心電波顯示基礎實驗平臺的簡單實現

伊春職業學院機電工程系 張 旭

1.概述

現在的大學涉電專業所學的電路、模擬電子、數字電子、單片機等課程相對比較獨立，同學們普遍缺乏面對實際工程問題、設計制作較大規模應用電路的工作經驗。

生物機體內蘊藏著大量的生物電信息，它包括心電、腦電、肌電、胃電等。其中，心電是心臟跳動產生的電信號，使身體不同部位的表面發生電位變化，將其記錄下來即可得到心電圖(ECG)，心電信息與其他生物信息相比，更易于檢測并具有較直觀的規律性。

本文設計了一種簡單的心電波顯示基礎實驗平臺，通過對該平臺的制作、調試，學生能在示波器和液晶屏上觀察到本人的心電信號，使同學們能學到一些測量微弱生物信號的方法和技術，同時把電子電路和單片機技術方面的知識應用于實際，讓學生徹底了解一個電子系統實現的全過程，強化了系統工程的概念，真正學以致用，進而激發學生學習的積極性。

2.基礎實驗平臺電路設計

平臺的原理框圖如圖1所示。

圖1 平臺的原理框圖

實驗平臺的輸入信號可由模擬心電發生器提供，也可由放在人體左腿(LL)和右臂(RA)的心電電極直接拾取。心電信號頻譜范圍是0.05～100Hz，電壓幅值為20μV～5mV，典型值為1mV，信號源的阻抗為數千歐到數百千歐，此外在信號的提取過程中還混雜有其他生物電信號，以及體外電源50Hz工頻干擾(主要是以共模形式存在，幅值可達幾V甚至幾十V)、肌電干擾(由于人體運動、肌肉收縮引起，頻率為2Hz～2000Hz)、基線漂移(呼吸和電極極化電壓引起，幅值通常可達到幾十毫伏，頻率集中在0.015～0.3Hz)等，致使心電信號的背景噪聲很強，如何在強干擾環境下提取非常弱的的有用信號，是系統設計的關鍵和難點。因此，本平臺心電采集部分電路要求一級放大電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、高穩定性及強抗干擾能力等性能，而且增益不能過大；心電信號經一級放大后幅值仍然較小，再經過二級放大使心電信號放大到相應的幅值，便于用示波器觀察；為了消除低頻噪聲，在一級放大之后加入高通濾波電路；為了消除50Hz工頻干擾及高頻干擾，加入了低通濾波器；經過前面處理的心電信號為交變信號，而本平臺AD轉換輸入電壓范圍為0V～5V，因此，在送入AD之前還需進行電平抬升，使心電信號變成單極性信號。

本設計的模擬電路部分如圖2所示。

圖2 平臺的模擬電路圖

選用儀表放大器AD620進行一級放大，AD620的核心是傳統的三運放放大器電路，具有高輸入阻抗(109Ω)、高共模抑制比(可達100dB)、低噪聲等優點，AD620只需外接一個電阻就能設置1—1000的放大倍數，調節方便，其運放增益精確地被外接電阻Rg確定：G1=49.4kΩ/Rg+1

實驗中通過調節相應的可變電阻，可以適當改變一、二級放大的增益，可以使高通濾波器的截止頻率設在0.03～0.05Hz，可以使低通濾波器的截止頻率小于50Hz，可以適當改變電平抬升電壓的大小，可以測量共模抑制比KCMR。計算公式如下：

二級放大增益G2=UB/UA=1+R3/R2

下限截止頻率f01=1/(2πR1C1)

上限截止頻率f02=1/(2πR4C2)

總的增益為G=G1×G2

電平抬升至Uc=R6/（R5+R6）

由于P波、R波和T波的頻譜范圍遠低于50Hz，因此加入低通濾波器對P波、R波和T波無影響，QRS波中含有50Hz以上的成分，因此加入低通濾波器將會引起QRS波失真，我們可以設置不同的截止頻率讓學生觀察分析濾波器對心電信號的影響。電路中增加了簡單的右腿驅動電路(右腿心電電極(RL)接地)，以消除工頻干擾。圖3、4為電平抬升前后示波器顯示的心電波形，其中Umin（1）從-40.0mV抬升至160mV。

圖3 電平抬升前的心電波形

通過上面電路的安裝、調試，同學們可以熟練掌握集成運算放大器的使用方法，減少模擬電路教學中過多地研究分立器件帶來的負面影響(分立元件電路設計公式繁多，計算復雜，調試費時費力，降低了學生學習的興趣)。

本設計數字電路部分選用帶中文字庫的JM12864M液晶屏來顯示心電波形，它采用ST7920作為控制芯片；選用低價位、高性能8位串行A/D轉換芯片TLC549和學生熟悉的AT89S52單片機來處理模擬心電信號。具體的電路如圖5所示。

