)系。心電圖是記錄心臟電活動(dòng)狀態(tài)的記錄，對(duì)了解心臟的節(jié)律變化和傳導(dǎo)情況有著重要的價(jià)值[2]。</p><p>　　本課

23、題的主要目標(biāo)是研制無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能采集、存儲(chǔ)、回放、分析心電監(jiān)測(cè)信號(hào)，在心電不正常時(shí)，能自動(dòng)向預(yù)約醫(yī)療單位發(fā)出遠(yuǎn)程報(bào)警信息的家用無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。它將既可用于門(mén)診病人診斷、住院病人監(jiān)護(hù)，又可用于居家動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，本課題接觸生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展前沿，具有重要的理論意義和研究?jī)r(jià)值。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、生產(chǎn)需求狀況</p><p>　　當(dāng)前，擁有無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

24、全球領(lǐng)先技術(shù)的地區(qū)主要是日本、歐美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)以及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)[3]。</p><p>　　2002年9月，日本光電工業(yè)株式會(huì)推出一種體積小、重量輕，可以掛在脖子上的無(wú)線心電圖計(jì)“RAC-3103”。該產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是體積僅為之前同類(lèi)產(chǎn)品的40%左右，重量只有98克。由于無(wú)線心電圖計(jì)“RAC-3103”體積小、重量很輕，所以可以掛在脖子上后裝入衣服口袋中，也可以掛在腰間。由于采取了防霧設(shè)計(jì)，因此即使放在外衣里邊

25、也不會(huì)受蒸氣的影響。在功能方面，“RAC-3103”具備數(shù)據(jù)收集、波形、參數(shù)顯示、報(bào)告打印、生命狀態(tài)識(shí)別及異常狀態(tài)報(bào)警等功能，而且“RAC-3103”通過(guò)改進(jìn)電極而增強(qiáng)了抗干擾能力?！癛AC-3103”價(jià)格為95萬(wàn)日元(約合7917美元)。現(xiàn)在，無(wú)線心電圖計(jì)“RAC-3103”的銷(xiāo)量在3000臺(tái)以上。</p><p>　　2004年12月，日本歐姆龍保健品公司與在日本心電圖儀領(lǐng)域占第一位的日本福田電子，成功地聯(lián)合

26、開(kāi)發(fā)出家用無(wú)線心電圖儀“HCG-801”。“HCG-801”有指電極和胸電極2個(gè)電極。只要將右手食指放到指電極上，同時(shí)把胸電極直接接觸到左胸，就能測(cè)定出30秒鐘的心電圖。測(cè)定后心電圖會(huì)顯示在液晶面板上，同時(shí)還會(huì)顯示諸如“心率過(guò)快，心電圖好像有紊亂”等13種信息。顯示信息只是心電圖的分析結(jié)果，并不報(bào)告預(yù)測(cè)的病名等信息。機(jī)身內(nèi)置的內(nèi)存可記錄5次心電圖，SD卡可記錄300次心電圖。2005年1月11月起在日本關(guān)東上市，2005年夏天在日本全國(guó)

27、上市?！癏CG-801”的價(jià)格比“RAC-3103”便宜很多，但是還是蠻昂貴的，為36750日元（約合350美元）。</p><p>　　中國(guó)臺(tái)灣知名企業(yè)微星（MSI），在2007年1月8日登場(chǎng)的美國(guó)消費(fèi)電子展（CES）上，秀出世界上第一臺(tái)可直接測(cè)量心臟健康狀況的心電圖概念筆記本CES，是全球首款“ECG”（心電圖）筆記本。通過(guò)內(nèi)建的電子心電圖測(cè)量?jī)x以及外接式的感應(yīng)器（Sensor），使用者可以不限時(shí)間地點(diǎn)的紀(jì)錄

28、自己的心臟健康狀況。所記錄下來(lái)的心電圖，可以利用E-mail將數(shù)據(jù)寄出，也可利用記憶卡存儲(chǔ)記錄，將心電圖送交給檢驗(yàn)所或者是醫(yī)院診斷。微星心電圖概念筆記本如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 微星全球首臺(tái)心電圖概念筆記本</p><p>　　國(guó)內(nèi)由于信息技術(shù)落后，精通各方面軟件技術(shù)的頂尖人才少，研究還處在起步階段。但是令人可喜的是，現(xiàn)在已經(jīng)有很多醫(yī)療器械公司投入巨資和組織專(zhuān)業(yè)人才致

29、力于無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的研制。相信不久的將來(lái)，中國(guó)將成為無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要研發(fā)生產(chǎn)國(guó)家[4]。</p><p>　　第二章 心電信號(hào)的相關(guān)介紹</p><p>　　2.1 心電信號(hào)的產(chǎn)生</p><p>　　心肌細(xì)胞未受到刺激（處于靜息狀態(tài)）時(shí)存在于細(xì)胞膜內(nèi)、外兩側(cè)的電位差，稱(chēng)為靜息電位。靜息狀態(tài)時(shí)心肌細(xì)胞膜外排列一定數(shù)量帶正電荷的陽(yáng)離子，細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)排列有相同

30、數(shù)量帶負(fù)電荷的陰離子，因此，細(xì)胞膜外的電位高于膜內(nèi)，膜內(nèi)電位約為-90mV。這種以細(xì)胞膜為界，膜外呈正電位、膜內(nèi)為負(fù)電位，并穩(wěn)定于一定數(shù)值的靜息電位狀態(tài)，稱(chēng)為極化狀態(tài)。</p><p>　　心肌細(xì)胞在靜息電位的基礎(chǔ)上發(fā)生一次快速性的、可擴(kuò)布性電位變化，稱(chēng)為動(dòng)作電位。當(dāng)細(xì)胞膜表面受到一定強(qiáng)度刺激時(shí)，它的通透性發(fā)生改變，膜外的陽(yáng)離子大量進(jìn)入膜內(nèi)，于是膜內(nèi)的電位高于膜外，由原來(lái)的-90 mV 達(dá)到+30mV左右，這個(gè)過(guò)

