便攜式心電監護儀設計

　　摘要：在對心電信號采集、處理技術研究的基礎上，結合MSP430F149單片機設計了一個低功耗、實時的便攜式心電監護系統。首先通過硬件電路實現心電信號采集、放大、濾波、去噪，然后借助于MATLAB實現心電信號數字濾波、去噪的仿真，最后對單片機編寫程序運行調試，主要完成心率測試、心電圖記錄以及簡單分析等功能。

　　1 系統總體設計

　　心電信號是很微弱的生理信號，容易受到周圍環境的干擾。為了使心電圖更加準確、清晰，系統采用模擬濾波與數字濾波相結合的方式處理心電信號。通過心電極采集心電信號，采集的心電信號經過輸入緩沖電路進入前置放大器。前置放大器放大后，信號進入處理電路，在處理電路中，先后經過高通、低通、50Hz陷波、后級放大、電平抬升、施密特觸發器，最后進入單片機中處理。在單片機處理之前，借助MATLAB仿真平臺，先對美國麻省理工學院提供的研究心律失常的數據庫(MIT-BIH)中的ECG信號進行FIR濾波以及陷波處理，并獲得最佳數字濾波器的C程序代碼。然后通過編程控制單片機，完成如下功能：定時、中斷、測心率、AD轉換、采樣、數字濾波、去噪、顯示心電圖、簡單分析。系統總體設計框圖如圖1所示。

　　2 系統硬件設計

　　醫用大型的心電設備可使用多種導聯方式獲取心電信號，而且獲取的各種信號均可通過顯示器實時顯示。考慮到便攜式設備使用要方便，所以系統采用標準導聯采集一路心電信號，也就是通過三條電極獲取心電信號。考慮到心電信號的特點，硬件電路部分要滿足以下幾個要求：

　　(1)增益。正常心電信號的幅值范圍在10μV-4mV，典型值為1mV。而心電放大器增益的常規設計要求輸入為1mV時，輸出電平要達到1V左右，所以心電放大器的放大倍數要為1000倍左右。

　　(2)頻率響應。心電信號的頻譜范圍為0.05-100Hz，頻譜能量主要集中在0.05-40Hz之間，所以，頻帶范圍至少要為0.05-40Hz。因此要設計帶通濾波器來壓縮通頻帶。

　　(3)高輸入阻抗。通過心電極片獲取的心電信號是非常微弱的，而人體又是一個很大的源阻抗，所以必須提高放大器的源阻抗，以保證增益的穩定性。

　　(4)高共模抑制比。電極片與皮膚接觸以及市電的干擾都會引起共模干擾，如果不設計高的共模抑制比電路，微弱的心電信號就會被淹沒。

　　(5)低噪聲、低漂移。由于增益很高，噪聲和漂移也會影響心電信號的采集。所以為了獲取高質量心電信號，要采用低噪聲元件，設計低溫漂電路。

　　(6)高安全性。任何儀器的使用都要把人體的安全作為重要指標，要避免人體觸電。

　　2.1 輸入緩沖電路及前置放大電路設計

　　在整個電路設計中，輸入端電路采用緩沖級電路。而在信號放大上，采用兩級放大的方法。輸入緩沖電路可以提高整個放大電路的輸入阻抗，降低輸出阻抗。這樣就可以在后面的匹配電阻網絡中得到幅值較高的信號。前置放大電路采用AD620作為核心器件。

　　AD620具有如下特點：

　　(1)AD620低成本、高精度、輸入阻抗高、共模抑制比高，僅需改變電阻Rg(圖2的R6)即可實現放大增益在1-1000之間變化;