圖5 平臺的數字電路圖

3.軟件設計

從人體體表獲取的心電信號經過放大、濾波、升壓處理后，即可送到A/D轉換芯片TLC549輸入端口進行A/D轉換。根據Nyquist采樣定理，采樣頻率應大于等于被采樣信號最高頻率的兩倍，即200Hz以上，以免采樣后的信號發生頻譜的混疊。但是，考慮到平臺選用的是學生常用的AT89S52單片機和JM12864M液晶屏以及工作速度問題，我們將采樣頻率設置為50Hz，轉換結果為：ADC=(VIN*256)/VREF，數據范圍是0x0000～0x00FF。選用原因如下：一般人的心率按75次/分鐘算，LCD的X軸是128個像素點(去除坐標占用剩下115個像素點可用)，如果選用200Hz采樣且一個像素點采樣一次的話，一屏僅能顯示不到一個心電波形周期，為了方便觀察，采用50Hz采樣，液晶屏上大約40個像素點一個心電周期，保證任何時刻都有2個心電波形能夠顯示在LCD屏上。

采用定時中斷進行采樣，A/D轉換周期由T0定時控制，采樣周期是20ms，定時初值TH0=0XB1，TL0=0XE0，A/D轉換完成后進入顯示數據子程序。

LCD液晶控制：

JM12864M無論顯示字符或圖形，都是通過對顯示RAM（文本顯示DDRAM和繪圖顯示GDRAM）寫入不同數據來實現的。

(1)波形顯示方法

采用逐點推移的方法在LCD上顯示波形，方法簡單，運行速度快，軟件設計難點也在于此，它包括：

1)建立坐標系：在LCD上通過地址變換關系建立坐標系，LCD上縱坐標Y(LCD行數)表示顯示幅值，與顯示數據大小相對應；LCD上橫坐標X(LCD水平位址，即列數)代表時間序列，按所采集數據的先后次序確定，也就是說，水平方向一個像素點代表一個時間單位，垂直方向一個像素點代表一個幅值單位。JM12864M的GDRAM坐標如圖6所示，水平坐標X以字節為單位(2字節16位)、垂直坐標Y以位為單位寫入數據。

圖6 JM12864M繪圖顯示坐標

屏幕分上下兩屏，垂直坐標上下屏都為Y：00—1F(也即0X80+Y)；水平坐標上半屏為X1：00—07(也即0X80+X1)，下半屏為X2：08—0F(也即0X80+X2)。

2)基本畫圖子程序：畫波形依靠畫點、畫線兩個子程序。

①畫點子程序：首先對AD轉換后的原始波形數據進行處理，在這里，我們定義的坐標系如圖7所示，(0,0)代表屏幕的左上角，(27,63)代表屏幕的右下角。

圖7 定義坐標系

如圖7的坐標值要轉換成液晶屏如圖6的顯示坐標值，方法如下：

數據寫入GDRAM的步驟如下：a)關閉繪圖顯示功能；b)先將垂直的坐標(Y)寫入GDRAM地址；再將水平的位元組坐標(X)寫入GDRAM地址；c)將D15——D8寫入到GDRAM中；將D7-D0寫入到GDRAM中；d)打開繪圖顯示功能。

每顯示一個時間點的數據時都是將相應列的像素點置位，但是位元組坐標(X)是按照16位寫入的，寫入新點的時候，會覆蓋掉16個點中的其他點，所以先將顯示中的點讀出來，再或上要顯示的點，后再寫入GDRAM。

注意：讀取數據的時候要先進行一次空讀(dummy read)；水平坐標一個單位兩字節(即16位D15～D0)寫入或者讀完后，X地址會自動加1，加到0FH時會重新設為00H，所以，讀取數據之前要先寫入你要讀取數據的地址，讀取數據之后的寫入數據還要重新寫入地址，否則，地址會發生改變。

②逐點推移畫線子程序：這是用來在液晶上形成連續曲線的程序。當一個點畫完后，自動向右移動一列，并將下一列的數據與該點比較，若相同則畫一個點，不同則采用布蘭森漢姆(Bresenham)算法(請參閱相關資料)在兩點差值點間補點，由此方法逐點推移形成連續的圖形。

心電曲線從左向右移動繪制，波形到達右邊界后，整個液晶屏上的數據被清空，新曲線將從左邊界向右重新掃描，如此循環，實現波形刷新顯示。為了使顯示更加精確，在LCD顯示時加入坐標系(橫軸代表時間(t)、縱軸代表幅值(U))和位于屏幕中心的中心線，用來區分心電波正負值。實際LCD顯示波形如圖8所示。其中坐標系與刻度的顯示采用LCD取模軟件取出圖形數據后送顯。

圖8 LCD上顯示的心電波形

(2)文本顯示方法

JM12864M的DDRAM提供8個×4行的漢字空間地址，DDRAM坐標（請參閱相關資料）。設計比較簡單，不再詳述。

4.總結

以此基礎實驗平臺作為起點，可以開展數字濾波、數據存儲、菜單及心率等生理參數顯示、波形的回放和顯示靜止等功能的研究，可以考慮把無源濾波電路改成有源濾波電路、采用速度更快的微控制器、刷新速度更快和點陣數更多的液晶屏以及分辨率更高的A/D轉換芯片以提高實驗平臺性能。

通過以上基礎實驗平臺的實驗，使同學們逐漸從單純模仿到個人創造，提高了同學們的硬件軟件系統設計、調試的能力，分析問題、解決問題的能力，理論應用于實際的能力。為學生即將畢業走向工作崗位和繼續深造打下了堅實的實驗基礎，開闊了視野。隨著實驗平臺的進一步完善，相信學生學到的知識會更多，收獲也會更大，極大地彌補了目前驗證性實驗多而自主設計實驗少、單科性實驗多而綜合性實驗少的不足，全面地把握自己的專業定位。

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