31、程稱(chēng)為除極。發(fā)生去極化后（除極），細(xì)胞膜電位又恢復(fù)到原來(lái)的極化狀態(tài)的過(guò)程稱(chēng)為復(fù)極。</p><p>　　心肌細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時(shí)，由于膜內(nèi)、外電荷互不交流，并不產(chǎn)生電流，細(xì)胞膜外任何兩點(diǎn)之間的電位都相等，沒(méi)有電位差。但心肌細(xì)胞在受到激動(dòng)而發(fā)生除極和復(fù)極的過(guò)程中會(huì)形成電位差，從而產(chǎn)生電流。在身體不同部位放置電極，并連接到記錄儀，便可把這變動(dòng)著的電位差記錄成曲線，即心電圖。</p><p>　　

32、2.2 心電信號(hào)的組成部分</p><p>　?。?）P波：代表心房肌的電激動(dòng)過(guò)程，心臟的激動(dòng)起源于竇房結(jié)，最先傳到心房，使之激動(dòng)。P波代表心房肌的電激動(dòng)過(guò)程，是心電圖中最先出現(xiàn)的波動(dòng)。P波正常寬度不超過(guò)0.01s，高度正常不超過(guò)0.25mV。</p><p>　?。?）P-R期間：代表心房肌開(kāi)始除極到心肌開(kāi)始除極的時(shí)限。</p><p>　　（3）QRS波群：反映

33、心室肌除極過(guò)程的電位變化，通常歷時(shí)0.06一0.105s。</p><p>　?。?）S-T段：從QRS波群終點(diǎn)到T波起點(diǎn)間的線段，反映左、右心室全部除極完畢到復(fù)極開(kāi)始以前的一段時(shí)間。</p><p>　　（5）T波：代表心室肌激動(dòng)后恢復(fù)過(guò)程產(chǎn)生的電位變化過(guò)程,占時(shí)較長(zhǎng)，約有0.05s~0.25s。</p><p>　?。?）Q-T期間：從QRS波起點(diǎn)到T波終點(diǎn)間的

34、期間，代表整個(gè)心室肌自開(kāi)始除極到復(fù)極完畢的總時(shí)間。</p><p>　　（7）U波：T波之后有時(shí)可能看到一個(gè)很小的正向波，可能表示心肌激動(dòng)后的電位變化。</p><p>　?。?）S-T段：自QRS波終點(diǎn)至T波起點(diǎn)之間的線段，代表心室各部分己全部進(jìn)入去極化狀態(tài)。心室各部分之間沒(méi)有電位差存在，因此又恢復(fù)到基線水平。正常ST上升不應(yīng)超過(guò)基線0．1mV，下降不應(yīng)低于基線0．05mV。 <

35、;/p><p>　?。?）Q-T間期：從QRS波群起點(diǎn)至T波終點(diǎn)的時(shí)程，代表心室開(kāi)始去極化至完全再極化到靜息狀態(tài)的時(shí)間，這一間期的長(zhǎng)短與心率密切相關(guān)。</p><p>　　2.3 正常的心電圖波形</p><p>　　如前所述，采用電極即可從人體表面記錄出反映心臟興奮活動(dòng)的電生理變化曲線，即心電圖(ECG)。心電圖反映了心臟興奮(除極)的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過(guò)程中的生物電變

36、化。典型的心電圖包括P波，QRS波，T波，U波，P-R間期，Q-T間期，P-R段，S-T段等，它們各自具有其特定的生理意義。典型的心電圖波形如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 正常的心電圖波形</p><p>　　所謂心博的一個(gè)周期，便是由竇房結(jié)發(fā)出電脈沖傳遞至左右心房，首先造成左右心房的收縮(即P波部分)。脈沖到達(dá)房室結(jié)(AV node)后停滯約O．1秒(P—R段)，讓血液充

37、分流至心室。接著脈沖通過(guò)傳遞纖維傳遞至左右心室(Q)，造成左右心室收縮(R)，在一連串的電活動(dòng)后心臟暫時(shí)靜止，心室等待再極化以恢復(fù)帶負(fù)電狀態(tài)(T)，從而完成一次心博。心室的去極化與再極化現(xiàn)象分別為QRS與T部分。而心房?jī)H有去極化的P，沒(méi)有再極化的波形，這是因?yàn)樾姆吭贅O化現(xiàn)象波形小且多半淹沒(méi)在QRS復(fù)合波形中。</p><p>　　2.4 心電信號(hào)的基本特征</p><p>　　心電信號(hào)是一

38、種較微弱的體表電信號(hào)，成年人的幅值約為1mV，頻率在0.01~250Hz范圍內(nèi)，屬于低頻率，低幅值信號(hào)，信號(hào)源內(nèi)阻很大（兩手臂間內(nèi)阻約為600K），易受其他信號(hào)干擾。心電信號(hào)屬生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　(1)信號(hào)具有近場(chǎng)檢測(cè)的特點(diǎn)，離開(kāi)人體表微小的距離，就基本上檢測(cè)不到信號(hào)；</p><p>　　(2)心電信號(hào)通常比較微弱，至多為mV量級(jí)；</p>&

