心电信号采集及分析系统设计.docx
《心电信号采集及分析系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《心电信号采集及分析系统设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
心电信号采集及分析系统设计
（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！
）
本科毕业设计（论文）
心电信号采集及分析系统设计
谭莹莹
燕山大学
2010年6月
本科毕业设计（论文）
心电信号采集及分析系统设计
学院（系）：
里仁学院电气工程系
专业：
生物医学工程
学生姓名：
谭莹莹
指导教师：
李昕
答辩日期：
2010年6月
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：
里仁学院系级教学单位：
生物医学工程
学
号
学生
姓名
谭莹莹
专业
班级
生物医学工程06-1
题
目
题目名称
心电信号采集及分析系统设计
题目性质
1.理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（√）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（√）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（√）
主
要
内
容
（1）学习心电信号处理的基本理论。
（2）学习MSP430单片机的的基本原理。
（3）学习心电监护仪硬件电路设计。
（4）设计一套心电信号采集及分析系统
目标：
掌握心电信号采集及分析系统基本原理及方法，设计一套基于MSP430单片机的心电信号采集及分析系统。
毕业设计说明书一本，查阅一篇相关英文参考文献及译文。
毕业设计说明书一本，查阅英文参考文献及译文。
基
本
要
求
查阅有关技术资料，分析研究当前这一领域最新动态。
根据需要，给出相应的设计方案。
在一定理论推算的基础上进行设计。
1．遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2．独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3．设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸一张；英文资料翻译不少于5千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准；4.完成相关的实验，并反映在论文中。
参
考
资
料
1、有关书籍
2、网上查询相关资料
周次
第1～4周
第5～8周
第9～12周
第13～15周
第16～17周
应
完
成
的
内
容
资料收集,了解课题内容
理论分析计算、总体设计
系统设计
分析、综合、校正
整理资料、撰写论文，答辩
指导教师：
李昕
职称：
教授年月日
系级教学单位审批：
年月日
摘要
心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病之一，早期诊断和治疗是预防心脏病的有效途径。
20世纪50年代末，美国科学家Holter首先发明了一种心电仪，人们称它为Holter心电仪或叫动态心电仪，这种技术在临床上可实现“长时间”、“动态”记录的心电图，就称为动态心电图。
能够记录病人24小时活动过程中的动态心电数据，给医生提供具有诊断价值的资料，对于心脏功能的评价，心脏病的早期诊断非常有益，所以心电监护仪在其中发挥着至关重要的作用。
本课题采用MSP430149单片机作为核心器件，主要完成对心电信号的24小时不间断采集、传输、存储、显示等功能。
关键词 心电信号；动态心电图；MSP430单片机
Abstract
Cardiovasculardiseaseisoneofmaindiseasesthatthreathumanhealth．andtheearlydiagnosisandtreatmentareeffectivewaysthatpreventheartdisease。
Inthelate1950sinU.S.ascientistcalledHolterhaveinventedthefirstsuchdynamicelectrocardiograminstrument,peoplecalledHoltermonitororDynamicelectrocardiograph,thistechnologycanberealizedinclinical"long"and"dynamic"ofECGrecords,knownasHOLTER.
It’sveryhelpfultocardiacfunctionintheearlydiagnosisthatifitcanrecordthepatient24hoursofdynamicECGdataprocessandprovidethedoctorsmaterialsthathasdiagnosticvalueintheevaluation.
Thissubjectusesmsp430singlechipasthecoredevice.Thewholesystemmainlydisplayscollection,storage,transport,displayfunctionfor24-houruninterruptedECGsignalcollection.
