基于DSP的心電信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

摘 要：心臟在搏動(dòng)時(shí)，在人體的不同部位產(chǎn)生不同的電位，采用心電導(dǎo)聯(lián)線將這些信號(hào)送入放大器放大并記錄下來(lái)，就形成了心電圖，簡(jiǎn)稱ECG。本文根據(jù)心電信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)了人體心電信號(hào)放大、處理和采集電路，準(zhǔn)確采集人體心電信號(hào)。

關(guān)鍵詞：DSP;心電信號(hào);高低通濾波電路;50Hz陷波器

引言：

基金項(xiàng)目：重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃體外反搏裝置治療效果最優(yōu)控制方法研究資助項(xiàng)目（KJQN201903201）。心電信號(hào)十分微弱，典型幅度在50uV-50mV之間，其頻率在0.05～100Hz之間[1]，一個(gè)正常的心電信號(hào)，由P波、QRS波群、T波等組成。根據(jù)心電信號(hào)的幅度和頻率特征，本文設(shè)計(jì)了心電信號(hào)的放大、采集和處理電路。

1.系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體方案如圖1所示，包括輸入緩沖電路和威爾遜平衡網(wǎng)絡(luò)、共模驅(qū)動(dòng)電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路、前置放大電路、高低通濾波電路、50Hz陷波器、程控放大電路、顯示電路和信號(hào)處理電路組成。

2.功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 緩沖電路和威爾遜網(wǎng)絡(luò)

緩沖電路和威爾遜網(wǎng)絡(luò)[2]如圖2所示，心電電極線從人體體表采集心電信號(hào)，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線RA、LA傳到如圖2的輸入緩沖電路，在電路輸入端接入TVS放電管保護(hù)后級(jí)處理電路，該輸入緩沖電路由圖2的電壓跟隨器U1A和U1B組成。

2.2 共模驅(qū)動(dòng)和右腿驅(qū)動(dòng)電路

心電采集時(shí)，人體攜帶交流共模干擾，去除的有效方法是采用右腿驅(qū)動(dòng)電路[4]，電路原理如圖2所示。該電路的原理是在共模驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，共模驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)經(jīng)放大器U1C、R2構(gòu)成反相放大器，并通過(guò)限流保護(hù)電阻R3接人體右腿，C4的作用是使右腿驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定。

如果從反饋信號(hào)中檢測(cè)到共模電壓，會(huì)通過(guò)R3反饋到右腿[2]。人體的位移電流不是流向大地，而是通過(guò)U1C輸出。當(dāng)病人和地之間出現(xiàn)高電壓時(shí)，放大器U1C飽和，U1C等效于接地，右腿驅(qū)動(dòng)電路不起作用[3]。

2.3 前置放大電路

前置放大電路由并聯(lián)差動(dòng)電路和儀器放大電路組成，并聯(lián)差動(dòng)電路如圖2所示，由運(yùn)算放大器U2A、U2B，電阻R8、R9和R10組成，信號(hào)放大5倍。

儀器放大由低噪聲的集成儀器放大器INA327作為放大器的核心元件，電路如圖3所示。放大器輸出端設(shè)計(jì)有高通濾波器，可以抑制極化電壓。

2.4 濾波電路

在人體心電采集時(shí)，由于存在極化電壓，導(dǎo)致基線漂移，在該項(xiàng)目中設(shè)計(jì)高通濾波器，截止頻率0.5HZ，可以抑制基線漂移，電路如圖3所示，由運(yùn)算放大器U4A，電阻R18、電容C6、C7組成。

心電信號(hào)采集時(shí)，存在肌電干擾（幾百Hz以上），高頻干擾，為了提高心電信號(hào)的質(zhì)量，減少軟件處理時(shí)間，有必要濾除100Hz以上的高頻干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為100HZ左右，電路如圖3所示，由運(yùn)算放大器U4B，電阻R21、R24和電容C1組成。

2.5 50HZ陷波電路

在人體心電采集時(shí)，50HZ工頻干擾是主要干擾源，電路采用RC雙T網(wǎng)絡(luò)二階帶阻濾波器，可以比較好的濾除工頻的干擾，電路如圖4所示，由運(yùn)算放大器U3A，電阻R25、R26、 R27電容C2、C3、C11組成。

2.6 程控放大電路

人體心電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大和濾波處理后，信號(hào)比較穩(wěn)定，在后級(jí)放大電路采用程控放大電路，由PGA205組成，放大倍數(shù)由DSP控制，使用程控放大電路可以把信號(hào)放大到比較穩(wěn)定的范圍，有利于DSP控制系統(tǒng)分析處理。

2.7 信號(hào)采集、處理和控制電路

項(xiàng)目的MCU選取美國(guó)TI 公司的TMS320F2812DSP芯片。TMS320F2812采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護(hù)機(jī)制，并可進(jìn)行雙16×16乘加和32×32乘加操作，因而可兼顧控制和快速運(yùn)算的雙重功能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林家瑞編著. 微機(jī)式醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì).華中科技大學(xué)出版社.2004

[2] 李剛編著. 生物醫(yī)學(xué)電子學(xué). 電子工業(yè)出版社.2008

[3] 汪明 基于ARM7的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 南京理工大學(xué)碩士論文 2009年6月

作者簡(jiǎn)介：王政（1988-），男，漢族，重慶市人，助教，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)