39、lt;p>　　(3)屬低頻信號(hào)，且能量主要在幾百赫茲以下；</p><p>　　(4)干擾特別強(qiáng)。干擾既來(lái)自生物體內(nèi)，如肌電干擾、呼吸干擾等；也來(lái)自生物體外，如工頻干擾、信號(hào)拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來(lái)串?dāng)_等；</p><p>　　(5)干擾信號(hào)與心電信號(hào)本身頻帶重疊(如工頻干擾等)。</p><p>　　2.5 心電干擾的主要來(lái)源</p>

40、<p>　　由于心電信號(hào)呈現(xiàn)出低頻、高阻抗、信號(hào)微弱和隨機(jī)性強(qiáng)等特性，及其容易受到干擾。對(duì)于不同的干擾源，應(yīng)該采取相應(yīng)的濾除措施，這是對(duì)數(shù)據(jù)采集必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。常見(jiàn)的干擾來(lái)源有如下幾種：</p><p><b>　　(1)工頻干擾</b></p><p>　　供電網(wǎng)絡(luò)無(wú)所不在，因此50Hz的工頻干擾[5]是最普遍的，也是心電信號(hào)的主要干擾來(lái)源。它主要通過(guò)

41、人體和測(cè)量系統(tǒng)的輸入導(dǎo)線的電容性禍合，以位移電流的形式引入，其強(qiáng)度足以淹沒(méi)有用的心電信號(hào)。因此為抑制干擾，往往需對(duì)連接人體的導(dǎo)線和測(cè)量系統(tǒng)采取屏蔽措施，并適當(dāng)進(jìn)行陷波處理。</p><p>　　(2)高頻電磁場(chǎng)干擾</p><p>　　隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，各種頻段的無(wú)線電廣播、電視發(fā)射臺(tái)、通訊設(shè)備、雷達(dá)等的工作使空中的電磁波大量增加。這些高頻電磁干擾也可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)與人體連接的導(dǎo)線引入，

42、可能引起測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)不能工作，必須加以抑制。</p><p><b>　　(3)電極極化干擾</b></p><p>　　心電信號(hào)的拾取是通過(guò)放置在人體體表電極進(jìn)行的，與電極接觸的是電解質(zhì)溶液(導(dǎo)電膏、汗液或組織液等)，從而會(huì)構(gòu)成一個(gè)金屬——電解質(zhì)溶液界面，從而導(dǎo)致電化學(xué)的作用，在二者之間會(huì)產(chǎn)生一定的電位差，稱(chēng)之為極化電壓。極化電壓的幅度一般較

43、高，在幾毫伏到幾百毫伏之間。孤立電極不會(huì)產(chǎn)生電流，但在生物電測(cè)量時(shí)通常采用雙電極，這時(shí)兩個(gè)電極之間就會(huì)構(gòu)成一個(gè)化學(xué)電池，電極有電流通過(guò)，電極電位偏離平衡值，產(chǎn)生電極極化現(xiàn)象。當(dāng)兩電極保持對(duì)稱(chēng)時(shí)，極化電壓可相抵消。但極化電壓與電極材料、電極膏、皮膚狀態(tài)、病人情緒、溫度、極化電流及電極與皮膚的接觸情況等因數(shù)有關(guān)，不可避免產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重。此外，電極在皮膚表面的移動(dòng)也會(huì)引起電位差的變化。</p

44、><p><b>　　(4)肌電干擾</b></p><p>　　興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，肌肉機(jī)械性活動(dòng)并伴隨有生物電活動(dòng)。這些生物電活動(dòng)產(chǎn)生的電位差隨時(shí)間變化的曲線即為肌電圖[6](Electromygraphy,EMG)肌電通常是一種快速的電變化，其振幅為20uV～50uV，其頻率范圍為20～50000Hz。經(jīng)專(zhuān)家研究表明，肌電干擾主要集中在

45、35Hz，且存在較大的個(gè)體差異。</p><p>　　(5)測(cè)量?jī)x器自身的干擾</p><p>　　信號(hào)處理所采用的電子設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生儀器噪聲。這類(lèi)干擾一般具有較高的頻率特性，可以通過(guò)低通濾波加以濾除。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)</p><p>　　供電：

46、3.7V鋰電池，可充電、連續(xù)供電24小時(shí)以上；</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：SD卡，體積小、功耗低、擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性；</p><p>　　數(shù)據(jù)顯示：TFT彩色LCD，可顯示彩色數(shù)據(jù)；</p><p>　　報(bào)警方式：GPRS無(wú)線傳輸電路，信息可遠(yuǎn)距離傳輸。</p><p>　　3.1.1 系統(tǒng)

47、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有明顯的現(xiàn)代化醫(yī)療儀器的特點(diǎn)和家用儀器的特征，除了具有科學(xué)性、先進(jìn)性之外，最重要的是工作可靠、操作簡(jiǎn)單，在體積、重量、價(jià)格、維護(hù)、安全等方面能滿足家庭和社區(qū)醫(yī)療的需要。無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為家庭使用電子儀器，要能由非專(zhuān)業(yè)人士操作，作為醫(yī)生對(duì)病人診斷、治療、觀察監(jiān)護(hù)的輔助性設(shè)備，需和醫(yī)院、醫(yī)生保持良好的通信聯(lián)系。因此歸納起來(lái)對(duì)本系統(tǒng)的主要要求如下：</p>

48、;<p>　　(1)不引起創(chuàng)傷，無(wú)專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的測(cè)試條件要求；</p><p>　　(2)自動(dòng)化、智能化程度高，操作簡(jiǎn)單、安全、可靠，容錯(cuò)能力強(qiáng)，操作事務(wù)不產(chǎn)生嚴(yán)重后果；</p><p>　　(3)輕便、小型，便于存放；具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能。</p><p>　　根據(jù)以上條件，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖3-1所示。</p><p>　

