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心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段｡心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件｡人體心電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05~100Hz,幅度約為0~4mV,信號(hào)十分微弱｡由于心電信號(hào)中通常混雜有其它生物電信號(hào),加之體外以50Hz工頻干擾為主的電磁場的干擾,使得心電噪聲背景較強(qiáng),測量條件比較復(fù)雜｡為了不失真地檢出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào),往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度､高穩(wěn)定性､高輸入阻抗､高共模抑制比､低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能｡本文利用C8051F206的片上A/D轉(zhuǎn)換和多路模擬開關(guān)設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)｡ 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號(hào)調(diào)理 圖1所示是一個(gè)心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖,其中心電信號(hào)由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大,并在對各干擾信號(hào)進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器,以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號(hào)｡主放大器可將濾波后的信號(hào)進(jìn)一步放大到合適范圍后,再經(jīng)50Hz和35Hz陷波器濾除工頻和肌電干擾,然后將符合要求的心電模擬信號(hào)由模擬輸入端送入C8051F206的片上ADC,以進(jìn)行高精度A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)｡ 1.1 前置放大電路 前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié),具體電路如圖2所示｡由于人體心電信號(hào)十分微弱,噪聲背景強(qiáng)且信號(hào)源阻抗較大,加之電極引入的極化電壓差值較大(比心電差值幅度大幾百倍),因此,通常要求前置放大器具有高輸入阻抗､高共模抑制比､低噪聲､低漂移､非線性度小､合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等性能,設(shè)計(jì)時(shí)一般都采用差分放大電路｡本設(shè)計(jì)選用儀用放大器AD620作為前置放大器｡AD620輸入端采用超β處理技術(shù),具有低輸入偏置電流､低噪音､高精度､較高建立時(shí)間､低功耗等特性,共模抑制比可達(dá)130dB,非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用｡其增益可調(diào)(范圍約1~1000倍),并可由公式 G=1+49.4kΩ/Rg 來確定｡為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū),其增益不能過大｡試驗(yàn)表明:10倍左右效果較好｡通過U3可將R2､R3上的人體共模信號(hào)檢測出來用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線屏蔽層,以消除分布電容,提高輸入阻抗和共模抑制比｡U4､R5､R6､C1構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動(dòng)電路可將人體共模信號(hào)倒相放大后用于激勵(lì)人體右腿,從而降低甚至抵消共模電壓,以達(dá)到較強(qiáng)抑制50Hz工頻干擾之目的｡U1､U2主要用于穩(wěn)定輸入信號(hào)和提高輸入阻抗,進(jìn)一步提高共模抑制比｡ 1.2 帶通濾波及主放大電路 如圖3所示,帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路OP2177構(gòu)成｡OP2177具有高精度､低偏置､低功耗等特性,片內(nèi)集成了兩個(gè)運(yùn)放,可靈活組成各類放大和濾波電路｡由于心電信號(hào)頻帶主要集中在0.05~100Hz左右,頻帶較寬,為此,采用OP2177的兩個(gè)運(yùn)放分別設(shè)計(jì)二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波｡其中,U6A､C6､C7､R8､R9構(gòu)成高通濾波器,為不損失心電信號(hào)的低頻成分,其截止頻率設(shè)計(jì)為f=1/2πC6C7R8R9 1/2=0.03Hz｡U6B､R10､R11､C8､C9構(gòu)成低通濾波器,同樣,為不損失其高頻成分,截止頻率設(shè)計(jì)為f=1/2πC8C9R10R11 1/2=130Hz｡主放大電路由OP1177(U7)､R12､R13構(gòu)成｡考慮到心電信號(hào)幅度約為0~4mV,而A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)要求1V左右,因此,整個(gè)信號(hào)電路的放大倍數(shù)需1000倍左右｡而前置放大約10倍左右,因此本級放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為100倍左右,即G=1+R12/R13≈100｡ 1.3 陷波和電平抬升電路 工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾,雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用,但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的,且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi),加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素,前級電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾,所以必須專門濾除｡