Keywords ECGsignal；dynamicelectrocardiogram（DCG）；Holter；msp430；
摘要I
AbstractII
目录2
第1章绪论1
1.1课题研究意义1
1.2国内外研究现状与文献综述3
1.3设计主要研究内容与系统总体设计4
第2章心电图的产生和特征6
2.1体表心电图6
2.2心电的产生6
2.3各波形的意义8
2.4常见的心律异常类型及特征9
2.5心电图的导联10
2.6心电信号的特征11
2.7心电信号常见干扰12
2.8本章小结13
第3章心电检测电路设计14
3.1心电信号放大器设计要求14
3.2电极的选择16
3.3保护与缓冲电路16
3.4前置放大电路17
3.5滤波电路20
3.5.1低通滤波电路20
3.5.2高通滤波电路20
3.6右腿驱动电路21
3.7电平提升电路22
3.8导联脱落检测报警电路22
3.9本章小结23
第4章控制、存储及接口电路设计24
4.1中央处理器及其外围模块24
4.1.1芯片的选型24
4.1.2ADC模块24
4.1.3定时器24
4.2USB数据传输27
4.3数据存储29
4.4时钟日历芯片30
4.5液晶显示31
4.6本章小结32
结论33
参考文献3
致谢4
附录15
附录26
第3章心电检测电路设计
3.1心电信号放大器设计要求
由于人体的心电信号有微弱、低频、易受干扰、不稳定、随机等特点，因此对动态心电图的心电放大器的设计有很苛刻的要求。
1．增益
由于心电信号非常微弱，只有0．05～5mV，而心电放大器增益的常规设计要求心电在正常输入时，即输入为1mV时，输出电平达到1V左右（A/D转换器的最大输入电压为3.3V），所以心电放大器的放大倍数很高，为1000倍左右。
2．频率响应
由于人体心电信号的频谱范围为0.05～100Hz，能量主要集中在17Hz附近。
而按照美国最新标准要求，动态心电图频带应不窄于O.67～40Hz，所以，要求心电放大器在此频率范围内必须不失真地放大所检测的各种心电信号，为了减少不需要的带外噪声，心电信号用高通和低通滤波器来压缩通频带，经过这样的心电放大器心电信号才具有可靠的诊断价值。
3．高输入阻抗
心电放大器输入阻抗的设计取决于人体的阻抗特性，所使用的电极类型以及与人体的接触界面。
心电放大器通过电极连接到人体身上。
由放大器的输入端向人体方向看去，从电极、导电膏、皮肤（角质层、粒层、汗腺）、组织液到心脏外壁形成了信号源阻抗，这个源阻抗可看作由一组串并联的电阻及电容组成。
在低频的情况下，这个源阻抗为纯电阻。
显然它包括人体电阻（R）、皮肤电阻及电极与皮肤的接触电阻（）那么电阻=R＋。
（R）。
人体内组织液是一种电解质，所以R与组织液离子浓度有关。
不仅与皮肤和电极接触松紧有关，还与皮肤的干湿、清洁度及每个人角质层的厚薄有关。
由于心电信号源阻抗具有高阻抗的特性，而心电信号是微弱的，若心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了。
心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号产生畸变。
信号源阻抗不仅因人而异，因生理状态而异，而且在测量时，与电极的安放位置电极本身的物理状态都有密切的关系。
源阻抗的不稳定，将使放大器电压增益不稳定从而造成难以修正的测量误差。
所以只有较高的输入阻抗，才能确保增益的稳定性。
设两个电极与皮肤的接触电阻为、，如果不等于，不可避免的就会把共模干扰信号转化为电路无法克服的差模信号．只有增大心电放大器的输入阻抗，才能减少其影响。
此外，由于心电放大器的测量对象是人体，易受工频、射频等干扰，只有提高输入阻抗，才能有效地抑制这些干扰。
信号源阻抗一般在数KΩ至数十KΩ之间，心电放大器的输入阻抗应该比源阻抗高两个数量级，故一般取5.1KΩ或10KΩ，才能不失真地引出心电信号。
4．高共模抑制比
电极与皮肤接触引起的极化电动势可作为直流共模干扰输入到心电放大器，其值可能达到数百毫伏的程度，远比心电信号大得多。
而且心电信号的探测要受到现场很多电气设备运行时的干扰，尤其是市电的共模干扰，还有其他共模干扰常把微弱的心电信号淹没。
共模抑制比（CMRR）是衡量心电放大器对共模干扰抑制能力的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。
为了防止心电信号的输出被淹没在50Hz、电极极化电压或其他共模干扰电压之下，一般要求CMMR应达到80dB以上。
5．低噪声，低漂移
在心电放大器中，由于增益较高，噪声和漂移是两个较重要的参数。