49、　圖3-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由心電檢測(cè)電路、心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)電路、心電數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送電路、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)回放和電源管理等電路構(gòu)成。無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理是：由探測(cè)電極感應(yīng)的人體微弱的心電信號(hào)首先送入心電檢測(cè)電路即前端放大、濾波電路，經(jīng)前端預(yù)處理后直接送人信號(hào)的采集處理電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)一方面送入外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器中進(jìn)行存儲(chǔ)、一方面送入微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、還

50、有一部分用來(lái)進(jìn)行顯示。處理后的心電數(shù)據(jù)通過(guò)串口送入無(wú)線發(fā)送模塊中，借助GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將心電數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)院監(jiān)測(cè)中心。醫(yī)院監(jiān)測(cè)中心對(duì)收到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析、并在顯示設(shè)備上進(jìn)行心電特征參數(shù)和波形的顯示，醫(yī)生根據(jù)顯示結(jié)果對(duì)病情進(jìn)行分析和診斷．診斷結(jié)果一方面存儲(chǔ)在醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心中，一方面通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)反饋給病人，使病人能夠及時(shí)了解自己的病情和決定是否采取進(jìn)一步治療的措施。</p><p>　　3.2 基

51、于無(wú)線通信的無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案比較</p><p>　　采用無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)儀，利用無(wú)線通信技術(shù)與監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。由于無(wú)線傳輸無(wú)需線纜介質(zhì)，使用者可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，隨時(shí)隨地得到監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)。目前，市場(chǎng)上運(yùn)用藍(lán)牙、GSM、GPRS(無(wú)線分組業(yè)務(wù))、CDMA等無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，但由于受到傳輸距離、無(wú)線傳輸頻率等制約，仍未能形成完善可靠的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)

52、品。將無(wú)線通信技術(shù)與Internet網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合成為近年來(lái)心電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的又一熱點(diǎn)，這兩種技術(shù)的結(jié)合，可以彌補(bǔ)單純依靠Internet網(wǎng)時(shí)造成監(jiān)測(cè)環(huán)境相對(duì)固定的不足，同時(shí)，也可彌補(bǔ)單純依靠無(wú)線技術(shù)時(shí)只能將受測(cè)者的數(shù)據(jù)在移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端之間傳遞從而造成傳輸成本高、數(shù)據(jù)處理分析手段單一等不足[7]。主要有以下幾種形式：基于藍(lán)牙技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于GPRS技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于CDMA技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。</p><

53、;p>　　3.2.1 基于藍(lán)牙技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　藍(lán)牙作為一種短程無(wú)線通信技術(shù)，由于體積小、功耗低等特點(diǎn)，已成為無(wú)線嵌入式醫(yī)療設(shè)備所考慮采用的基本無(wú)線通信技術(shù)之一。藍(lán)牙設(shè)備能夠支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，支持的接口一般包括UART、USB和PC卡等，而USB支持在同一個(gè)物理通道上處理多個(gè)邏輯通道，因此控制、數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通道不再需要額外的物理接口，從而使得藍(lán)牙心電無(wú)線監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的

54、實(shí)時(shí)傳輸。基于藍(lán)牙技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將家庭心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊與中心工作站進(jìn)行無(wú)線通訊而組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙模塊通常是由兩個(gè)芯片構(gòu)成一個(gè)芯片組，一塊是射頻芯片，另一個(gè)是基帶控制芯片，再加上外加的Flash、天線和電源芯片就可以構(gòu)成一個(gè)藍(lán)牙模塊。心電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)藍(lán)牙射頻發(fā)送給固定接入端，再將接收到的心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成IP數(shù)據(jù)包，并送到Internet網(wǎng)。</p><p>　　3.2.2 基于GPRS技術(shù)的心

55、電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　GPRS是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS允許用戶(hù)在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS可以發(fā)揮永遠(yuǎn)在線、快速登陸、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)須使

56、用信號(hào)電纜，因而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，具有一定的市場(chǎng)潛力。</p><p>　　3.2.3 基于CDMA的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)</p><p>　　CDMA是基于碼分多址技術(shù)的數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)，它是在數(shù)字?jǐn)U頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種新的無(wú)線通信技術(shù)，與使用時(shí)分多路的GSM技術(shù)不同，CDMA并不給每一個(gè)通話者分配一個(gè)確定的頻率，而是讓每一個(gè)通信者都使用全部的頻率，使大量用戶(hù)能夠共享同一個(gè)無(wú)線頻率。

57、CDMA系統(tǒng)為每個(gè)用戶(hù)分配各自特定的地址碼，彼此之間是相互獨(dú)立、互相不影響的，由于有不同的地址碼來(lái)區(qū)分用戶(hù)，所以對(duì)頻率、時(shí)間和空間沒(méi)有特定的限制，利用公共信道來(lái)傳輸信息。CDMA的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)容量大、建網(wǎng)成本低、配置靈活、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單、保密性好、發(fā)射功耗小、無(wú)線輻射能量低。CDMA-1X標(biāo)準(zhǔn)是CDMA2000的第一階段，可支持308kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)部分引入分組交換，支持移動(dòng)業(yè)務(wù)，具有較快傳輸速率，適合應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)

58、。目前市場(chǎng)上的CDMA模塊有很多，如MG801A收發(fā)模塊，Bellwave公司的BCM860無(wú)線通信模塊，WAVECOM Q2358C模塊等。</p><p>　　結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸模塊選用BENQ公司的無(wú)線三頻帶模塊M22。該模塊集成有基帶處理器、FLASH閃存、RF接口、普通I／0口、通用異步收發(fā)器、SIM卡接口、電池及LED接口。M22支持GSM語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息及GPRS數(shù)據(jù)傳輸

