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课程设计实验报告
生物医学工程专业课程设计报告
——基于仿真平台的心电采集系统设计
班级：
学号：
姓名：
专业：
生物医学工程
年级：
08级
2011-12-25
目录
一、课程设计目的3
二、课程设计时间与环境4
2.1课程设计时间4
2.2课程设计环境4
三、课程设计内容与步骤4
3.1、设计框架4
3.2、电路分析及设计5
3.2.1、放大电路设计5
3.2.2、抗共模电路的设计6
3.2.3、抗工频干扰电路7
3.2.4、高频信号滤波电路7
3.3、电路仿真8
3.3.1、同相并联三运放放大电路仿真电路及结果如下图所示：
8
3.3.2、50陷波电路仿真电路及结果9
3.3.3、截至频率为100Hz的三阶巴特沃斯低通滤波器仿真电路及结果10
3.4、采集电路以及程序设计11
3.4.1、采集电路设计12
3.4.2、采集程序设计13
3.5、心电采集系统整体框图15
四、课程设计总结17
五、心得启迪18
基于仿真平台的心电采集系统设计
一、课程设计目的
对学生综合运用所学知识、发现知识、提出新问题、分析和解决实际问题等实践能力锻炼与培养，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
1.进一步巩固加深掌握所学的数电模电和信号处理等专业基础课和专业课的理论知识，提高学生专业知识综合实践运用能力。
2.进一步培养学生解决生物医学工程开发实际能力和培养学生的专项技能和职业能力，为学生毕业设计和就良好就业或深造奠定扎实基础。
3.进一步掌握电路设计与单片机应用结合在一起的系统设计流程；
4.进一步加深学生理解电路仿真软件在今后系统开发中的重要作用；
5.进一步初步掌握单片机系统开发的一般步骤及方法；
6.进一步学习掌握数字电路设计技术；
7.进一步学习掌握单片机KeilC编程技术；
8.进一步学习掌握LCD驱动显示技术；
9.进一步学习掌握PCB制版技术；
10.进一步学习掌握生物医学信息采集和分析处理程序设计技术；
11.进一步学习如何分析问题、解决问题的方法，锻炼自己思维及动手能力。
课程设计要求
在深入分析心电信号的特点及其主要干扰源的基础上，在充分考虑高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声等电路设计要求后，自己通过Multisim10.0仿真平台对系统分模块进行设计，包括前置放大电路、低通滤波电路、双T陷波器（可选）、高通滤波电路、后置放大电路、A/D转换电路、MCU控制电路，要求通过对电路不断仿真，合理调整电路的参数，使各个模块接近最佳理想设计状态。
同时比较设计要求和实验结果，分析参数差异的原因。
首先，由于心电信号具有以下特点：
1、信号十分微弱。
2、常见的心电频率一般在0—100Hz之间。
3、能量主要集中在17Hz附近，幅度小于5mV。
其次，心电电极阻抗较大，一般在几百千欧以上。
最后，由于在检测生物信号时存在以下干扰：
1、电极移动引起基线漂移干扰。
2、电源工频干扰（50Hz），共模干扰形式存在，幅值可达几V甚至几十V。
3、肌电干扰（几百Hz以上）。
因此本设计要求心电放大器必须具有很高的共模抑制比。
而电极移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压，最大可达300mV，那么心电放大器的前级增益不能过大，或者需要采用超低频的交流放大器。
由于信号源内阻可达几十KΩ、乃至几百KΩ，所以，心电放大器的输入阻抗必须在几MΩ以上。
不仅要求输入阻抗，对CMRR也要有80dB以上的共模抑制比。
同时在有源低通滤波器中要求能够有效地滤除与心电信号无关的高频信号，最后在设计要求对某一频段的信号能够抑制或衰减。
通过系统调试，最后得到放大、无噪声干扰的心电信号。
在模数转换，数据采集一块，系统对于这个过程要求利用单片机来实现数据采集，然后再将其送入PC机
二、课程设计时间与环境
2.1课程设计时间
第6周到第10周
2.2课程设计环境
实验室及寝室计算机平台
三、课程设计内容与步骤
本次设计将单片机纳入系统中，利用硬件与软件结合实现了系统的简易化设计。
在了解心电信号特性的前提下，整个电路的设计以符合心电采集电路的基本要求来完成。
电路逐次分为采集电路、放大滤波电路、单片机电路，并利用了仿真开发平台PROTEUS实现了电路和单片机的仿真和调试，单片机程序设计是在KEILC51集成开发环境进行编译。
最后将电路仿真和程序设计集中起来即构成了整个心电采集系统。
3.1、设计框架
图1、总体设计框图
3.2、电路分析及设计
3.2.1、放大电路设计
放大器是硬件电路的关键所在，其噪声大小直接影响信号的质量，特别是多级放大电路的前置级等效输入噪声决定决定信号的整体质量。
根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：
（1）高输入阻抗。
被提取的心电信号是不稳定的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响，必须提高放大器输入阻抗。
一般情况下，信号源的内阻为100kΩ，则放大器的输入阻抗应大于1MΩ。
