基于ＡＲＭ的十二導同步心電圖機設計

摘要：采用ADuC7026微控制器芯片和新的電路設計方法，實現了高性能、低成本、操作簡單的微型心電圖機。

關鍵詞：心電圖機；生物電放大電路；ARM7TDMI

引言

根據世界衛生組織統計，心臟疾病是造成人類死亡的三大疾病之一，而且發病率呈上升趨勢。在我國，隨著人們的物質生活水平不斷提高，生活節奏不斷加快，心臟疾病的發病率也在相應增高，社會對心臟疾病的診斷和治療也比以往更加關注，提出了新的要求。本文研究了一種既具有技術方面的先進性，又造價低廉，適合中國國情的微型12導同步心電圖機。該心電圖機操作簡單，功能強大，可提供標準12導聯心電同步監測和快速心電監測，適用于醫院常規門診，也可用于外出急救。

本設計的12導同步心電圖機采用ADI公司的ARM7TDMI內核的模擬微控制器ADuC7026作為核心，它具有16通道高達1000ksps采樣速率的12位ADC，整合了片內參考電平、溫度傳感器與4通道12BIT高精度DAC，支持JTAG方式調試與下載，外接32KHz晶振，通過鎖相環可工作在45MHz下。片內還集成有62k字節的FLASH與8k字節的SRAM，片上外設資源包含有UART、SPI、雙IzC串行接口、4個定時器、看門狗、電源監測模塊、3相16位PWM輸出和可編程邏輯陣列(PLA)等。心電圖機系統框圖如圖l所示。

在設計時利用模擬微控制器內嵌的ADC對經過前級處理的心電信號進行監測。系統功能在液晶顯示的菜單下通過按鍵選擇完成，能夠提供友好的人機交互操作提示，使用方便。ADuC7026微處理器可通過UART串口在線刷新系統固件，提供了系統升級的廉價解決方案。

心電圖機的模擬電路設計

模擬電路是心電圖機中直接與人體連接的電路，主要負責原始信號的調理。在處理過程中要保證原始信號不能失真，由前級模擬電路導致的失真將無法由后級的數字處理方法恢復。并且因為前級模擬電路與人體直接接觸，所以在電路中還要加入保護電路防止靜電、電除顫對器件的損壞。

放大電路和抗混疊濾波器

針對心電信號常混有基線漂移和50Hz工頻干擾的特點，本心電圖機設計了圖2(圖中只畫出3路，實際為9路)所示的新型生物電放大濾波電路構成心電信號的放大器濾波電路，該電路可獨立獲得各導聯心電模擬信號，模擬信號經ADC變換后在數字處理部分根據需要合成標準12導聯心電信號。該心電放大器濾波電路具有結構簡單、跟蹤快、共模抑制比高等優點。

心電信號經前級低通濾波處理后可采用較大的放大率。提高放大率的同時，可提高儀表放大器(AD627)的共模抑制比。根據心電信號的特點(幅值0．5~4mV)后級采用100倍放大率，最后再經一階低通濾波器去除高頻噪聲。電路整體設計可使共模抑制比達到70dB以上，能明顯抑制50Hz工頻干擾于基線漂移，并且所有器件均可工作在3．3V電壓下，保證了系統的低功耗設計。

為了防止靜電、電除顫等外部電擊導致電路損壞，可在前級運放的正負輸入端并入放電管加以保護。

右腿驅動電路

工頻(50Hz)干擾是心電測量中最重要的干擾。僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以抑制工頻干擾。右腿驅動電路也是抑制工頻干擾的有效方法。本機采用人體共模電平信號(cOM)與ADuC7026 DAC的輸出信號通過運算放大器做差動放大，把放大后信號作為右腿驅動信號。該方法不僅可以抑制50Hz工頻干擾，還可根據ADuC7026檢測到的心電信號適當調整人體電平，便于ADC采樣。右腿驅動電路如圖3所示。

心電圖機的數字電路

數字部分是心電圖機的核心，主要包含嵌入式處理小系統、液晶模塊與電源。心電圖機各功能在ARM7TDMI內核模擬微控制器ADuC7026下控制完成。

ADuC7026小系統設計

ADuC7026作為ARM7TDMI內核處理器的一個實現不但具有豐富的數字資源可提供高達45MIPS的運算速度，還具有良好的模擬接口，極大的簡化了心電圖機電路設計的工作，為心電信號的實時監控和后期的快速處理提供了保障。心電數據的采集采用ADuC7026自帶的多路12位ADC，各通道采樣率可達200Hz，可提供波形實時顯示與心率計算。后期可提供等多項參數分析，還可打印輸出波形及參數報表。ADuC7026采用串行口與外部熱敏打印機通訊。

心電數據存儲系統采用SRAM與NandFlash結合的方式。ADuC7026提供4個外部存儲擴展區，它們分別映射為SRAM、NandFlash、USB控制器與液晶控制器。其中sRAM訪問速度快可作為數據的高速緩存，NandFlash具有容量大、數據掉電不丟失的特點可作為心電數據的永久存儲。

心電圖機采用USB接口與PC機進行數據傳輸。PC機采用專用軟件接收數據，并可進行數據的高級處理及遠程傳輸，以提供心電圖機的擴展功能。

液晶顯示及控制

為了能提供良好的波形顯示與友好的人機界面，本心電圖機采用了240X160點陣的液晶顯示屏。作為波形顯示時，可提供240X128的波形顯示窗，保證醫生有足夠高的精度用于心電特征波形的識別。主機通過液晶控制器S1D13305控制顯示屏的輸出，為了能兼顧文字與心電波形顯示的雙重需要，S1D13305設置為兩屏混合的顯示方式，一屏設為文本方式，另一屏設為圖形方式，根據操作的需要進行功能切換。

電源與快速檢測的實現

為了實現戶外急救快速監測功能，在主放大器輸入處設有撥斷開關，可把主放大器直接連至心電圖機背板上的快速監測輸入端，此時心電圖機可直接放至病人胸口，實現無需連接導聯線直接在線監測。心電圖機系統采用3節干電池供電，低功耗設計，外形小巧，便于攜帶并可在戶外長時間使用。

心電圖機的軟件設計

心電圖機軟件主要劃分為心電信號監測、心電數據打印、心電數據傳送、心電信號回放及用戶接口五個模塊，系統根據用戶信息與功能選擇參數調用各模塊，用UML工具劃分數據流圖如圖4所示，各模塊之間通過全局信號進行通訊。系統基于時間觸發式模式設計以同時保證系統的可預測性與實時性。軟件開發在KEIL IDE下采用GNU編譯器完成。

結語

心電圖機數據流圖

與硬件設計相結合，在軟件設計中采用了各種信號處理新成果，包括信號合成、濾波及自動增益調節，心電信號特征值檢測等。本機不僅實現了12導心電信號同步采集，還實現了基線校正和增益可調等功能，同時還具有很強的抗干擾能力。微型12導同步心電圖機提供了良好的人機接口，使用方便，是醫務人員進行常規心電圖測量、查房、出診、身體普查的理想儀器。