59、業(yè)務(wù)等，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)115．2kbit／s。M22模塊內(nèi)嵌有TCP，IP協(xié)議，能夠自動(dòng)識(shí)別波特率。BENQ支持AT命令，主控處理器通過(guò)使用AT命令直接控制M22模塊進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。無(wú)線心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)建立在移動(dòng)用戶(hù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的一種連接，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中．采集處理模塊與GPRS模塊間是通過(guò)串行口進(jìn)行通訊的，通訊協(xié)議是AT指令集；GPRS模塊與GSM／GPRS移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的SGSN

60、通訊時(shí)遵循點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)；心電數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理模塊送入GPRS模塊，再經(jīng)GPRS無(wú)線網(wǎng)接入Intemet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p><b>　　第四章 硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 微處理器硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　此設(shè)計(jì)中使用到的微處理器是MSP430，下面對(duì)其進(jìn)行相關(guān)介紹。&l

61、t;/p><p>　　4.1.1 MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）。稱(chēng)之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。

62、該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。</p><p>　　4.1.2 MSP430單片機(jī)的特點(diǎn)</p><p><b>　　1）處理能力強(qiáng)</b></p><p>　　MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核

63、指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。</p><p><b>　　2）運(yùn)算速度快</b></p><p>　　MSP430 系列單片機(jī)能在25MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能

64、實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。</p><p><b>　　3）超低功耗</b></p><p>　　MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。</p><p>　　首先，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8-3.6V 電壓。因而可使其在1MHz 的

65、時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在165μA左右，RAM 保持模式下的最低功耗只有0.1μA。</p><p>　　其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（FLL 和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下

66、，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。</p><p>　　由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá)2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可達(dá)0.1μA 。</p><p><b>　　4）片內(nèi)資源豐富</b></p>

67、<p>　　MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門(mén)狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A0（Timer_A0）、定時(shí)器A1（Timer_A1）、定時(shí)器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O端口、基本定時(shí)器（Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看

68、門(mén)狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16 位定時(shí)器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的

69、轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件I2C串行</p><p>　　另外，MSP430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒只需5μs。</p><p>　　4.2 心電檢測(cè)電路</p><p>　　心電檢測(cè)

70、電路包括對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行初步放大、濾波、電平抬升等處理。</p><p>　　4.2.1 心電檢測(cè)電路的總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　通過(guò)前面的分析得出心電信號(hào)是一種典型的人體生理信號(hào)，具有生物電信號(hào)的普遍特征，如幅度小、頻率低并且易受外界環(huán)境干擾，這為采集和測(cè)量帶來(lái)了難度。由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以對(duì)處理器的數(shù)據(jù)處理能力和速度也有很高的要求。如果選用處理速度很快的處

71、理器，則相應(yīng)的外設(shè)也要有與之相適應(yīng)的性能指標(biāo)[9]。綜合各個(gè)方面因素，電路設(shè)計(jì)要求如下：</p><p>　　對(duì)微弱的心電心電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等必要的信號(hào)調(diào)理</p><p>　　a)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，選擇合適的傳感器。</p><p>　　b)設(shè)計(jì)合理的有源濾波器，能夠進(jìn)行0．05-100Hz的帶通濾波，50Hz陷波。</p><p>

72、　　c)實(shí)現(xiàn)1000倍的信號(hào)放大。</p><p>　　d)實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓抬高。</p><p>　　4.2.2 心電檢測(cè)電路的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　心電檢測(cè)電路總體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 心電檢測(cè)電路總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于心電信號(hào)是微弱信號(hào)，所以設(shè)置前置放大器用來(lái)放大

73、心電信號(hào)；為了抑制基線漂移，設(shè)置了0.5Hz高通濾波；由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，設(shè)置了二階低通巴特沃斯濾波器，消除100 Hz以上的高頻成分；為了消除50 Hz工頻干擾，設(shè)置50 Hz雙T陷波電路；為了心電信號(hào)不失真，設(shè)計(jì)了電平抬升電路。</p><p>　　本系統(tǒng)選用的前置放大器是AD620A，具有很好的性能，非常適合作為心電信號(hào)測(cè)量前置放大器，引腳分布如圖4-2，其具體規(guī)格特性如下：</p>&

74、lt;p>　　(1)電源供應(yīng)范圍：±2.3V-±18V；</p><p>　　(2)高精度：輸人最大偏置電流：1mA；輸人最大失調(diào)電流：0．5nA；輸入最大失調(diào)電壓：50μV；最大溫度漂移：0．6μV／℃；輸入阻抗：10GΩ。</p><p>　　(3)低雜訊：輸入電壓噪聲(f=1K Hz)：9nV／：共模抑制比(增益G=10)：100dB。AD620的增益可調(diào)，

75、范圍為1～1000倍，通過(guò)調(diào)節(jié)AD620A的1和8腿之間的Rg的值來(lái)實(shí)現(xiàn)：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖4-2 AD620引腳分布圖</p><p>　　本電路所用的集成放大電路為OP07。引腳分布如圖4-3。OP07芯片是一種低噪聲的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP

76、07A最大為75μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。其主要規(guī)格參數(shù)有：電源供應(yīng)范圍：3V-18V；輸入最大失調(diào)電壓：75μV；</p><p>　　最大溫度漂移：1.3μV /℃。&

