2004年湖北省电子设计竞赛一等奖简易心电图仪

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本设计应用高精度的仪表放大器INA128组成放大电路对心
$ Z. G8 i; `! H; r  d  e5 R电信号进行放大，采用有源滤波电路和数字滤波等技术对
心电波形进行综合处理，实现了两路心电信号同时测量显示、
存储及回放，并配有语音提示功能。
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赛题分析与方案论证
7 h0 I0 h+ Y, I/ T1 r, `5 @本系统的用途是对心电信号进行检测、存储和回放。由于
心电信号为弱信号，因此本系统对抗干扰和信号处理能力有较
, _+ }! y: P0 m) }高的要求。方案论证主要集中在数据采集和信号处理部分。
4 @5 P+ p1 {( Q& d1. 数据采集部分
4 [% n) b5 G' }1 k因为赛题已要求用20mm × 20mm 薄铜皮作为与皮肤接触的
+ a& [9 p( d3 @8 W4 |+ ?$ a简易电极，因此数据采集部分的方案选用主要在信号的放大部分。
0 _- f" P7 i# v- T6 F# ^' x* o关于信号放大的方案论证如下：
（1）采用如OP07、NE5534 等低噪声，具有一定精度的普
0 Z2 R* d+ y9 {通运算放大器来构建放大电路，但从体表采集到的信号除了人
: o! V6 V; |1 {! e0 v体心脏产生的电信号外，还包含肌电、呼吸以及50Hz工频信号
3 P5 X! B8 I: S8 f3 ?: ]7 T等带来的干扰。其中，工频干扰引起的共模信号可能远大于心
电信号，从而影响系统对心电信号的分析，因此，CMR（共模
& {, @9 t$ c8 t2 `抑制比）是衡量心电图仪性能的重要指标之一。心电图仪要求
运算放大器的CMR不小于80dB。上述两种运算放大器的共模抑
5 ^8 R! q+ r# w' X5 S制能力虽能满足这个要求，但用这样的单个运放构成的电路难
% I3 ^6 h6 f( w2 ~5 K* w2 r以达到较高的CMR，故不采取此方案。
（2）采用低功耗、高精度的仪表放大器——INA128。其具
+ O# W9 W) |1 j$ q3 @* r有良好的共模输入抑制能力，CMR 大于120dB，而且只需外接
一个电阻就可调节增益。INA128可将毫伏级的心电信号放大成
4 H) p! v  R+ n1 r# W+ \伏级信号，便于测量。同时，INA128 对直流电源的要求低，甚
至只需2.25V的直流电源电压就可表现出色的功能特性，静态
电流只有700μA，功耗非常低。因此，在小信号放大部分我们
; t- c% C7 R1 P- e$ ^5 o1 g选择仪表放大器INA128。
2．心电信号处理部分
由于心电信号属于低频小信号，易受干扰，因此必须对所采
2 ~# x* i; U8 ~. G集的信号进行高通、低通、陷波处理。因此我们将心电信号处理
( l/ l! `9 t( @( T3 B; _部分的方案论证主要放在滤波部分。
（1）高通滤波部分
: U) ]( a4 N' d7 I5 e! _6 T+ r考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低，且对精度也
没有严格要求，因此选用结构和设计都十分简单的RC一阶无源
滤波，其效果不错且易于实现。
（2）低通滤波部分
; w1 w  ^0 K8 x3 k% n& h' N低通滤波可选有源滤波或数字滤波。
$ K* T9 ~$ p( X+ N$ M! B# I+ u有源滤波
2 j7 e" t$ z- m①一阶滤波。其结构相对简单，且采用了集成运算放大器，
; L/ g2 }- v! m3 X, z& f8 }: B因此具有高输入阻抗和低输出阻抗，同时由于具有缓冲作用，
滤波效果比无源滤波器好，幅频特性曲线可达到-20dB/10倍频
2 u, L" ~8 q& y, _程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。

②二阶滤波 。它和一阶滤波采用类似的结构，但幅频特性
曲线能达到-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显。
4 T9 j* e; }/ Q' [; Z③二阶以上的高阶滤波。它是由多个一阶和二阶滤波器组
( F( C! H3 W  h$ z" m* {成的，效果自然要比上述两种滤波器好，但其电路比一阶和二
1 T- C  d  }0 ]; ~阶复杂，所需电阻电容较多，而电阻电容的实际值很难与设计
要求精确匹配，有时为了匹配一个阻值需要好几个电阻串并联，
同时由于不能避免环境因素对电阻电容的影响，因此用的电阻
* r% i9 v; K3 t  x% p# C电容越多，误差就越大，导致实际的滤波效果与设计时所期望
的存在一定差距。本赛题只对截止频率的精确度有要求，而对
系统的频域衰减速率未做特别要求，因此可以不必选择高阶滤
波方案。
数字滤波方案 　数字滤波的优点是参数可调节性好，可
以通过更改程序中的参数对截止频率进行精确的调节，由于参
2 r- `4 Q; ?3 u. [$ C9 V数不会随温度等环境因素改变，从而精确度得到保证。但是数
字滤波对处理器的要求比较高，想要得到更好的滤波效果就要
% T* h0 D- w- ~求滤波器取更高的阶数，处理器时钟周期尽可能小，乘法的计
$ |# P5 }) A' ?1 \, e算速度尽可能大 ，一般非DSP处理器达不到要求。本系统的数
字处理器凌阳61A单片机可达到49.512MHz的时钟频率，而且
提供计数器计时中断。计数器的时钟源频率最高可以设置为24.
512MHz，经过分频后有多种采样频率可选。而且凌阳单片机的
3 n3 ~* l; K+ n. ^- P" d5 ^汇编语言中已经有FIR算法可以直接应用，因此可以做出16阶
的数字滤波。虽然16阶的数字滤波器效果不是十分理想，不能
充分发挥数字滤波的性能，但可以起辅助滤波作用。
综上所述，由于本系统除了波形处理外，还要求具有数字
1 t' U- v! A2 J2 j存储和回放功能，因此本系统采用模拟、数字滤波相结合的方
案，对通过两种标准导联所采集的两路心电信号分别进行以
100Hz 和500Hz 为截止频率的模拟低通滤波，对要进行存储的
* ^: T8 f2 H' J* i7 m1 O& k信号，在用单片机采样的同时对其进行数字滤波，截止频率可
设置低于50Hz，以避免工频信号干扰，使所存储回放的心电波
4 v8 }$ ^5 J/ Y" H; a形更为清晰。
$ O$ c% L3 H' C（3）陷波处理
本系统要除去工频50Hz的干扰，需要对混杂在心电信号里
的50Hz信号作尽可能大的衰减处理。处理方案集中在两种：自
适应相干模板法和模拟陷波法。
' B, ?- r+ O$ C& ]/ h* }/ ]自适应相关模板法 自适应相关模板法利用工频干扰的相
1 I" X& C( u0 ]关特性， 从原始输入信号中得到工频干扰的模板， 进而从原始
输入信号中减去工频干扰的模板， 达到滤除工频干扰的目的。
6 G0 [: o8 w. }" A# @但这种方法算法虽简单但程序设计比较复杂，考虑到竞赛时间
有限，故不采取这个方案。
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