作者Email: newtonian@263.net 摘要：本文介绍了心电扩大器
的根本电路构成，以及选用TI公司的MSP430系列单片机对心电信号进行模数转化处理的办法，还侧重探讨了选用带硬件乘法器的MSP430F14X系列单片机对心电信号进行滤波处理的办法，并给出了相应的试验成果。 人体心肌发生的电信号传导到体表之后，因为在体表散布的不同而发生电位差，将这种电压只要mV等级的电位差扩大并绘制成图，就得到了心电图(ECG)。心电图在心血管疾病的临床确诊中有十分重要的作用。一般选用的心电图依照导联数分有单导联，三导联，五导联以及十二导联等等;依照精度分常用的有8位和12 位精度等等。单导联，精度低的心电图常用于进行心电监控以及心率丈量。12位高精度的心电图因为可以反映出心电的纤细改变，被愈加广泛地运用于临床确诊、心电剖析等当地。 因为心电起伏只要mV量级，需求扩大上千倍才干被观察到，而且人体的内阻比较大，因而一个高阻抗、高增益的扩大器是精确获取心电信号的要害。而周围环境中充满了各式各样的电磁搅扰，会严峻影响弱小的ECG信号，而其间最为严峻的是市电电源的50Hz(部分国家为60Hz)的搅扰。怎么防止这些搅扰也是心电扩大器规划所有必要考虑的问题。此外，进行高精度的AD转化也是要害的过程，特别是关于12bit的ECG扩大器。在一些便携式运用中，功耗也是需求考虑的要素。 TI公司出产的MSP430F13X、MSP430F14X系列微功耗混和信号单片机，因为具有速度快(8MIPS/16bit)，集成度高(Flash，RAM，16bit Timer，8通道12bit ADC以及UART等)、极低功耗等特色，因而十分适合于ECG扩大器一类的运用。MSP430F14X系列单片机因为具有硬件乘法器，因而具有必定的 DSP功用，可以ECG信号进行滤波等预处理。 下图是三导联ECG扩大器的框图：
ECG扩大器一般由缓冲级、匹配电阻网络、扩大、滤波、电平位移以及模数转化等几级构成。 电极收集到的心电信号首要进入缓冲级。缓冲级可以进步整个扩大电路的输入阻抗，下降输出阻抗，这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。匹配电阻网络一般选用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络取得威尔逊电中心端作为整个ECG体系的参考点。 扩大级一般包含一级用AD620等外表扩大器构成的初级差分扩大和TL084等通用运放构成的主扩大级。因为体表液体与电极之间或许构成原电池，致使电极之间存在固定的电位差，因而榜首级差分扩大的增益不能太高，不然简单饱满。一般这一级增益选10左右。在榜首级和第二级之间有必要进行直流阻隔。第二级选用同相扩大电路，增益可以高达100倍，这样整个电路扩大倍数可以到达1000倍。 因为信号中混有各种搅扰噪声会影响ECG的有用信号，因而需求对这些噪声进行滤波。噪声来历主要有两类，一类是各种电子设备辐射出的高频噪声，一种是市电的50Hz噪声，一般情况下后者影响尤为显着。对这些噪声的滤波需求用到低通滤波器和50Hz带阻滤波器。ECG的低通滤波器一般情况下到频率挑选在 100Hz以下，少量情况下会用到更高的频率。低通滤波和扩大可在同一级运放中完成。带阻滤波器对终究信号的质量尤为重要，因为带阻滤波器的特性参数对%&&&&&%的精度很灵敏，因而在这一级的规划中需求用到精细的阻容原件，还常常需求多级级联来取得较好的作用。 上诉几级电路都是在零偏置条件下作业，因而输出信号幅值有正有负。而进入ADC的信号有必要是单端的，因而需求用加法器将双端的信号位移使之成为单端信号。 通过扩大、滤波、位移之后的信号输入MSP430F133的A0-A2端进行数模转化。转化选用MSP430的次序转化形式，采样频率可以用时钟中止来进行操控。若需求100Hz的有用信号，则应挑选采样率为200Hz。 下图是实践丈量得到的心电图信号：
从上图可以看出，心电信号明晰安稳，完全可以满意临床监护以及病理剖析的要求。 在上述电路中，想要取得明晰安稳的心电信号，滤波器的规划很要害，特别是50Hz的带阻滤波器特别重要。带阻滤波器的电路比较杂乱，特性受外围组容元件影响较大，因而选用模仿规划往往不太简单取得很好的特性。而且因为运用环境的差异，例如我国市电是50Hz而许多国家是60Hz，因而导致产品的通用性差。假如可以选用数字滤波器，不只安稳性的问题可以方便的解决，而且关于不同的运用环境只需求对软件进行修正就可以了，这可以下降硬件规划杂乱程度和本钱，还可以进步产品的通用性。 MSP430F14X系列单片机，内置了16bit乘法器，因而具有了必定的DSP功用，可以用来进行数字滤波等运算密集型的运用。咱们使用 MSP430F147规划了一种单导联的心电扩大器，取得了很好的作用。 这种ECG扩大器的前极扩大电路跟前面所述的三导联扩大器电路相似，都由缓冲器，电阻网络，差分扩大以及主扩大级等。两级扩大均选用低通网络进行了低通滤波，截止频率挑选在80Hz。不同的是，这个电路中省去了50Hz带阻滤波器，这使得电路中组容元件的数量减少了40%，而且取得了模仿滤波器所无法比拟的优秀特性。该电路中ADC采样频率为200Hz。选用四阶切比雪夫滤波器，通带挑选在45-55Hz之间，可以得到传递函数为： 对应差分方程为： 上述传递函数的幅频和相频特性如下图所示： 因为MSP430F147只能进行定点运算，所以在处理上述查分方程时，有必要将其变换为整数运算。将各部分系数均乘以4096，取整数部分，运算得到的成果再选用右位移12位的办法得到终究成果，运算代码如下： y[k] = (3318*x[k] + 6636*x[k-2] + 3318*x[k-4] 6913*y[k-2] – 3049*y[k-4])>>12 其间的乘法运算要选用MSP430的硬件乘法器来完成才干确保运算速度。 在体系时钟为8MHz，采样频率为200Hz条件下，该数字滤波器所得到的成果如下：
图四中下半部分是人为参加激烈的50Hz搅扰后的心电图。上半部分是通过MSP430F147进行数字滤波后的心电图，可以看出，滤波的作用十分抱负，完全可以到达临床有用的要求。图5是处理前和处理后的频谱，可以看出，信号在50Hz的当地被很好地遏止了。 仅有让人觉得美中缺乏的是，MSP430F147的处理才能只可以实时处理单导联的ECG信号，关于多导联的运算才能则显得缺乏。关于多导联运用，需求考虑选用DSP进行处理。 以上两种选用MSP430单片机规划的心电扩大板现已被运用于实践产品中。若有问题想与作者评论，请发email到newtonian@263.net
