簡易心電圖儀的設(shè)計(jì)

隨著社會的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對健康的重視程度與日劇增，特別是近年來社會老齡化的加劇，而且每年心血管疾病的發(fā)病率也不斷上升。目前心血管疾病成了威脅人類生命的主要疾病，心臟病已經(jīng)成了世界上死亡率最高的疾病。鑒于這種嚴(yán)峻形勢，提高預(yù)防和監(jiān)測該疾病的手段勢在必行。而心電信號檢測是發(fā)現(xiàn)心臟病的最直接手段，但目前醫(yī)院用的心電監(jiān)護(hù)儀價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，患者檢查的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重，不能做到隨時(shí)隨地都能檢查。因此設(shè)計(jì)一種便攜式、價(jià)格便宜且實(shí)用的心電監(jiān)護(hù)儀器具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于以MSP430F2274為處理器的可以隨時(shí)隨地都能觀察心電信號檢測儀，它具有體積小、成本低、便于攜帶、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 心電信號放大部分
??? 心電信號大約為50μV～4 mV，須進(jìn)行放大才能在示波器上觀察。心電圖(ECG)儀的前置放大在整機(jī)中處于非常重要的地位，決定了整機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，要求噪聲低、共模抑制比盡量可能高。
??? 采用低噪聲、低功耗，有良好的共模輸入抑制能力的儀表放大器INA2331。INA2331可單電源工作，也可以雙電源工作，可用兩個(gè)外部電阻靈活地設(shè)定增益，達(dá)到電壓放大倍數(shù)200，500，1 000的指標(biāo)要求，簡化了電路的設(shè)計(jì)，達(dá)到較好的效果。
1．2 濾波器部分
??? 由于心電信號易受噪聲的干擾，且主要能量成分集中在0．05～1 00 Hz 頻帶內(nèi)，所以本系統(tǒng)用濾波的方法對心電信號做進(jìn)一步的降噪處理，抑制外界干擾，從而得到較為平滑的ECG波形。為了提高濾波的效果，采用兩級濾波。因?yàn)榻?jīng)過放大的心電信號，主要存在肌電等干擾信號，將其送到由0．05 Hz高通濾波器和500 Hz／100Hz低通濾波器組成帶通網(wǎng)絡(luò)，濾除有效頻帶以外的信號。
1．3 控制器部分
??? 采用TI公司的MSP430F2274作為系統(tǒng)控制器。MSP430系列的單片機(jī)是具有低功耗的16位處理功能的微控制器。MSP430F2274內(nèi)部設(shè)有10位的ADC，可方便地實(shí)現(xiàn)心電信號的采集、處理、存儲。可簡化整個(gè)硬件電路和提高系統(tǒng)的性價(jià)比。
1．4 系統(tǒng)組成?
??? 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可分為心電信號采集部分和信號處理部分。信號處理部分以MSP430F2274為處理器，擴(kuò)展了液晶顯示、按鍵。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 前置放大電路
??? 圖2為心電信號放大電路，儀表放大器INA2331增益G與外接電阻的R1，R2的計(jì)算公式為：

???
??? 設(shè)計(jì)要求電壓放大倍數(shù)(三檔)：200，500，1 000，因此只需改變外接電阻的大小就能實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)的選擇。此外還采用OP07組成的右腿驅(qū)動電路來提高前置放大的共模抑制比。

2．2 中間級放大電路
??? 中間級放大電路采用的也是儀表放大器INA2331，電路如圖3所示。

2．3 低通濾波電路
??? 采用MAX291CPA，通過改變電容值實(shí)現(xiàn)了500 Hz／100 Hz濾波器電路，各元件參數(shù)值如圖4所示。通過測試輸入信號的頻率達(dá)到100 Hz時(shí)，此時(shí)衰減為3 dB。
2．4 高通濾波電路
??? 如圖5所示為0．05 Hz的高通濾波電路。0．05 Hz以下的信號通過時(shí)被衰減，從而實(shí)現(xiàn)濾波。低頻截止頻率由R1，C1確定，其計(jì)算公式為：

???
代入數(shù)值計(jì)算得：fc=0．05 Hz。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，在MSP430仿真軟件IAR Embedded Workbench上完成了單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)功能。主程序流程圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試
??? 對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際的測試。
4．1 電壓放大倍數(shù)的測試
??? 測試結(jié)果如表1所示。
??? 結(jié)果分析：系統(tǒng)的放大倍數(shù)在±5％的范圍內(nèi)。
4．2 低通濾波器測試
??? 理論計(jì)算截止頻率為500 Hz，輸入峰峰值為7 mV的正弦波，頻率調(diào)節(jié)范圍為50～550 Hz，用示波器測量輸出電壓值，所得數(shù)據(jù)如表2所示。

4．3 共模抑制比的測試嘲
??? 選擇放大倍數(shù)為1 000通道，將心電信號放大器兩輸入導(dǎo)聯(lián)線的短接，并輸入頻率為100 Hz正弦信號測量結(jié)果如表3所示。

4．4 人體心電信號測試
??? 讓被檢測人員靜臥，將電極安裝在相應(yīng)的部位，在電極安裝前用醫(yī)用酒精涂抹在電極放置部位，清潔皮膚表面，以減小電極接觸電阻。測試得心電信號如圖7所示。

5 結(jié) 語
??? 本系統(tǒng)以MSP430F2274芯片為核心部件，充分利用單片機(jī)的集成資源，包括A／D、閃存FLASH和計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)心電信號的處理、存儲、回放，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮了軟件編程方便靈活的特點(diǎn)。同時(shí)對系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)、-3 dB高頻、低頻截止頻率、共模抑制比等進(jìn)行測試，基本能夠滿足制作要求。該系統(tǒng)把心電信號的采集、分析和顯示集成于一體，而且系統(tǒng)體積小，成本低，便于攜帶，實(shí)用性強(qiáng)。