2004年湖北省电子设计竞赛一等奖简易心电图仪

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本设计应用高精度的仪表放大器INA128组成放大电路对心
电信号进行放大，采用有源滤波电路和数字滤波等技术对
心电波形进行综合处理，实现了两路心电信号同时测量显示、
存储及回放，并配有语音提示功能。

赛题分析与方案论证
' u' l8 j7 F0 W7 }1 C- e本系统的用途是对心电信号进行检测、存储和回放。由于
# \1 n7 ?, Z  K1 B4 Z心电信号为弱信号，因此本系统对抗干扰和信号处理能力有较
高的要求。方案论证主要集中在数据采集和信号处理部分。
1 k% ^$ K/ @! m* M1. 数据采集部分
0 K) H+ k/ d" e3 d  W因为赛题已要求用20mm × 20mm 薄铜皮作为与皮肤接触的
简易电极，因此数据采集部分的方案选用主要在信号的放大部分。
关于信号放大的方案论证如下：
' Q( K9 O' F/ d（1）采用如OP07、NE5534 等低噪声，具有一定精度的普
* r/ q* ?1 J3 y& _通运算放大器来构建放大电路，但从体表采集到的信号除了人
/ O" A0 m2 K( a" |* E体心脏产生的电信号外，还包含肌电、呼吸以及50Hz工频信号
9 k# H6 L, g! X* ?等带来的干扰。其中，工频干扰引起的共模信号可能远大于心
电信号，从而影响系统对心电信号的分析，因此，CMR（共模
抑制比）是衡量心电图仪性能的重要指标之一。心电图仪要求
- [- p9 {* ?) D, p5 b: N运算放大器的CMR不小于80dB。上述两种运算放大器的共模抑
' j) t3 I& J  \5 O制能力虽能满足这个要求，但用这样的单个运放构成的电路难
7 Q; }8 Z1 \- P0 n以达到较高的CMR，故不采取此方案。
, p' h5 ]6 E( l# v# O（2）采用低功耗、高精度的仪表放大器——INA128。其具
8 y1 U% P& S" U  M7 _* Z* t有良好的共模输入抑制能力，CMR 大于120dB，而且只需外接
一个电阻就可调节增益。INA128可将毫伏级的心电信号放大成
% `; }! ^8 M: E# h$ c5 S& x( w伏级信号，便于测量。同时，INA128 对直流电源的要求低，甚
至只需2.25V的直流电源电压就可表现出色的功能特性，静态
电流只有700μA，功耗非常低。因此，在小信号放大部分我们
选择仪表放大器INA128。
) D; s- y7 n' T' T2 M$ Q% p2．心电信号处理部分
由于心电信号属于低频小信号，易受干扰，因此必须对所采
集的信号进行高通、低通、陷波处理。因此我们将心电信号处理
% @4 `0 e* _' W0 r1 Q9 u+ U部分的方案论证主要放在滤波部分。
（1）高通滤波部分
& s, q8 |+ q0 Z考虑到本系统高通滤波部分的截止频率较低，且对精度也
没有严格要求，因此选用结构和设计都十分简单的RC一阶无源
滤波，其效果不错且易于实现。
（2）低通滤波部分
9 `7 ?$ [; G0 ]8 Z  N低通滤波可选有源滤波或数字滤波。
1 d) b1 t4 Z! g- H有源滤波
$ E' V( M  @1 |①一阶滤波。其结构相对简单，且采用了集成运算放大器，
& X& ]$ H, w+ d因此具有高输入阻抗和低输出阻抗，同时由于具有缓冲作用，
滤波效果比无源滤波器好，幅频特性曲线可达到-20dB/10倍频
程，但要想实现更明显的滤波效果，此方案仍未满足要求。
4 N$ F, F) i! q) C
4 Q. [6 h- D- }: F/ \' _②二阶滤波 。它和一阶滤波采用类似的结构，但幅频特性
曲线能达到-40dB/10倍频程，滤波效果比一阶明显。
" M0 I2 d4 o: p  K9 S, l③二阶以上的高阶滤波。它是由多个一阶和二阶滤波器组
5 c8 T" u0 x% D  W% S" v- y成的，效果自然要比上述两种滤波器好，但其电路比一阶和二
阶复杂，所需电阻电容较多，而电阻电容的实际值很难与设计
  z! K* i+ W9 s要求精确匹配，有时为了匹配一个阻值需要好几个电阻串并联，
6 @7 x+ T' b5 S( ^同时由于不能避免环境因素对电阻电容的影响，因此用的电阻
电容越多，误差就越大，导致实际的滤波效果与设计时所期望
的存在一定差距。本赛题只对截止频率的精确度有要求，而对
2 d; R$ L8 [; t0 {系统的频域衰减速率未做特别要求，因此可以不必选择高阶滤
0 b$ m$ U8 E5 [- B2 n波方案。
: u, G  X' p1 e+ W! d数字滤波方案 　数字滤波的优点是参数可调节性好，可
$ a  z: w+ C% A- M; |以通过更改程序中的参数对截止频率进行精确的调节，由于参
数不会随温度等环境因素改变，从而精确度得到保证。但是数
字滤波对处理器的要求比较高，想要得到更好的滤波效果就要
求滤波器取更高的阶数，处理器时钟周期尽可能小，乘法的计
算速度尽可能大 ，一般非DSP处理器达不到要求。本系统的数
字处理器凌阳61A单片机可达到49.512MHz的时钟频率，而且
提供计数器计时中断。计数器的时钟源频率最高可以设置为24.
; _+ `' y* j1 b  w512MHz，经过分频后有多种采样频率可选。而且凌阳单片机的
汇编语言中已经有FIR算法可以直接应用，因此可以做出16阶
# {# G' K9 W1 m" W的数字滤波。虽然16阶的数字滤波器效果不是十分理想，不能
充分发挥数字滤波的性能，但可以起辅助滤波作用。
综上所述，由于本系统除了波形处理外，还要求具有数字
3 U) t0 J, |; u" p; {& A3 |# S存储和回放功能，因此本系统采用模拟、数字滤波相结合的方
( `* }6 `) C4 _6 o/ P' g案，对通过两种标准导联所采集的两路心电信号分别进行以
* }( d1 i! _8 f; A% E0 L2 ^! i100Hz 和500Hz 为截止频率的模拟低通滤波，对要进行存储的
5 k. p7 g. J9 N# W- g' [信号，在用单片机采样的同时对其进行数字滤波，截止频率可
5 A. r- O% Y8 |" c5 w" u  Z3 F设置低于50Hz，以避免工频信号干扰，使所存储回放的心电波
0 r+ V8 r3 F, W# S0 g( G% A0 k形更为清晰。
（3）陷波处理
: O' T- l( j0 B本系统要除去工频50Hz的干扰，需要对混杂在心电信号里
的50Hz信号作尽可能大的衰减处理。处理方案集中在两种：自
# v4 d  c7 z& {+ g8 X% P4 p适应相干模板法和模拟陷波法。
8 S3 q1 f% L2 t# @自适应相关模板法 自适应相关模板法利用工频干扰的相
, W5 ?) V/ J! j  b6 _% ?6 `7 u关特性， 从原始输入信号中得到工频干扰的模板， 进而从原始
输入信号中减去工频干扰的模板， 达到滤除工频干扰的目的。
但这种方法算法虽简单但程序设计比较复杂，考虑到竞赛时间
- u% L1 Z9 R8 d% Z: _' ~% z有限，故不采取这个方案。
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