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(多图) 简易心电图仪的设计

宋武 宋艳丽 廖谦 曾威 万小龙?? 2009年10月12日 ?? 收藏0

  随着社会的发展和物质生活水平的不断提高,人们对健康的重视程度与日剧增,特别是近年来社会老龄化的加剧,而且每年心血管疾病的发病率也不断上升。目前心血管疾病成了威胁人类生命的主要疾病,心脏病已经成了世界上死亡率最高的疾病。鉴于这种严峻形势,提高预防和监测该疾病的手段势在必行。而心电信号检测是发现心脏病的最直接手段,但目前医院用的心电监护仪价格昂贵,维护费用高,患者检查的经济负担重,不能做到随时随地都能检查。因此设计一种便携式、价格便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义。本文设计了一种基于以MSP430F2274为处理器的可以随时随地都能观察心电信号检测仪,它具有体积小、成本低、便于携带、实用性强等特点。

  1 系统设计

  1.1 心电信号放大部分

  心电信号大约为50μV~4 mV,须进行放大才能在示波器上观察。心电图(ECG)仪的前置放大在整机中处于非常重要的地位,决定了整机的主要技术指标,要求噪声低、共模抑制比尽量可能高。

  采用低噪声、低功耗,有良好的共模输入抑制能力的仪表放大器INA2331。INA2331可单电源工作,也可以双电源工作,可用两个外部电阻灵活地设定增益,达到电压放大倍数200,500,1 000的指标要求,简化了电路的设计,达到较好的效果。

  1.2 滤波器部分

  由于心电信号易受噪声的干扰,且主要能量成分集中在0.05~1 00 Hz 频带内,所以本系统用滤波的方法对心电信号做进一步的降噪处理,抑制外界干扰,从而得到较为平滑的ECG波形。为了提高滤波的效果,采用两级滤波。因为经过放大的心电信号,主要存在肌电等干扰信号,将其送到由0.05 Hz高通滤波器和500 Hz/100Hz低通滤波器组成带通网络,滤除有效频带以外的信号。

  1.3 控制器部分

  采用TI公司的MSP430F2274作为系统控制器。MSP430系列的单片机是具有低功耗的16位处理功能的微控制器。MSP430F2274内部设有10位的ADC,可方便地实现心电信号的采集、处理、存储。可简化整个硬件电路和提高系统的性价比。

  1.4 系统组成

  系统的总体设计框图如图1所示,整个系统可分为心电信号采集部分和信号处理部分。信号处理部分以MSP430F2274为处理器,扩展了液晶显示、按键。

系统的总体设计框图

  2 系统硬件设计

  2.1 前置放大电路

  图2为心电信号放大电路,仪表放大器INA2331增益G与外接电阻的R1,R2的计算公式为:

公式

  设计要求电压放大倍数(三档):200,500,1 000,因此只需改变外接电阻的大小就能实现放大倍数的选择。此外还采用OP07组成的右腿驱动电路来提高前置放大的共模抑制比。

心电信号放大电路

  2.2 中间级放大电路

  中间级放大电路采用的也是仪表放大器INA2331,电路如图3所示。

中间级放大电路

  2.3 低通滤波电路

  采用MAX291CPA,通过改变电容值实现了500 Hz/100 Hz滤波器电路,各元件参数值如图4所示。通过测试输入信号的频率达到100 Hz时,此时衰减为3 dB。

各元件参数值

  2.4 高通滤波电路

  如图5所示为0.05 Hz的高通滤波电路。0.05 Hz以下的信号通过时被衰减,从而实现滤波。低频截止频率由R1,C1确定,其计算公式为:

公式

  代入数值计算得:fc=0.05 Hz。

高通滤波电路

  3 系统软件设计

  系统的软件设计采用C语言编程,在MSP430仿真软件IAR Embedded Workbench上完成了单片机系统的开发,实现了各项设计功能。主程序流程图如图6所示。

主程序流程图

  4 系统测试

  对系统中的关键部分进行了实际的测试。

  4.1 电压放大倍数的测试

  测试结果如表1所示。

测试结果

  结果分析:系统的放大倍数在±5%的范围内。

  4.2 低通滤波器测试

  理论计算截止频率为500 Hz,输入峰峰值为7 mV的正弦波,频率调节范围为50~550 Hz,用示波器测量输出电压值,所得数据如表2所示。

低通滤波器测试

  4.3 共模抑制比的测试

  选择放大倍数为1 000通道,将心电信号放大器两输入导联线的短接,并输入频率为100 Hz正弦信号测量结果如表3所示。

输入频率为100 Hz正弦信号测量结果

  4.4 人体心电信号测试

  让被检测人员静卧,将电极安装在相应的部位,在电极安装前用医用酒精涂抹在电极放置部位,清洁皮肤表面,以减小电极接触电阻。测试得心电信号如图7所示。

测试得心电信号

  5 结 语

  本系统以MSP430F2274芯片为核心部件,充分利用单片机的集成资源,包括A/D、闪存FLASH和计数器,实现心电信号的处理、存储、回放,在系统设计过程中力求硬件线路简单,充分发挥了软件编程方便灵活的特点。同时对系统的电压放大倍数、-3 dB高频、低频截止频率、共模抑制比等进行测试,基本能够满足制作要求。该系统把心电信号的采集、分析和显示集成于一体,而且系统体积小,成本低,便于携带,实用性强。


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心电图仪? MSP430F2274? 心脏病? 滤波器?

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