77、lt;/p><p>　　圖4-3 OP07引腳圖</p><p>　　4.2.3　前置放大電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　前置放大是整個(gè)信號(hào)放大最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，關(guān)系到整個(gè)模擬采集部分的工作性能。前面已經(jīng)對(duì)心電信號(hào)的干擾因素已經(jīng)有比較全面和詳細(xì)的介紹，設(shè)計(jì)電路時(shí)必須把這些干擾因素減小到最小。前置放大器是整個(gè)前置放大電路的“心臟”，關(guān)系到前置放大電路的性能，因而它的選型非

78、常重要[11]。本系統(tǒng)主要基于以下三個(gè)方面來(lái)確定前置放大器的選型。</p><p>　　(1)心電測(cè)量中，皮膚和電極接觸將引起極化電壓，如果兩個(gè)電極完全對(duì)稱(chēng)，這種極化電壓數(shù)值和相位相同，將作為直流共模信號(hào)輸入到心電放大器；無(wú)處不在的工頻干擾也是一種共模干擾。因而所選放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干擾。心電信號(hào)前置放大器的共模抑制比一般要在80dB以上。</p>

79、<p>　　(2)電極和皮膚接觸會(huì)存在極化電阻，而被測(cè)者身體的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致極化電阻阻抗值發(fā)生變化。極化電阻可以看作是整個(gè)電路系統(tǒng)源電阻，和前置放大電路的輸入電阻進(jìn)行分壓，變化的極化電阻會(huì)導(dǎo)致前置放大電路的分壓輸出處于不穩(wěn)定狀態(tài)。所以心電前置放大器必須具有很高的輸入阻抗才能減弱心電信號(hào)的衰減影響。信號(hào)源阻抗一般在數(shù)十歐姆到數(shù)K歐姆之間，心電前置放大器的輸入阻抗應(yīng)該比源阻抗至少高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，以保證信號(hào)的不失真。</p>

80、<p>　　(3)由于電子電路溫度變化而造成的零點(diǎn)漂移也能?chē)?yán)重影響正常的心電信號(hào)的檢測(cè)，因而要采用低溫漂的元件，尤其是在選擇心電信號(hào)放大器時(shí)更要選擇低溫漂的產(chǎn)品，否則會(huì)影響放大器的輸入范圍，使得微弱的緩變信號(hào)無(wú)法放大，心電信號(hào)中的低頻成分不能得到正確的測(cè)量。總之前置放大器的選擇要從高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂這幾個(gè)方面著手。</p><p>　　前置放大器的性能并不是整個(gè)實(shí)際電路的性能，還

81、必須輔以合理的電路結(jié)構(gòu)來(lái)充分發(fā)揮前置放大器的作用。前置放大級(jí)最重要的電路參數(shù)為共模抑制比參數(shù)，很大程度上取決于電路的對(duì)稱(chēng)性，本系統(tǒng)采用典型的差分放大電路來(lái)作為前置放大級(jí)，可以有效地提高共模抑制比，如圖4-4和圖4-5所示，和接成射極跟隨器，可以穩(wěn)定輸入信號(hào)和提高輸入阻抗和共模抑制比；將和的人體共模信號(hào)檢測(cè)出來(lái)用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線屏蔽層，以消除分布電容，進(jìn)一步提高共模抑制比：、、和構(gòu)成浮地驅(qū)動(dòng)電路可將人體共模信號(hào)放大后用于激勵(lì)人體右腿，從而降低共

82、模電壓，較強(qiáng)地抑制50Hz工頻干擾。極化電壓差作為差模直流電壓信號(hào)輸入到放大器，會(huì)造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致放大器進(jìn)入截止或飽和狀態(tài)。這種極化電壓的存在限制了前置放大級(jí)的增益，為了避免截止或飽和，前置放大電路的增益不能太大。</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路的增益為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p>&

83、lt;p>　　圖4-4 前置放大電路（1）</p><p>　　圖4-5 前置放大電路（2）</p><p>　　4.2.4 右腿驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　心電電極和電力線之間由于存在電容耦合會(huì)產(chǎn)生位移電流Id，位移電流大部分從人體流經(jīng)地，對(duì)人體是十分有害的。皮膚與接地間的接地阻抗為Z3，位移電流流經(jīng)Z3建立共模電壓，對(duì)微弱的心電信號(hào)檢測(cè)影響很大

84、[12]。假定Z1，Z2為皮膚和電極1，2間的接觸電阻，Id1和Id2為心電電極1，2和電力線之間的位移電流，則導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的兩個(gè)電極輸入端A，B因位移電流將產(chǎn)生電位差：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　降低位移電流干擾的一種有效辦法是采用右腿驅(qū)動(dòng)法，圖4-6為右腿驅(qū)動(dòng)的具體連接電路。由圖4-5，右腿不直接接地而是接到輔助運(yùn)算放大器U1

85、0的輸出。從R43和R44電阻結(jié)點(diǎn)檢出共模電壓，它經(jīng)過(guò)輔助的反相放大器放大后通過(guò)電阻R39反饋到右腿。人體的位移電流這時(shí)候不再流入地而是流入R39和輔助放大器的輸出。R39起安全保護(hù)作用，當(dāng)病人和地之間出現(xiàn)很高電壓時(shí)輔助放大器飽和，右腿驅(qū)動(dòng)不起作用，這時(shí)候U10等效于接地，R39此時(shí)起到限流保護(hù)作用。右腿驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際可以看成以人體為相加點(diǎn)的共模電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，任何流入人體的位移電流基本等于反饋電阻上的驅(qū)動(dòng)電流。只要放大器A的開(kāi)環(huán)增益