心电放大器运行过程中的噪声主要表现为电子线路的固有热噪声和散粒噪声，这都属于白噪声，其幅值成正态分布。
为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。
所以在设计心电放大器时应尽量选用低噪声元件，以降低噪声并进一步提高输入阻抗。
另外，温度变化会造成零点漂移，心电放大器基线漂电放大器的输入端引入了直流电压增益的缘故，电极和电极本身电阻的变化和电极电位的改变都会增大基线漂了放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法被放大很低的频率成分，为了能正常的测量，必须采取措施来限所以放大器应选用低漂移、高输入阻抗并具有高共模抑路。
总的来说，动态心电图的心电放大器的设计有如下要求
（1）增益为800～lO00左右；
（2）频率响应为0.05～45Hz：
（3）输入阻抗为5.1～10MΩ；
（4）共模抑制比大于80dB；
（5）低噪声、低漂移。
另外，考虑到监护仪的便携特性，所以在选择运放应注意体积的特性，以便更好地降低整机的功耗和体积。
3.2电极的选择
电极对动态心电信号的采集的质量至关重要，采用电极应粘附力强、透气性好、吸汗、电极导电性能好的优质电极，此外还应具有对皮肤刺激性小、佩带舒适、拆卸方便等优点。
本课题采用表面镀有AgCl的可拆卸的一次软电极，并在电极上涂有优质的导电膏。
3.3保护与缓冲电路
为了确保病人的与仪器的安全，本课题利用TVS-90放电管作为保护电路，当仪器与人体接触时，电压过大时，会将TVS-90导通，直接接地，也防止了后面的器件损坏。
电极采集到的心电信号首先进入缓冲级。
缓冲级可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。
这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。
图3.1保护与输入缓冲电路
3.4前置放大电路
生理电信号前置放大器是生理电测量仪器的重要组成部分，其作用是将微弱信号高保真放大，以便进一步处理、记录或显示。
一般设计中均采用对地对称的双电极差动放大器，被测的生理电信号采用差动输入方式，成为差模信号；而干扰信号，尤其是落在大多数生物电信号频谱范围之内的工频干扰对差动放大器的输入端来说，主要是一种大小相等，极性相同的共模信号。
因此，在生理电信号记录过程中，要求前置放大器有较高的抗共模干扰能力。
三运放仪用放大器是最常使用的生理电前置放大器。
它不但可以提供很高的输入阻抗，而且如果第一级设为高增益，无须匹配就可以得到高共模抑制比。
可以有效地抑制工频干扰等共模噪声。
然而，在生理电测量中，由于电极在人体表面的安放部位不同使得电极与皮肤间的电阻抗也不同，导致在放大器的输入端有几毫伏以上的直流电压，加上人体表面各部位还存在一定的电位差，信号检测放大器的输入端总会存在比有用信号大几十倍的直流信号，这样就限制了“三运放”第一级的增益。
从而限制了共模抑制比的进一步提高。
本设计采用的生物前置放大器电路结构简单，可以在抑制直流干扰的情况下，提供极高的共模抑制比。
该电路设计突出的优点是对外围无源器件的参数不敏感，即使采用低成本的常用芯片，无须刻意匹配仍然可以达到良好的性能，尤其适合生理电信号的高精度测量。
图3.2前置放大电路
电路设计如图3.2所示。
该电路由四部分构成：
并联型双运放仪器放大器，阻容耦合电路，由集成仪用放大器构成的后级放大器和共模信号取样驱动电路。
并联型双运放仪器放大器的优点是不需精密的匹配电阻，理论上它的共模抑制比为无穷大，且与其外围电阻的匹配程度无关。
但并联型双运放仪器放大器的输出为双端差动输出信号，如果仅用单端输出信号时将不再具有这一优点。
所以本电路在后级使用集成仪用放大器U4，将双端差动输出信号转换为常用的单端输出信号。
集成仪用放大器具有较优良的性能，但由于其共模抑制比正比于差模增益，而同时器件存在较高的失调电压和通常信号源中存在较大的直流偏移电压（如检测生理电信号时的极化电压和传感器中的零点偏移电压），在直接应用集成仪用放大器作为前置放大器时并不取得最高的共模抑制比性能。
于是本电路在后级使用集成仪用放大器，并采用阻容耦合电路隔离直流信号，因而可使得集成仪用放大器取得较高的差模增益，从而得到很高的共模抑制比性能。
共模取样驱动电路由两个等值电阻和一只由运算放大器U2组成跟随器构成。
由图可见，U2的输入信号取自U1和U3输出端两个串联电阻的中点电压，即：
当只有差模信号的输出=-时，有=O，则运放U2的输出电压为0，等同于接地；而当兼有共模电压和差模信号输入时，U2的总输出只包含输入信号的共模部分=。
