心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計

1、心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計實驗QYK 電子信息工程溫州醫(yī)科大學(xué)一、系統(tǒng)功能要求1、設(shè)計一個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的心電信號采集、處理和顯示系統(tǒng)。2、能記憶當(dāng)前時刻前若干秒的數(shù)據(jù)，由設(shè)計者確定參數(shù)。3、數(shù)據(jù)回放和打印功能。4、軟件數(shù)字濾波，計算瞬時心率，并在LCD12864液晶顯示器上顯示出來。5、報警參數(shù)設(shè)計，通過軟件實現(xiàn)當(dāng)心率輸入大于某個固定值時，報警裝置工作。二、總體論證（1）總體方案確定心電信號作為心臟電活動在人體體表的表現(xiàn)，信號一般比較微弱，幅值范圍0.5-5mV，帶寬0.05-100Hz，因此極易受環(huán)境影響。在采集的心電信號中，常常摻雜著各種干擾，這些來源于心臟以外的干擾信號會使心電信號在周期和形態(tài)上發(fā)生畸

2、變，噪聲嚴(yán)重時可完全淹沒心電信號。為了正確進(jìn)行測量、波形識別和病征診斷，就必須抑制這些干擾。而抑制干擾的主要方法是通過各種濾波器進(jìn)行濾波。考慮到心電信號的幅值很低，不能使AD芯片正常采樣，因此就必須放大體表的心電信號。最后將經(jīng)過濾波、放大、AD轉(zhuǎn)換后的信號輸入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，得到并顯示人體的生理參數(shù)。1.采樣方法選擇一般臨床上使用的心電采集分為胸導(dǎo)聯(lián)和肢體導(dǎo)聯(lián)，其中又以肢體導(dǎo)聯(lián)最為普遍。肢體導(dǎo)聯(lián)分為標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)、和加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)aVR、aVL、aVF。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)為雙極肢體導(dǎo)聯(lián)，反映其中兩肢體之間電位差變化。而加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)屬單極導(dǎo)聯(lián)，基本上代表檢測部位電位變化。本系統(tǒng)將選取標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)的三種導(dǎo)聯(lián)

3、作為心電監(jiān)護(hù)儀的采樣方式。2.系統(tǒng)組成本系統(tǒng)主要由模擬部分和數(shù)字部分組成。在模擬部分中考慮到心電信號的微弱和易受干擾等特點，在設(shè)計系統(tǒng)組成時便不得不考慮到對信號的優(yōu)化和處理，所以在信號采集和處理是本部分的重要環(huán)節(jié)。首先，由于心電信號只有0.5-5mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AD采用的幅值范圍。因此需將采集的信號進(jìn)行放大，為了減少噪聲且增加共模抑制比，此單元采用常見的分級放大。同時因為電極是直接與皮膚接觸的，基于安全考慮，將在前級放大和后級放大之間用光耦器件進(jìn)行隔離，保證了測量者的人身安全。在數(shù)字部分中通過AD芯片將處理好的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并存入單片機(jī)中，經(jīng)過單片機(jī)的處理后將測得的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，也可通

4、過與微型打印機(jī)的連接將數(shù)據(jù)打印出來進(jìn)行分析。（2）確定系統(tǒng)功能本系統(tǒng)以實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)基本要求為重點，力求在滿足主要性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性價比，對于系統(tǒng)改進(jìn)和功能擴(kuò)展將在最后討論。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的基本要求，本系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾種基本功能：*可以采集、處理并顯示心電信號。*可以顯示當(dāng)前時刻前若干秒的數(shù)據(jù)，時間參數(shù)由設(shè)計者確定。*可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存并回放。*可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的打印。*具有報警功能，通過軟件實現(xiàn)當(dāng)心率輸入大于某個固定值時進(jìn)行報警，固定值由使用者確定。三、系統(tǒng)設(shè)計（1）軟、硬件功能劃分1.速度估算由于心電信號的頻率主要在0.02100Hz，處于較低的頻率范圍。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻

5、率應(yīng)大于信號中最大頻率的兩倍，并且在實際應(yīng)用中采樣頻率應(yīng)為510倍。以10倍最大信號頻率(1KHz)為采樣頻率來說，采樣的時間間隔為1ms或更長時間。由此可見，對于采樣間隔為10us的AD采樣芯片而言，速度完全滿足要求。2.軟、硬件功能劃分為了簡化系統(tǒng)硬件、降低硬件成本、提高系統(tǒng)靈活性和可靠性，有關(guān)數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲及大部分控制過程都可由軟件來完成。硬件的主要功能是心電信號的采集、放大、濾波及A/D轉(zhuǎn)換等。另外，人機(jī)通道功能由系統(tǒng)軟、硬件配合完成，以降低軟件設(shè)計的復(fù)雜性及縮短系統(tǒng)的研制周期。（2）系統(tǒng)功能劃分、指標(biāo)分配和框圖構(gòu)成根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)主要由以下三個模塊組成，總體框圖如下圖所

6、示。 1.單片機(jī)基本系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)的核心，它完成整個系統(tǒng)的信息處理及協(xié)調(diào)控制功能。由于系統(tǒng)對運行速度和功能要求都無特別之處，因此可以選用目前廣泛使用的MCS-51系列單片機(jī)8031。8031單片機(jī)可以提供系統(tǒng)控制所需的中斷、定時以及存放中間結(jié)果的RAM電路，但片內(nèi)沒有程序存儲器，因此單片機(jī)基本系統(tǒng)中除了應(yīng)包括的復(fù)位電路和晶振電路外，還應(yīng)擴(kuò)充程序存儲器。同時考慮到本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)回放功能，故還需擴(kuò)充一片片外數(shù)據(jù)存儲器。2.前向通道前向通道是信息采集的通道，主要包括傳感器、信號放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等電路。由于心電信號的頻率為0.02100Hz，相對而言變化比較快，因此需要在前向通道中設(shè)

7、計采樣保持電路。3.人機(jī)對話通道人機(jī)對話通道主要由鍵盤、LCD液晶顯示和打印機(jī)組成。為了完成設(shè)定時間參數(shù)以及警報心率參數(shù)和打印等功能，滿足顯示心電波形等要求，鍵盤可由10個數(shù)字鍵及6個功能鍵組成（確認(rèn)、取消、設(shè)定時間、設(shè)定心率、切換顯示、打印）。波形顯示由LCD12864液晶顯示，分別顯示心率及波形，由“切換顯示”按鍵進(jìn)行切換顯示。打印功能由微型打印機(jī)完成，可以打印給定的時間的心率數(shù)據(jù)。四、硬件開發(fā)（1）系統(tǒng)配置與接口擴(kuò)展1.單片機(jī)基本系統(tǒng)單片機(jī)基本系統(tǒng)以MCS-51系列單片機(jī)8031為核心，外擴(kuò)8K×8的EPROM 2764作為程序存儲器和8K×8的RAM6264作為數(shù)據(jù)

8、存儲器，如圖所示。考慮到單片機(jī)在進(jìn)行工作時需要調(diào)用浮點數(shù)運算程序庫，程序需占用較大存儲器空間，為保證程序存儲器有足夠空間并適當(dāng)留有余地以便進(jìn)一步擴(kuò)展功能，因此選用了容量較大的存儲芯片2764。 2.前向通道前向通道由前置放大和后級信號放大處理兩部分電路組成，具體流程如下圖所示。 前向通道流程圖心電信號經(jīng)電極傳感器和放大濾波電路處理后產(chǎn)生05V的模擬電壓信號送人A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量通過系統(tǒng)總線送人單片機(jī)進(jìn)行運算處理。前向通道設(shè)計包含以下幾個方面內(nèi)容： (a)電極傳感器選擇市場上電極傳感器的種類很多。本系統(tǒng)采用最為常見的體表電極，因為體表電極主要由銀、鉑、鎳、不銹

9、鋼或鎢制成，它們一般電阻很小，制作也簡單，其尺寸一般是毫米級的，比較適用于本系統(tǒng)的實驗要求。 (b)信號處理主要電路 具體電路如下兩圖所示 前置放大及光耦隔離電路圖 后級放大及濾波電路圖*前置放大電路：前置放大電路是心電信號采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 由于人體心電信號十分微弱， 噪聲強(qiáng)且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大，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、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能。為達(dá)到心電放大器的上述技術(shù)要求，本系統(tǒng)選用了AD公司的儀表放大器 AD620作為前置放大器的核心器件，并且采用了差動輸入的方式。AD620為一個低成本、高精度的單片

