基于低功耗MCU的心電信號采集系統

葉敢 李惠浩 王龍輝 楊銳

摘 要：本文針對現狀提出并設計一種超低功耗便攜式的心電信號采集系統，使用TI模擬前端芯片ADS1292實現兩路心電信號的采集、存儲，以STC8C2K64為控制核心板，將采集來的信息送至主控單片機通過無線傳輸模塊發至上位機繪制心電圖，分析計算心率。設計采用右腿驅動電路和低通濾波及軟件IIR濾波抑制干擾措施，提高放大器共模抑制比。通過NRF24L01將數據傳輸PC上位機顯示動態心電圖。各個模塊功能完整，測量精度誤差不大于各自要求其誤差不大于2%。

關鍵詞：心電信號，低功耗，濾波，無線傳輸

1.前言

1.1設計背景

如何設計高精度、便攜式及低功耗的心電采集模擬前端電路成為“智慧醫療”發展的重要組成部分之一。因采集個體、采集環境和采集電極的變化，心電信號的幅值將發生改變，所以為了更加有效的采集心電信號，不同結構類型的心電采集電路被廣泛的研究與應用。

1.2設計目的及意義

本課題的主要工作是設計出心電信號采集無線傳輸系統。我們在單片機環境下開發的心電實時檢測與分析系統能夠對各種心電監護算法做出評估，是一件有重要意義的工作。具體包括以下幾個方面的工作：

1、熟悉研究課題所需的STC8C2K64單片機和無線通信協議，了解WIFI通訊流程以及通訊指令、事件和數據分組格式。

2、基于IIR濾波，過濾掉采樣中的干擾信號。

3、提出了一種新的心電信號采集裝置。

4、最后在PC平臺上，實現了對心電信號的實時采集、無線傳輸和數據保存的功能。

本文的創新點：提出了一種心電信號放濾波;實現了心電信號的實時采集，無線傳輸至PC平臺上。

2.總體方案設計

2.1總方案提出與論證

2.1.1總方案

本系統可實現實時采集心電信息。使用ADS1292作為采集心電模塊主要芯片，通過IIR濾波濾去多余信號。通過單片機控制各個模塊，采集分析數據繪制并計算得出心率。通過NRF24L01無線傳輸通信傳送運動節點數據到上位機實時顯示心電圖等信息。

2.1.2濾波方案

方案一：通過二階的50Hz雙T陷波器對人體內產生的50Hz的天線噪聲和電源供電引入的工頻干擾進行濾波。

方案二：使用數字濾波器同樣對人體噪聲和工頻干擾進行濾波，在matlab做出IIR四階濾波器對心電數據進行濾波。

對比以上兩種方案通過陷波器后仍有較大工頻干擾，且陷波器自帶噪聲也夾雜在所需ECG信號中。而數字濾波設計更方便，可及時糾錯從而成本降低，效率更高。

2.2方案論證選擇

分析可知，低功耗MCU心電采集系統主要包括前置輸入回路模塊放大模塊、濾波網絡模塊、無線傳輸模塊等模塊。設計重點在于選擇滿足功能實現的低功耗MCU，前端模擬放大模塊和濾波網絡模塊。方案論證主要圍繞濾波部分展開。

2.2.1濾波方案

工頻干擾：工頻干擾是由電力系統引起的一種干擾，由50hz及其諧波構成的一種干擾，幅值約為ECG（心電信號）的50%。

基線漂移：呼吸作用引起的，源于被測對象在測試過程中呼吸時電機與人體皮膚間的阻抗儀器放大的熱噪聲等干擾引起的，頻率約為0.15-0.3hz。呼吸作用時ECG幅值有15%的變化。

肌電干擾：來源于人體的肌肉顫抖，肌電干擾產生毫伏級電勢，可視為瞬間發生的高斯零均值帶限噪聲。

工頻干擾可以用先波器進行處理，過濾50hz信號，而基線漂移則通過高通濾波器消除0.5hz以下的頻率。常用固定頻率的設計有IIR濾波器和FIR濾波器兩種，其中FIR濾波器具有良好的線性相位。

但是在同等性能條件下階數比IIR濾波器高，運算量大。故本設計的工頻陷波和高通濾波均采用IIR濾波器來設計IIR濾波器的設計方法有脈沖響應不變法和雙線性變換法，但過程比較復雜，借助Matlab的fdatool工具包可以直接生成相關參數。再通過直接II型翻譯成c語言形式應用于STC8C平臺

導出濾波系數得到轉移函數：

再根據濾波器直接II型實現框圖，翻譯成c語言代碼并燒錄到主控芯片中運行

參考文獻

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[3] 康薇. 基于無線藍牙心電監護系統方案設計[J]. 建筑工程技術與設計， 2017（7）： 2182.

作者簡介：

葉敢（2001-）漢族 四川成都，本科，研究方向：電氣工程及其自動化

李惠浩（2001-）漢族 河南平頂山，本科，研究方向：電氣工程及其自動化

王龍輝（2000-）漢族 四川簡陽，本科，研究方向：電氣工程及其自動化

楊銳（2001-）漢族 四川遂寧，本科，研究方向：電氣工程及其自動化