常規(guī)有源陷波器的頻率特性對電路元件的參數(shù)比較敏感,因此難以精確調(diào)試,且電路穩(wěn)定性不高｡而開關(guān)電容集成濾波器無需外接決定頻率的電阻或電容,濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時(shí)鐘頻率決定,且其頻率特性對時(shí)鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感,因而性能較穩(wěn)定｡凌特公司的LTC1068-50集成開關(guān)電容濾波器內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的二階開關(guān)電容濾波器,時(shí)鐘與中心頻率之比為50:1,誤差為 0.3%可采用5V､5V供電｡因此,配合廠家提供的FilterCAD濾波器設(shè)計(jì)軟件,可靈活配置成各類濾波器(低通､高通､帶通､全通等)｡為較好地濾除工頻干擾,本設(shè)計(jì)利用LTC1068-50的優(yōu)點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了一個(gè)8階巴特沃斯50Hz陷波器,采用的時(shí)鐘信號(hào)頻率為2.5kHz設(shè)計(jì)電路如圖4所示｡經(jīng)測試,陷波深度可達(dá)50dB,可衰減100倍左右,效果比較理想｡ 另外,人體肌電隨著個(gè)體的差異也會(huì)對心電信號(hào)造成不同程度的干擾,有時(shí)甚至淹沒心電信號(hào),因而有必要加以抑制｡研究表明,肌電干擾主要集中在35Hz左右,為此,本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了圖5所示的35Hz的無限增益多路反饋型二階陷波器｡該二階陷波器由U10A､U10B構(gòu)成｡其截止頻率約為35Hz,Q約為7,可符合實(shí)際要求｡ 經(jīng)過一系列信號(hào)調(diào)理后,陷波輸出的心電信號(hào)為交變信號(hào),而本系統(tǒng)中單片機(jī)內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為0~3.3V,因此,在送入ADC之前還需進(jìn)行電平抬升,在圖5中,電平抬升部分由U11､R42､R43､R44構(gòu)成｡ 12通道心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各路心電信號(hào)可從人體體表不同部位獲取｡由于各路信號(hào)頻率特性相同,僅波形的形狀不同,因此各路信號(hào)可采用相同的信號(hào)調(diào)理電路｡ 2 單片機(jī)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 由C8051F206構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖6所示是單片機(jī)與信號(hào)調(diào)理電路連接框圖｡其中C8051F206是Cygnal公司出品的一種混合信號(hào)ISP FLASH微控制器,該芯片內(nèi)含與8051完全兼容的高速微控制器內(nèi)核､8k Flash､4字節(jié)寬的I/O端口､硬件UART和SPI總線､12位高精度ADC和多達(dá)32通道的模擬輸入多路選擇器｡每一個(gè)I/O引腳均可用軟件配置成模擬輸入端口,其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100ksps｡這些特點(diǎn)使得C8051F206非常適合作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器｡根據(jù)系統(tǒng)需要,可將其端口P1.0~P1.7 P3.0~P3.3配置成12路心電模擬信號(hào)的輸入端｡此外,C8051F206還為50Hz陷波器提供2.5kHz時(shí)鐘信號(hào)｡ 2.2 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)上電后,首先要進(jìn)行初始化設(shè)置,包括系統(tǒng)復(fù)位方式､時(shí)鐘源､電壓基準(zhǔn)､中斷､UART､SPI､ADC的設(shè)置以及用交叉開關(guān)對I/O端口進(jìn)行配置,這些設(shè)置可通過設(shè)置相應(yīng)特殊功能寄存器(SFR)來進(jìn)行,具體細(xì)節(jié)可參閱相關(guān)資料｡本系統(tǒng)選擇內(nèi)部時(shí)鐘源,頻率16MHz,并采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)VDD｡由于心電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05~100Hz,根據(jù)采樣定理,為了不失真地采集信號(hào),設(shè)計(jì)時(shí)將采樣頻率定為200Hz,即12通道的心電數(shù)據(jù)采樣周期為5ms｡為此設(shè)置ADC轉(zhuǎn)換時(shí)鐘為系統(tǒng)時(shí)鐘的16分頻,啟動(dòng)方式采用定時(shí)器2溢出和軟件寫ADBUSY位啟動(dòng)相結(jié)合的方式;轉(zhuǎn)換采用查詢方式,并通過讀控制寄存器ADC0CON的ADBUSY位來判斷一次A/D轉(zhuǎn)換的完成與否;轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果采用右對齊,12位數(shù)據(jù)結(jié)果字由數(shù)據(jù)字寄存器讀入FLASH｡數(shù)據(jù)采集程序流程如圖7所示｡ 3 結(jié)束語 與常規(guī)設(shè)計(jì)相比,本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定､精度高､抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),特別是對50Hz工頻干擾有較好的抑制能力,可獲取反應(yīng)心電特征及其變化規(guī)律的高質(zhì)量心電信號(hào)｡設(shè)計(jì)中充分利用了高性能單片機(jī)C8051F206的片內(nèi)12位ADC資源來使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,采集的數(shù)據(jù)可靈活方便地由C8051F206的SPI端口送入心電處理中心進(jìn)行后續(xù)分析處理｡ |