10、儀器放大器，工作時只需要設(shè)定外部的一個電阻RG就能得到11000的放大倍數(shù)。同時考慮到心電信號中混雜著比其幅度大得多的直流信號，太大的前置放大器增益會影響電路的直流穩(wěn)定性，為了保證前置放大器不工作在截止區(qū)或飽和區(qū)，因此在設(shè)計時，將第一級放大倍數(shù)定為10倍大小，保證了前置放大器的正常工作。*光耦隔離電路：為了人體安全的目的，通常的生物電信號測量技術(shù)采用浮地形式，以便實現(xiàn)人體與電氣的隔離。采用光耦隔離可以使信號從浮地部分傳遞到接地部分，兩部分之間沒有電路上的直接聯(lián)系，通過地線構(gòu)成的漏電流完全被抑制。因此，不但保障了人體的絕對安全，而且消除了地線中的干擾電流。本系統(tǒng)選用了日本東芝公司生產(chǎn)的高速光耦6

11、N136作為光耦隔離的主要器件。6N136具有體積小、壽命長、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高、高速度、與TTL邏輯電平兼容等優(yōu)點。由于6N136的最主要的特點是高速度，轉(zhuǎn)換時間為1us，完全滿足轉(zhuǎn)換心電信號的頻率要求。*后級放大電路：因為電路的共模抑制比主要由心電前置放大器決定，而AD620的140dB(G=10)的共模抑制比符合設(shè)計要求。為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比同時抑制50Hz的工頻干擾，本系統(tǒng)利用TL084作為后級放大電路核心器件，設(shè)定放大倍數(shù)為100，配合前置放大倍數(shù)使最初的心電信號放大1000倍，保證了之后A/D芯片能夠正常采樣。（具體電路見后級放大及濾波電路圖右上方）*各級濾波電

12、路：由于電極極化電壓的不平衡、前置放大器的失調(diào)漂移以及人體動作等因素， 前置放大器輸出的心電信號中除了夾雜不少工頻干擾外，還有很大的直流或低頻分量，這不僅會引起心電信號的基線漂移，也不利于后續(xù)電路的處理，因此設(shè)計了一個二階巴特沃斯高通濾波器來濾除這些直流和低頻分量（具體電路見后級放大及濾波電路圖左上方）。同時50Hz工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模千擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(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仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾除。為了去除人體或測試系統(tǒng)中產(chǎn)生的工頻干擾

13、，需用帶阻濾波器加以抑制。本系統(tǒng)采用的是二階巴特沃斯帶阻濾波器。（具體電路見后級放大及濾波電路圖左下方）。并且考慮到經(jīng)放大后的心電信號中除了混有較高頻率的肌電干擾外還有開關(guān)電容濾波帶來的開關(guān)噪聲。為了得到較好的輸出信號，在主放大級后設(shè)計一個低通濾波器。由前面可知，心電信號的大部分有用信息在0.05100Hz之間，所以截止頻率取fc=100Hz。本系統(tǒng)采用的是巴特沃思二階低通濾波。（具體電路見后級放大及濾波電路圖右下方）。*各級濾波電阻參數(shù)設(shè)定： 1、高通濾波器：， ，2、50Hz陷波器：，3、 低通濾波器：， ， (c)取樣/保持電路根據(jù)取樣定理，AD采樣的每一通道的取樣的頻率必須大于該通道的

14、模擬信號頻譜中最高頻率成分的兩倍以上。但是在實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，取樣頻率不是決定模擬信號最高頻率的唯一因素。如果考慮到采集精度，則會對輸入信號的最高頻率有十分嚴(yán)格的限制，特別是系統(tǒng)中采用逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器且輸入模擬信號的幅值達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程，這時允許的模擬信號的最高頻率可能會明顯地低于取樣定理所允許的信號最高頻率。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器前不接取樣/保持電路情況且要求A/D轉(zhuǎn)換器的精度不致因變換速率限制而下降，則輸入的信號的最高頻率應(yīng)滿足：對于本系統(tǒng)的AD芯片而言，N=12，=10us，則有 這樣的頻率完全不能進(jìn)行準(zhǔn)確的采樣，所以要在本系統(tǒng)中添加取樣/保持電路。而當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器前接入取樣/

15、保持電路后，最大的允許頻率應(yīng)滿足：（為孔徑時間）由于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于，通常為納秒級，故加入取樣/保持電路后可允許輸入信號的頻率明顯提高。從而解決必須降低輸入信號的幅值來提高最大允許頻率的問題。 (d)A/D轉(zhuǎn)換器由于心電信號的頻率主要在0.02100Hz，處于較低的頻率范圍。本系統(tǒng)采用美國AD公司生產(chǎn)的12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器AD1674，其轉(zhuǎn)換時間為10us，單通道最大采集速率為100kps。與其它AD芯片相比，AD1674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度更高，工作性能（尤其是高、低溫穩(wěn)定性）更好，而且可以使設(shè)計板的面積大大減小，因而可以降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性。在當(dāng)兩次讀出的12位數(shù)據(jù)遵循左對齊格