（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，一般为共模干扰，前置级须采用CMRR高的差动放大形式，能减少共模干扰向差模干扰转化。
（3）低噪声、低漂移。
主要作用是对信号源的影响小，拾取信号的能力强，以及能够使输出稳定[3]。
根据上述要求我们在给放大电路设计时采用同相并联三运放。
如下图所致：
图2，同相并联三运放电路
在该电路中，首先由A1和A2构成射随器电路，由于射随器电路具有输入电阻高，输出电阻小，带负载能强等特点。
因此放在放大电路前面来提高该放大电路的输入电阻
其次，A3、A4提高了差模信号，差模信号按差模增益比放大，远高于共模成分（噪声），而在此级中，同时A3、A4的作用让共模信号受到抑制，从而进一步提高共模抑制比，差模信号与共模信号比大大提高，使这个电路的信噪比都提高。
还有可以调节RP电阻的大小来改变放大倍数。
最后，A5构成差动发放电路，这样对差模信号又进一步放大，而对共模信号又有很好的抑制作用。
而且还能很好的抑制有温度变化等因素引起的漂移。
其该电路的对差模信号总体的放大倍数为：
Avd=（（Rp+2R1）/Rp）（R6/R4）
3.2.2、抗共模电路的设计
我们知道，人体本身通过各种渠道从环境中拾取工频50HZ交流电压，在心电测量中成为交流干扰，这种交流共模干扰通常在几伏以上，为消除干扰，一般采用右腿电极经过电阻与放大器接地端相连，降低人体的共模电压，这是右腿接地方法。
而这里我运用的是右腿驱动电路，原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈，其方法是取出前置放大级中的共模电压，经驱动电路倒相放大后再加回体表上，一般的做法是将此反馈共模信号接到人体的右腿上，所以称为右腿驱动。
图3与并联型差动输入前置放大器相配合的驱动电路
采用右腿驱动电路，能够使50HZ共模干扰电压降低到1％以下，而且对于50HZ干扰的抑制并不以损失心电图的频率成分为代价（如果用选频电路，则去掉了心电信号中的50HZ分量），与右腿接地比较起来，右腿驱动技术抑制交流干扰的效果更佳；但是由于右腿驱动电路存在交流干扰反馈电路，而可能有交流电流流经人体，成为不安全因素，限流电阻R不能太小，通常取1MG以上。
3.2.3、抗工频干扰电路
工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的抑制作用，但部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的心电信号仍存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。
带阻滤波器电路是用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过。
这种滤波电路也叫陷波电路，经常用于电子系统抗干扰[8]。
如何实现带阻滤波器的功能，首先要了解双T网络的频率响应的原理。
双T网络由两个T型电路并联组成，其中一个T型电路由两个电阻R和一个电容2C组成，而另一个由两个电容C和一个电阻R/2组成。
信号经这样两条支路送到输出端。
设双T网络的传递函数H（jw），H（jw）=1.当信号频率很高时，电容C接近短路，信号通过两个电容传递到输出端，此时仍有H（jw）≈1，当信号频率很低时，电容C接近开路，信号就通过两个电阻传送，仍使H（jw）≈1，所以，如果适当地选取R,C元件的参数，便可以使得在中间的某个频率f0处通过C,R/2,C支路和R,2C,R支路传送到输出端的信号大小相等，相位相反，从而相互抵消，总的输出（在f0时）为零，f0称为双T网络的谐振频率[6]。
在设计双T网络的中，先根据运算，确定元件大小，然后根据实际情况来进行组合。
3.2.4、高频信号滤波电路
由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定的频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。
可用于信息处理，数据传输，抑制干扰等方面。
具有理想幅频特性的滤波器是很难实现的。
只能用实际的滤波器的幅频特性去逼近理想的特性。
常用的方法是巴特沃斯（Butterworth）逼近和切比雪夫（Chebysher）逼近。
滤波器的阶数N越高，幅频特性衰减的速度越快，就越接近于理想幅频特性。
通过数字信号处理的学习，我了解到Butterworth型滤波器具有单调的平稳的幅度响应，但其阻带区衰减比Chebysher型慢，实际的滤波器电路不但都具有不理想的幅度响应，而且都产生相位移，即非线性的相位响应。
而在这点上，CHEBYSHEVE型与BUTTERWORTH型相比，具有更为严重的非线性相位响应，所以在这点上，我们采用的主要是BUTTERWORTH型。
[9]
如图10所示，两个虚线框内分别为一阶和二阶低通滤波器，连接起来就是三阶低通滤波器，也就是相当两的滤波器级联，它们的传输函数分别是
和
。
在参数归一化的前提下，该电路的传输函数满足
=
·
。
所以得到以下式子：
图4三阶巴特沃斯滤波器
3.3、电路仿真
3.3.1、同相并联三运放放大电路仿真电路及结果如下图所示：
（1）、1Hz，50mv差模信号作用下的电路
（2）、1Hz，50mv差模信号作用下的仿真结果
（3）、1Hz，1V共模信号作用下的电路
