基于usb接口的心电信号数据采集系统

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1、基于USB接口的心电信号数据采集系统

2、第1摘要：介绍了基于USB接口的心电信号数据采集系统，给出了该系统的硬件组成原理及软件设计方法。由于该系统使用了高性能的USB专用芯片CY7C64613，因而具有使用方便、即插即用等特点。与笔记本电脑相连即可构成移动式心电信号检测分析仪器，具有较高的实用推广价值。关键词：USB；心电；数据采集１　引言心电信号是最广泛的临床检查项目之一。心电信号数据采集系统是心电信号检查的关键部件，它能在较强的噪声背景下，通过电极将０．０５～１００Ｈｚ的微弱心电信号检测出来，然后经放大、Ａ／Ｄ转换后送入计算机进行处理。计算

3、机的使用使得该系统在信号分析、储存、打印等方面比传统的心电图机具有明显的优势。但采集系统与计算机的通讯接口都存在插卡插拔麻烦，安全性差，且扩展槽数目有限等不足。为此本文提出的基于ＵＳＢ接口的心电信号数据采集系统使用了目前最为先进的ＵＳＢ接口技术，能够支持即插即用和热插拔功能。这是其它非ＵＳＢ接口无法比拟的。同时也可以与笔记本电脑相连以构成移动式心电检测分析仪。２　系统的硬件组成２．１系统组成图１所示为基于ＵＳＢ接口的心电信号数据采集系统的组成框图。图中电极传感器检测到的心电信号经输入保护电路进行电压限幅、高频滤波后，再进行前置放大，然后经

4、光电隔离后，再次进行电压放大，最后经干扰抑制电路消除干扰后，在多路模拟开关的控制下将其中某一路信号接入Ａ／Ｄ。ＣＹ７Ｃ６４６１３是带智能ＵＳＢ接口的单片机，通过它可以把Ａ／Ｄ转接后的数字信号经ＵＳＢ接口传输到计算机。下面就数据采集系统的抗干扰措施、信号放大及ＵＳＢ通信等问题进行重点论述。２．２系统抗干扰作为医疗器械的心电信号数据采集系统，由于其检测对象是低频、微弱的心电信号，干扰较大，因此系统的抗干扰能力及安全可靠性至关重要。针对这种情况，本系统采取了多方面措施。图２所示为输入保护电路和高频滤波电路。其中输入保护电路是在每个电极和地之间加入

5、两个并联的硅二极管以进行电压限幅，从而限制输入电压不超过±６００ｍｖ，确保病人和仪器的安全。高频滤波电路用于阻止高频干扰信号进入数据采集系统。本设计使用以ＦＸ１０１芯片为核心的低通滤波器。滤波截止频率为：ｆｃ＝１／[２ｐ(Ｒ１Ｒ２Ｃ１Ｃ２)１／２]使用光电隔离电路和干扰抑制电路可进一步提高抗干扰能力。干扰抑制电路包括５０Ｈｚ干扰抑制电路和肌电干扰抑制电路。前者用来滤掉５０Ｈｚ工频干扰（这是心电信号的主要干扰源），它是一个无源ＲＣ双Ｔ网络。后者用来抑制电极与皮肤接触时引进的肌电信号，它是一个高载ＲＣ滤波器。此外，还可采用软件滤波的方法。可通过在

6、软件中设置５０Ｈｚ干扰滤波和漂移滤波等程序来进一步提高系统的抗干扰能力。２．３放大电路放大电路也是设计重点之一。一般情况下，心电信号必须进行放大才能送往计算机进行处理。由于极化电压的影响，放大器的增益不能太高，因而本系统采用了前置放大电路和电压放大电路两级放大的方法。对前置放大电路的要求是：输入阻抗高、失调温漂小、共模抑制比高、输入噪声小。为此笔者选用了ＩＮＡ１２１芯片。ＩＮＡ１２１是ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓＢＢ公司生产的低功耗仪器放大电路，性能优越，它的差模输入电阻为１０１２Ω，共模抑制比为１０６ｄＢ，输入失调电压为±２００μｖ，输

7、入失调温漂为±２μｖ／℃，输入噪声为２０ｎＶＨｚ１／２。前置放大电路的放大倍数设置为５０。较小的前置放大倍数可以避免极化电压的影响。电压放大电路的放大倍数设置的较高（取为１００倍），则可以保证总的放大倍数。２．４ＵＳＢ专用芯片的选择目前各个厂商推出的ＵＳＢ芯片类型众多，功能各异。本系统选用Ｃｙｐｒｅｓｓ半导体公司推出的ＥＺ－ＵＳＢＦＸ全速系列中的ＣＹ７Ｃ６４６１３－１２８ＮＣ芯片。ＥＺ－ＵＳＢＦＸ系列芯片是带智能ＵＳＢ接口的单片机，它以８０５１为核心。对于复杂与繁琐的ＵＳＢ通信，该器件可提供ＥＺ－ＵＳＢ固件函数库与固件架构，从而可大幅度地

8、降低编写固件程序代码的困难程度。ＣＹ７Ｃ６４６１３支持ＵＳＢ协议１．１，同时可支持１２Ｍｂｐｓ的全速传输。此外，它还带有增强版的８０５１核心和４ｋＢ或８ｋＢ的ＲＡＭ，端点数量为３２个，可采用智能型的ＵＳＢ核心程序。３　软件设计本系统的软件设计包括三部分：固件设计、驱动程序设计、应用程序设计。本设计中将心电信号数据采集系统规划为人工接口设备ＨＩＤ群组。该ＨＩＤ群组原是针对键盘、鼠标等输入设备而设置与规划的。但是，对于需要以双向、适当的频率来进行数据交换的其它设备而言，也是一个非常好的设计范例与基础架构。因此，可以将这些设备规划为ＨＩＤ群组，只要

9、它们符合ＨＩＤ规范中所定义的各种特性与条件，就可以执行ＨＩＤ设备的功能。在ｗｉｎｄｏｗｓ９８与ｗｉｎｄｏｗｓ２０００等操作系统中都已包含了ＨＩＤ群组的驱动程序，因此