86、足夠大，那么即使有大的位移電流流入人體，人體的電位基本保持零電位。采用右腿驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)50Hz干擾的抑制并不以損失心電信號(hào)的頻率成分為代價(jià)。但由于右腿驅(qū)動(dòng)存在交流干擾電壓的反饋電路，而交流電流經(jīng)人體，成為不安全因素，限流電阻通常在1MΩ以上。</p><p>　　圖4-6 右腿驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　4.2.5 濾波電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p><b&

87、gt;　　(1)濾波理論</b></p><p>　　模擬濾波器類(lèi)型由低通、高通、帶通、帶阻以及全通等，濾波電路傳遞函數(shù)一般采用復(fù)頻率表示方式，既S域法。傳遞函數(shù)的零、極點(diǎn)決定了該電路具體的濾波類(lèi)型?！傲泓c(diǎn)”是分子s多項(xiàng)式的根，“極點(diǎn)”則是分母多項(xiàng)式的根。需要注意的是必須保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，既極點(diǎn)都處于S平面的左半側(cè)，否則電路會(huì)產(chǎn)生自激振蕩[13]。圖4-7為二階有源濾波器的示意圖，運(yùn)放接成同相放大

88、器，其增益為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　圖4-7 二階有源濾波器示意圖</p><p>　　該電路的傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下：根據(jù)電路，分別列出節(jié)點(diǎn)C及B的電流方程得：

89、 （4-5）</p><p>　　又∑I=0，聯(lián)立上式可得：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　賦予Y1到Y(jié)4不同的阻容元件，可以得到不同類(lèi)型的濾波器，令Y1=Y3=1/R，Y2=Y4=SC,則傳遞函數(shù)：</p><p&g

90、t;<b>　?。?-7）</b></p><p>　　該傳遞函數(shù)共有兩個(gè)極點(diǎn)而沒(méi)有零點(diǎn)，是一個(gè)二階低通濾波器。其中（4-8），（4-9），（4-10）式中 -特征角頻率，K-運(yùn)放增益，Q-濾波電路的等效品質(zhì)因素，Q值太低，濾波器很難有陡峭的過(guò)渡帶。當(dāng)K﹥3時(shí)，分母中系數(shù)s項(xiàng)變?yōu)樨?fù)，極點(diǎn)就會(huì)移至s平面的右半平面，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果將低通電路中的R和C的位置互換，就可以得到RC高通電路。

91、即若Y1=Y3=SC,Y2=Y4=1/R,就可以得到二階有源高通濾波器，由于二階高通濾波器與二階低通濾波器在電路結(jié)構(gòu)上存在對(duì)稱(chēng)性，他們的傳遞函數(shù)也存在對(duì)偶關(guān)系，可得高通濾波器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　當(dāng)?shù)屯ê透咄V波電路串聯(lián)，可以構(gòu)成帶通濾波電路，條件是低通濾波器的截止角頻率大于高通濾波電路的截止角頻率，兩者

92、覆蓋的通帶就提供了一個(gè)帶通響應(yīng)。</p><p>　　(2)心電信號(hào)的帶通濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　圖4-8是帶通濾波電路圖，采用兩個(gè)運(yùn)放設(shè)計(jì)成二階有源高通和低通濾波電路并組合成帶通濾波，兩個(gè)運(yùn)放的增益為1。OP07(圖中標(biāo)識(shí)為U13和U14)是常用的通用放大器，價(jià)格便宜，它具有高精度、低功耗，低偏置的特點(diǎn)。其中、、、、和構(gòu)成高通電路，其截止頻率</p><p&g

93、t;<b>　?。?-12）</b></p><p>　　等效品質(zhì)因素Q=1／3。、、、和組成低通電路，為了不損失心電信號(hào)的高頻成分，其截止頻率</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　該部分電路實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果f2設(shè)為150Hz，信號(hào)發(fā)生器提供的正弦輸入信號(hào)要到200Hz才會(huì)有明顯的

94、衰減，為了使濾波電路的選頻性能更精確，帶通頻帶上限留有的余量不是很大，實(shí)驗(yàn)也證明這樣效果更好。 </p><p>　　圖4-8 帶通濾波電路</p><p>　　4.2.6 電平抬升電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換是通過(guò)單3.3V電平供電的，而ECG信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后會(huì)是交變信號(hào)，為了是心電信號(hào)不失真，必須在把信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換之前，把電平給抬

95、升上去。這里采用了一個(gè)2．5v的穩(wěn)壓管LM385經(jīng)電阻分壓，從而把電平抬升上去[14]，如圖4-9所示：</p><p>　　圖4-9 電平抬升電路</p><p>　　4.2.7 心電信號(hào)的50Hz帶阻濾波器電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　雖然心電信號(hào)前置放大電路對(duì)50Hz工頻干擾有很強(qiáng)的抑制作用，但僅僅靠共模抑制是不夠的，還需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的濾波電路來(lái)濾除，模擬

96、帶阻濾波器，俗稱(chēng)陷波器。最典型的陷波電路是無(wú)源雙T網(wǎng)絡(luò)加運(yùn)算放大器，雙T網(wǎng)絡(luò)實(shí)際是由低通和高通濾波器并聯(lián)組合成的二階有源帶阻濾波器，兩個(gè)運(yùn)算放大器接成射隨狀態(tài)，增益都為l[15]。本系統(tǒng)實(shí)際采用的電路就是這種雙T網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的帶阻濾波器，如圖4-10所示，運(yùn)算放大器仍選用的是OP07。 = =R， = =C，、并聯(lián)為2C，、并聯(lián)為R/2，設(shè) = ， = ，該電路的傳遞函數(shù)為： </p><p><b>

97、　?。?-14）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　，， （4-15）</p><p>　　調(diào)節(jié)R1,R2的比值可以控制Q的值。</p><p>　　圖4-10 50Hz陷波電路</p><p>　　取C44=C