16、式，如下所示： AD1674的5個控制信號組合的真值表見下表。 利用單片機(jī)的P16和P10共同控制AD1674的R/C端和A0端來達(dá)到A/D采樣的目的，并且將AD1674芯片的輸出狀態(tài)信號腳STS端與單片機(jī)的INT1外部中斷連接。當(dāng)AD采樣完畢后STS腳會從開始的高電平跳轉(zhuǎn)到低電平，從而利用它的下跳沿向單片機(jī)發(fā)出外部中斷，通知單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換已完成，可以進(jìn)行讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 AD1674連接圖： LF398采樣電路圖： 精度位數(shù)誤差計算： 通過計算可得到該A/D采樣芯片的采樣誤差為1.22uV，符合心電幅值采樣要求。3.人機(jī)對話通道系統(tǒng)人機(jī)對話通道主要由行列式鍵盤、LCD液晶顯示器和GP16微型

17、打印機(jī)組成。其中雖然鍵盤的掃描輸入可以直接由單片機(jī)承擔(dān)。但考慮到鍵盤接口需要較多的I/O口線，如直接由單片機(jī)控制，一方面必須擴(kuò)充系統(tǒng)I/O口，另一方面鍵盤的掃描處理需要占用大量的機(jī)時，增加軟件編程負(fù)擔(dān)。為此在組成系統(tǒng)人機(jī)對話通道時，采用了可編程鍵盤、顯示接口芯片8279，由8279負(fù)責(zé)鍵盤的掃描、消抖處理等工作，這樣大大減輕了CPU在掃描鍵盤時的負(fù)擔(dān)，也簡化了應(yīng)用軟件的編程。 上圖是系統(tǒng)控制面板布置圖。根據(jù)任務(wù)要求，8279鍵盤被設(shè)計為2×8行列，掃描線由經(jīng)譯碼輸出，接入鍵盤列線；查詢線由提供，接入鍵盤行線。根據(jù)鍵盤按鍵的連接方式與8279掃描鍵盤數(shù)據(jù)格式，各按鍵按下時的鍵值如下表所

18、示。 顯示器配置為LCD12864液晶顯示器。相對于市場上其它液晶顯示器來說，其具有更加強(qiáng)大的顯示，如顯示漢字和圖像等功能。同時考慮到本系統(tǒng)的基本要求是需要顯示心電圖像，普通的1602顯示器無法滿足要求。LCD12864液晶顯示器的工作原理和LED點陣類似即在要點亮的“點”上賦予正向壓降即可。同時其具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊，大大減小了程序編寫的難度。LCD12864的讀寫時序及線路連接如下圖所示。 由上圖可知控制PA4、PA5、PA6三支引腳便可以達(dá)到在液晶上顯示出系統(tǒng)采集到的心電信號數(shù)據(jù)及其波形。（注：P

19、A7和PA3是分別控制液晶顯示屏上下兩屏是否啟用，由P2.5P2.7控制。）GP16微型打印機(jī)通過總線與單片機(jī)相連，其中GP16的片選由單片機(jī)P2.5P2.7譯碼控制，讀寫地址為C000H；GP16提供的BUSY信號通過P1.5口送人單片機(jī)，單片機(jī)可以通過查詢方式了解打印機(jī)的工作狀態(tài)。（2）系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與制作將前述各單元電路連接起來，就可以構(gòu)成完整的系統(tǒng)硬件電路圖。需要指出的是，為了操作與維修方便，一般習(xí)慣將電源、操作面板等部件與主控制板分開單獨安裝。因此系統(tǒng)硬件電路中除了包含前、后向通道的輸入、輸出插座外，還應(yīng)考慮增加若干個插座，以方便主控板與各部件的連接。硬件電路制作包括印刷線路板制作