从而使得共模信号不经阻容耦合电路的分压直接加在集成放大器的输入端，避免了由于阻容耦合电路的不匹配而降低电路整体的共模抑制比。
本电路的差动输出可以由下式计算：
其中是集成仪用放大器U4的差模放大倍数。
该电路的高通截止频率可以表示为：
整个电路的共模抑制比可以由下式来计算：
其中和分别是放大器第一级和第二级的共模抑制比。
由集成仪器放大器的共模抑制比决定。
在第二级放大倍数比较高的情况下，的值可以达到120dB以上。
对的影响可以忽略。
的值则可以由下式得到：
其中：
、和、3是运放U1、U3的开环差动增益和共模增益。
上式显示为了得到较高的共模抑制比，第一级的两个运放无论是开环增益还是
CMRR都应尽可能地匹配。
在实际应用中，以廉价常用的精准仪用放大芯
片OP07C为例，其的标准值为400，000倍，CMRR的标准值为120dB，
以标准值来计算，。
如果所选用高精度、匹配较好的运放，和的值还可以大幅度提高。
3.5滤波电路
3.5.1低通滤波电路
由于电磁干扰越来越严重，所以心电信号在采集过程中不仅有50Hz的工频干扰和低频、直流分量的干扰，还有高于100Hz高频谐波的严重干扰，有必要进行低通滤波电路的设计。
图3.3低通滤波电路
3.5.2高通滤波电路
由于心电信号微弱，需要多级放大，而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求，但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。
此外，由于极化电压存在的缘故，动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。
本装置中，在两级放大器之间采用RC耦合电路，即时间常数电路，在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。
我们取时间常数约为3.2s，这样可确定电阻、电容值，在两级之间组成高通滤波器。
可得转折频率为：
图3.4高通滤波电路
3.6右腿驱动电路
人体接地是造成触电事故的一个重要原因，因此取消人体接地是最根
安全用电措施。
人体接地本来就是在没有高质量的放大器情况下采取
少共模信号的应急措施。
测量心电图时，如果病人右脚不接地，由于杂散分布电容的影响，病人身上将会产生很高的共模电压。
因此，最理想的方法是设计出一种既能减少共模干扰又能取消人体接地的电路。
右腿驱动的工作原理是将由人体体表获得的共模电压通过负反馈放大的方式输回人体，从而达到抵消共模干扰的作用，从根本上抑制共模电压。
图3.5右腿驱动电路
3.7电平提升电路
经过模拟电路放大滤波后的心电信号是交流信号，而MSP430系列单片
机的转换范围是正电压信号，所以有必要将模拟信号抬升至0V以上，根据对MSP430单片机的参考电压设置为2.5V的情况，在后级设置一定的可调
放大倍数，并使用微型电位器，以便根据实际需要进行调整。
图3.6电平提升电路
3.8导联脱落检测报警电路
患者在使用心电监护仪时有可能发生导联松动和脱落，这将引入很大的干扰，导致心电波形畸变，使得心电监护终端难以输出实际波形，从而导致对心电信号的错误判断，影响诊断结果。
正常情况下，正负电极对人体皮肤形成的极化电压可以相互抵消，当一侧电极脱落时，将有较大的极化电压输入，经过前置放大后的电压将远远超过正常连接时的电压范围。
因而可通过一个窗口比较器，当电压超出窗口范围时，认为发生电极脱落，比较器输出电平由正常时的高电平变为低电平，产生报警信号。
电路如图3.7所示，当导联脱落时，红色指示灯会亮起提示脱落。
图3.7导联脱落检测报警电路
3.9本章小结
本章详细介绍了心电信号的采集与处理过程，根据前一章所述的心电信号的特点和噪声干扰，提出前置放大器的设计要求，给出了详细的设计方案，对各个模块电路的功能做了详尽的阐述。
第4章控制、存储及接口电路设计
4.1中央处理器及其外围模块
4.4.1芯片的选型
本系统的核心器件无疑是负责调配各外围部件有序工作的微处理器。
在电子技术高速发展的今天，市场上可供选择的处理器有很多种，最常见的有单片机、DSP、PLC、ARM等。
处理器的选择不仅要看其处理能力，还要考虑其他一些因素，比如价格、功耗等。
经过对几种嵌入式平台的比较，本系统病人心电监护终端硬件核心处理器采用美国德州仪器公司生产的低功耗16位单片机MSP430F149。
MSP430具有如下特点：
首先，它的突出优势是功耗小。
MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
