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简易心电图仪的设计

时间：2009-09-30 09:52:29

关键字：心电图仪 BSP HZ MSP430F2274

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[导读]为方便人们实时了解心律的变化，根据心电信号特征设计了便携式心电图仪。它采用新型低功耗的16位单片机MSP430F2274作为整个系统的控制核心，利用低噪声、低功耗、共模抑制能力强的仪表放大器INA2331将心电信号放大后通过MAX291CPA进行滤波，最后在液晶上显示心电波形。该心电图仪能实现人机对话和信号的存储与回放，设计简洁，携带方便，经过调试，运行良好，能够达到观察心电信号的目的。

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。

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：

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。

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。

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。
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：

代入数值计算得：fc=0．05 Hz。

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。

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。
    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。

4．3 共模抑制比的测试嘲
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。

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。

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。