20、、焊接和系統(tǒng)連接等幾個方面。印刷線路板的設(shè)計一般都是在計算機(jī)上利用Tango，Protel，ORCAD等軟件進(jìn)行輔助設(shè)計，設(shè)計完的PCB文件由廠家制作出所需的印刷線路板，經(jīng)焊接和系統(tǒng)連接完成硬件電路的制作過程。 （3）硬件電路調(diào)試1.單片機(jī)基本系統(tǒng)調(diào)試硬件電路的調(diào)試應(yīng)按照相關(guān)的系統(tǒng)硬件設(shè)計與調(diào)試原則進(jìn)行，依次對單片機(jī)基本系統(tǒng)、人機(jī)通道、前向通道和后向通道分別進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試時可利用仿真器對各接口地址進(jìn)行讀寫操作，靜態(tài)地測試電路各部分的連接是否正確；對于動態(tài)過程（如中斷響應(yīng)）可以編寫簡短的調(diào)試程序配合硬件電路的調(diào)試。 (a)晶振電路將仿真器晶振開關(guān)打到外部，如果仿真器出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，說明用戶系統(tǒng)晶振

21、電路有問題，此時應(yīng)用示波器觀察單片機(jī)時鐘信號輸入端是否有振蕩信號，或檢查晶振電路各器件參數(shù)。 (b)復(fù)位電路按下復(fù)位按鈕應(yīng)使系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，否則用萬用表檢查復(fù)位電路各點信號和各器件參數(shù)。 (c)外部程序存儲器電路用仿真器讀出EPROM中的內(nèi)容與實際存入的內(nèi)容進(jìn)行比較。如果讀出內(nèi)容有錯，則依讀出內(nèi)容分析，查找系統(tǒng)數(shù)據(jù)線、地址線、控制線有無開路、短路、虛焊和鏈接錯誤等情況。2.人機(jī)通道調(diào)試 (a)LCD12864顯示用仿真器向8031輸入命令，檢查LCD顯示是否正常。如果顯示不正常，用萬用表或示波器檢查電路各個部分情況。 (b)鍵盤輸入用仿真器向8279命令口（A001H）寫入時鐘分頻命令（2A

22、H）和工作方式命令（00H）。按任意一鍵。從8279狀態(tài)口（A001H）讀出狀態(tài)字，狀態(tài)字低4位非零說明有鍵輸入。向8279命令口（A001H）寫入讀FIFO RAM命令（40H）。從8279數(shù)據(jù)口（A000H）讀出鍵值。鍵值錯誤或沒有鍵入信息，須檢查按鍵電路。 (c)打印機(jī)輸出用仿真器向GP16口地址（C000H）寫入字符串打印命令（9AH，01H）。向GP16口地址（C000H）寫入打印數(shù)據(jù)（30H，31H，）。觀察打印結(jié)果，如果打印不正常，須檢查連接電路。5、 軟件開發(fā) 有了上面的硬件基礎(chǔ)，現(xiàn)在就必須進(jìn)行軟件的開發(fā)。與硬件設(shè)計不同，軟件的開發(fā)具有極大的靈活性，在設(shè)計過程中需要考慮最佳的代

23、碼運行，具體包括運行速度，運行效率，放跑飛程序等。系統(tǒng)軟件主要由主程序、鍵盤輸入中斷（INT0）服務(wù)程序、修改參數(shù)子程序（分為心率修改和時間修改）、運行顯示子程序和打印子程序組成，其中運行顯示子程序又包括了啟動A/D采樣子程序和警報程序。1、主程序主程序流程圖如下圖所示。主程序主要完成以下幾項任務(wù)： （1） 初始化。設(shè)定可編程芯片的工作方式，對內(nèi)存中的工作參數(shù)區(qū)進(jìn)行初始化，顯示系統(tǒng)初始化。（2） 在有鍵入操作時讀取鍵值，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)功能的子程序中去。（3） 子程序執(zhí)行完畢返回主循環(huán)，等待下一次鍵入。2、 鍵盤輸入中斷服務(wù)程序當(dāng)有鍵入操作時8279通過INT0引發(fā)8031單片機(jī)的外部中斷0的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序流程圖如右圖所示。3、 修改心率參數(shù)子程序心率參數(shù)P的修改可以通過面板上的“心率設(shè)定”鍵進(jìn)入子程序，修改完的數(shù)據(jù)可以按“確定”鍵確認(rèn)修改，或按“取消”鍵取消修改。程序流程圖如下。4、 修改時間參數(shù)子程序時間參數(shù)T的修改子程序流程與PID參數(shù)子程序類似，只是顯示參數(shù)與存儲參數(shù)的地址不同。5、運行子程序運行子程序?qū)⑦M(jìn)行系統(tǒng)最主要的采樣處理過程，在運行過程中若有“取消”鍵按下，則運行子程序?qū)⒒氐街鞒绦蛑?；否則運行子程序?qū)⒁恢边\行下去。運行子程序流程圖如下圖所