（4）、1Hz，1V共模信号作用下的仿真结果
3.3.2、50陷波电路仿真电路及结果
（1）、1Hz，1V信号激励下的50Hz陷波电路仿真电路
（2）、1Hz，1V信号激励下的50Hz陷波电路仿真结果
3.3.3、截至频率为100Hz的三阶巴特沃斯低通滤波器仿真电路及结果
（1）截至频率为100Hz的三阶巴特沃斯低通滤波器仿真电路
（2）、截至频率为100Hz的三阶巴特沃斯低通滤波器仿真结果（分别取了80Hz、100Hz、120Hz的信号加以对比）：
信号为1V、80Hz时的仿真结果
信号为1V、100Hz时的仿真结果
信号为1V、120Hz时的仿真结果
3.4、采集电路以及程序设计
3.4.1、采集电路设计
该采集电路主要由AT89C2051和ADC0809两部分构成下面简单介绍一下这两个芯片的主要是功能很用途。
（1）AT89C2051：
89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。
其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。
（2）ADC0809:
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近
该采集电路结构如下所示：
3.4.2、采集程序设计
（1）、采集程序框图
（2）、采集程序
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharcodeLEDData[]=
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f
};
sbitOE=P1^0;
sbitEOC=P1^1;
sbitST=P1^2;
sbitCLK=P1^3;
voidDelayMS（uintms）
{
uchari;
while（ms--）
{
for（i=0;i<120;i++）;
}
}
voidDisplay_Result（uchard）
{
P2=0xf7;
P0=LEDData[d%10];
DelayMS（5）;
P2=0xfb;
P0=LEDData[d%100/10];
DelayMS（5）;
P2=0xfd;
P0=LEDData[d/100];
DelayMS（5）;
}
voidmain（）
{
TMOD=0x02;
TH0=0x14;
TL0=0x00;
IE=0x82;
TR0=1;
P1=0x3f;
while
（1）
{
ST=0;
ST=1;
ST=0;
while（EOC==0）;
OE=1;
Display_Result（P3）;
OE=0;
}
}
voidTimer0_INT（）interrupt1
{
CLK=!
CLK;
}
（3）采集电路仿真
仿真电路
3.5、心电采集系统整体框图
在本设计中，心电采集系统的电路则需要分为几个版块链接起来。
而Proteus能够支持一个设计有多幅图的情况。
前面我们所绘图形是装在第一幅图中，这一点我们可通过状态栏中的“Rootsheet1”中得知，下面我们将虚拟逻辑分析仪添加到第二幅图（“Rootsheet2”）中。
而要把两幅图连接，则需要单击绘图工具栏中的导线标签按钮
，在图形编辑窗口，完成导线或总线的标注，将标注名移动至合适位置，通过标注，完成了第一幅图与第二幅图的衔接。
本设计电路依次连接顺序为：
放大电路：
高频信号滤波电路：
50HZ工频干扰滤波电路
单片机数据采集电路
将以上电路进行连接后，加入KEILC51进行电路的总体仿真，输入一个75HZ，1mv的信号，进行
四、课程设计总结
设计结果自我评价
总体测试结果，将共模信号和放大后的信号接入。
经过计算发现本电路的共模抑制比为100,相对于设计时的共模抑制比120少了20，结果分析计算发现元件自身的噪声，以及元件的不匹配性影响了整个共模抑制比的提高，在滤波和抗工频干扰上效果较为明显，而这个电路的放大倍数为890与设计的800有一定的偏差。
勉强完成课程设计要求。
五、心得启迪
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，通过这次的课程设计，进一步巩固和加深了掌握所学的数电模电和信号处理等专业基础课和专业课的理论知识，提高学生专业知识综合实践运用能力；培养了解决生物医学工程开发实际能力和职业能力，为学生毕业设计和就良好就业或深造奠定扎实基础。
在掌握电路设计与单片机应用结合在一起的系统设计流程的基础上进一步学习掌握生物医学信息采集和分析处理程序设计技术及如何分析问题、解决问题的方法，锻炼了自己思维及动手能力。
个人认为，在这学期的课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在设计过程中遇到不明白的地方就查阅资料或者和同学们相互探讨，相互学习，一些问题便迎刃而解啦，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在课程设计中我们锻炼了自己的实践能力，这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
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