98、45=C46=C35=0.068uF，R49=R50=R51=R52=47K，R53=R54=50K，由上式得： （4-16）</p><p>　　Q=0.5，實(shí)際調(diào)試過(guò)程表明，該電路對(duì)50Hz的衰減在20dB左右，對(duì)工頻干擾有一定的遏

99、制作用，基本上能滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　小結(jié)：主要介紹了心電信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，給出了心電信號(hào)采集電路具體的設(shè)計(jì)方法與部分實(shí)現(xiàn)電路。設(shè)計(jì)了前置放大器；為了降低位移電流，設(shè)計(jì)了右腿驅(qū)動(dòng)電路；為了抑制基線漂移，設(shè)計(jì)了0．5 Hz高通濾波電路；為了消除50 Hz工頻干擾，設(shè)計(jì)50 Hz雙T陷波電路，該陷波器具有Q值可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)；由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，設(shè)計(jì)了二階低通巴特沃斯濾波器，消除100 Hz以上的高頻

100、成分；為了心電信號(hào)不失真，設(shè)計(jì)了電平抬升電路；最后，將輸出的數(shù)據(jù)送入MSP430單片機(jī)中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換及軟件處理分析。通過(guò)調(diào)試，基本上能得到采集心電數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.3.1 SD卡的簡(jiǎn)介</p><p>　　SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是

101、一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。SD卡由日本松下、東芝及美國(guó)SanDisk公司于1999年8月共同開(kāi)發(fā)研制。大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2克，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性。</p><p>　　SD卡在24mm×32mm×2.1mm的體積內(nèi)結(jié)合了San

102、Disk快閃記憶卡控制與MLC（Multilevel Cell）技術(shù)和Toshiba（東芝）0.16u及0.13u的NAND技術(shù)，通過(guò)9針的接口界面與專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器相連接，不需要額外的電源來(lái)保持其上記憶的信息。而且它是一體化固體介質(zhì)，沒(méi)有任何移動(dòng)部分，所以不用擔(dān)心機(jī)械運(yùn)動(dòng)的損壞。</p><p>　　SD卡采用了NAND型Flash Memory，平均數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到2MB/s。SD卡還提供不同的速度，它是按CD-

103、ROM的150kB/秒為1倍速的速率計(jì)算方法來(lái)計(jì)算的?；旧希鼈兡軌虮葮?biāo)準(zhǔn)CD-ROM的傳輸速度快6倍(900 kB/秒)，而高速的SD卡更能傳輸66x (10 MB/秒) 以及 133x 或更高的速度。SD卡的結(jié)構(gòu)能保證數(shù)字文件傳送的安全性，也很容易重新格式化，所以有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，音樂(lè)、電影、新聞等多媒體文件都可以方便地保存到SD卡中。因此不少數(shù)碼相機(jī)也開(kāi)始支持SD卡。 </p><p>　　4.3.2

104、MSP430與SD卡的接口設(shè)計(jì)</p><p>　　SD卡有9個(gè)引腳，支持兩種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，即SD(Multimedia Card)模式和SPI(Serial Peripheral Interface)模式。在SPI模式中，通過(guò)4條信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的傳輸。這4條信號(hào)線分別是時(shí)鐘SDCLK、數(shù)據(jù)輸入SDDI、數(shù)據(jù)輸出SDDO和片選SDCS。MSP430通過(guò)P5.4口輸出SDEN控制三極管的關(guān)斷，在儀器待機(jī)時(shí)切斷接

105、口電路的供電，降低系統(tǒng)功耗。MSP430與SD卡的接口電路如圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11 MSP430與SD卡接口原理圖</p><p>　　按照我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以采樣率為200Hz，每個(gè)采樣點(diǎn)分辨率為12 位，在不壓縮的情況下，1 個(gè)采樣點(diǎn)占2 個(gè)字節(jié)的空間，那么進(jìn)行一天的連續(xù)記錄所需要的空間為：</p><p>　　2×200(B

106、/s)×3600( s/h)×24(h)=345600(B)=32. 96MB。這樣，我們只需一個(gè)64MB 的SD 卡，即可滿足1天多的記錄要求。</p><p>　　小結(jié)：介紹了SD卡的相關(guān)知識(shí)及MSP430與SD卡的接口設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)回放電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)回放系統(tǒng)原理</p>

107、<p>　　本系統(tǒng)的基本原理如圖4-12所示。圖中的數(shù)據(jù)文件是指從SD卡存儲(chǔ)器出來(lái)的心電波形的數(shù)字形式；數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置是將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)的設(shè)備，它可以通過(guò)控制模擬信號(hào)的刷新率和幅值等參數(shù)來(lái)模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)；信號(hào)調(diào)理模塊主要是對(duì)模擬信號(hào)作適當(dāng)?shù)奶幚硪詽M足項(xiàng)目要求，如高低通濾波、直流/交流耦合等。</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)硬件構(gòu)成</b></p><

108、;p>　　系統(tǒng)硬件主要有PC機(jī)、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡以及信號(hào)調(diào)理模塊組成。其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換卡選用NI公司的PCI-6713數(shù)模轉(zhuǎn)換卡。它的主要技術(shù)指標(biāo)為：八通道模擬輸出，精度為12為；最大刷新率為1MS/s；模擬輸出幅值范圍為正負(fù)10V；內(nèi)部最大時(shí)鐘頻率為20MHz；其數(shù)據(jù)傳輸方式可為DMA傳輸、中斷傳輸以及可編程I/O口傳輸；卡上的FIFO大小為16384</p><p>　　圖4-12 數(shù)據(jù)回放原理圖</p&