基于ARM核的单电源心电检测模块的实现.pdf

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1、基于ARM核的单电源心电检测模块的实现随着心电图技术的临床应用和电子技术的发展，心电图作为生物医学测量中一项较成熟、应用较广泛的技术，已逐渐成为一种常规临床检查的手段，并在心脏疾病的诊断、监护以及药效分析等方面发挥着十分重要的作用。目前常用的心电检测电路多为双电源供电，这种方案需要很多的电源器件和较大面积的布局布线，而这些都将增加产品的成本。本文给出的设计采用单电源供电，可以解决上述问题并降低产品成本，同时该设计还在基于ARM核的嵌入式系统中采用了简单实用的算法，能快速准确定位QRS复波(即计算人的心率)

2、。该设计面向广大家庭用户而设计，体积较小，只需要一台个人电脑与之连接，便可实时地操作、观测心电信号。心电信号采集系统的基本架构如图1所示。人体的心电信号经电极和专用导联线从人体送至系统。通过滤波和放大调节电路，微弱的心电信号被放大到合适的幅值，并处于A/D转换范围之内。系统的控制和数据的处理由ADI公司基于ARM7TDMI核的MCUADuC7020来完成。这款芯片有丰富的片内外围电路，处理速度高达40MIPS，A/D转换速度可达1MSPS，具有很高的性价比。最后将结果由ADuC7020通过UART口送至计

3、算机，由计算机通过由LabVIEW编写的界面将结果直观地显示出来或存储下来。图2是基本的硬件电路图。图1：心电信号采集系统的基本架构。从人体或是心电信号发生器上采集到的心电信号幅值在0.05～5mV之间(一般为2mV)，频率在0.05Hz～75Hz之间。心电信号要经过缓冲、匹配电阻网络、电压放大和滤波等几级电路。心电信号首先经过一个两级的RC低通滤波电路，进入缓冲级。信号进入系统之前，需要除去高频分量，因此这里设计了一个截止频率为300Hz的低通滤波器，以保证0.05～75Hz的微弱心电信号不会被衰减。缓

4、冲级由电压跟随器组成，它可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。为保证差分信号的一致性，应选用集成在芯片上的放大器。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络获得威尔逊电中心端作为整个ECG系统的参考点。滤波放大电路的前级采用负反馈差分放大电路，这里使用ADI公司可调增益高共模抑制比的仪表放大器AD8221作为前级放大器。放大倍数设为8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1计算得到，其中RG是AD8221两个RG管脚之间的电阻值。图2：基本的硬件电路。这个电阻应当选用高精度、低温漂的

5、金属膜电阻，以保证AD8221的低噪声性能。AD8221的REF管脚没有接地，而是和一个低通滤波器构成负反馈回路，以便能有效地滤除直流分量，从而使U1处的电压始终箝位在1.25V。因为是单电源供电，而不同导联的心电信号电压有正有负，所以一定要提供一个合适的箝位电压。ADuC7020的AD转换模式下电压输入范围是0-2.5V，这里就选择中间值1.25V作为箝位电压。AD8221输出的单端信号幅值非常小，其中还混有大量干扰，无法进行数据处理。后级滤波放大电路由一个增益较大的有源低通组成，增益可调。不同人的心电

6、信号强弱不一样，考虑到有衰减，一般将该增益设为150倍。系统的传递函数为：这两个低通滤波器都要求具有低电压偏移、低温漂和低噪声特性，ADI公司的轨到轨输入输出双运放AD8607能够很好地满足这些要求。由于第二级放大器是反相端输入，所以最后得到的信号是反相的，这可以在软件中再作处理。从保护病人和提高系统的共模抑制比两方面考虑，必须将共模信号反相并放大后，再反馈给人体，这样系统和人体就共同构成了一个电压并联负反馈网络，即通常所说的右腿驱动电路。由ADuC7020对处理后的心电信号进行AD转换，选择定时器控制的

7、ADC采样模式。一次A/D转换结束，触发ADC中断，在中断服务程序中对数字信号进行处理。图3：数据处理的基本步骤。处理心电数字信号的关键是对心电信号中QRS复波的精确识别。正常人的QRS波群的宽度为0.06至0.10秒，且不受心律变化的影响。针对R波很尖锐的特点，我们通过一个滑动时间窗判断信号峰、谷是否满足要求，同时确认其是否在时间窗内。对信号幅值的阈值采用双可变阈值法，即对波形设置波峰阈值和波谷阈值。如果峰阈值和谷阈值在一段适当时间内有较大变化，则重新设置峰阈值和谷阈值。下面我们将对QRS复波定位和心律

8、计算进行讨论。对起始一段时间的信号只进行反相和滤波处理，这是为了将倒置的心电信号恢复过来，并避免信号初期的波动影响阈值。然后在一定的时期内，根据采样得到的数据设置峰阈值Thpeak和谷阈值THtrough，然后对QRS波进行定位。最后，按以下步骤(见图3)进行数据处理。读取新采样点Ni：1)判断采样的信号点幅值是否大于峰阈值Thpeak。如果不满足，则回到第1)步。2)如果满足条件，则开始计数n＝1，并记录n值为peaktim