它在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。
MSP430可通过两个不同的系统时钟系统——基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式．（LPMO、LPM4）。
在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。
第二，除了低功耗之外，MSP430还具有强大的处理能力，其芯片具有一个16位精简结构指令CPU，10个16位的寄存器以及常数发生器，能够最大限度的提高代码的效率。
数字控制的振荡器（DCO）将CPU从低功耗模式唤醒的时间仅为6微秒。
MSP430F449采用RISC精简指令集，125ns指令周期，大部分的指令在一个指令周期内完成，且其片内含有硬件乘法器，大大节省了运算的时间。
第三，MSP430具有丰富的片内外围电路，它内置12位高性能A/D转换器、两个带有捕获计时寄存器的16位定时器、60KB的FLASHROM、2KB的RAM、48个可复用I/O引脚和两个通用同步/异步串行通讯接口等。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
除此之外，MSP430F149开发平台提供了方便高效的开发环境。
由于它属于FLASH型器件，相对于OPT型和ROM型的器件，它有JTAG调试接口，还有可擦写的FLASH存储器，可先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行。
采用这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。
MSP430系列单片机的系统结构框图如图4.1所示：
图4.1MSP430系列单片机的系统结构框图
MSP430系列由以下部分组成：
●基础时钟模块，包括1个数控振荡器（DCO）和2个晶体振荡器。
●看门狗定时器WatchdogTimer，可用作通用定时器。
●带有2个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_A3。
●带有7个捕捉／比较寄存器的16位定时器Timer_B7。
●2个具有中断功能的8位并行端口：
P1与P2。
●4个8位并行端口：
P3、P4、P5与P6。
●模拟比较器Comparator_A。
●12位A，D转换器ADCl2。
●2个串行通信接口：
USART0与USART1。
●1个硬件乘法器。
4.4.2ADC采样模块
根据系统要求，在考虑所要采集信号范围、采样频率、精度要求、转换速率、环境条件、计算机接口特征及成本的前提下，本系统中采用MSP430F149内部集成的ADC12模块进行A／D转换。
ADCl2内核是一个带有采样与保持功能的12位转换器；内部参考电压发生器，同时有两种参考电压值可供选择；采样与转换过程中所需要的时钟信号源可以选择；采样及转换所需的时序控制电路；转换结果有专门的桶型缓存；采样速度快，最高可达200kbps；12位转换精度，l位非线性微分误差，1位非线性积分误差；内置采样与保持电路；有多种时钟源可提供给ADCl2模块，而且模块本身内置时钟发生器；内置温度传感器；配置有8路外部通道与4路内部通道；内置参考电源，而且参考电压有6种可编程的组合；模数转换有4种模式。
可灵活地运用以节省软件量及时间；ADCl2内核可关断以节省系统消耗例。
ADCl2可以对8个外部模拟信号之一或4个内部电压之一作转换，由ADC内核把模拟信号转换成12位数据并存入转换存储寄存器。
ADCl2内核使用两个可编程的参考电压（和）作为转换范围的上下限。
输入通道和参考电平由转换存储控制寄存器定义。
ADCl2工作时可以用内部参考电平，或者外部参考电平，也可以是两者的结合，ADCl2有内部的两种参考电平，可以选择1.5V或2.5V。
为避免电源电压波动对A/D转换造成干扰，我们采用了内部参考电压1.5V，提高精度。
对于ADCl2的转换时钟，用户有各种选择来形成采样的时序。
ADCl2可以选择所有有效的MSP430片内时钟，也可以选择一个外围模块所含的时钟，此处选择的时钟为低频时钟，可以节省功耗。
对于选择的时钟源可以引入一个1～8的分频因子。
4.4.3定时器
定时器在单片机系统中是非常重要的部分，它在事件控制与管理方面有着重要的应用。
MSP430F149主要有看门狗（WDT）、基本定时器（BasicTimer1）、定时器A（Timer_A）和定时器B（Timer_B）等模块。
在本系统软件设计中，我们使用Timer
升级会员 