微弱生理信号在多通道数据采集系统中的研究与实现

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摘要：介绍了一种基于单片机C8051F300控制的微弱生理信
号多通道数据采集终端的硬件研制。系统硬件主要包括干
' {; j& u  U4 o/ M, G9 D扰抑制电路、滤波放大电路以及单片机信号采集电路。采用
普通Ag／AgCl电极、压电陶瓷器件、热敏电阻作为传感器采
8 g/ E+ y$ f2 J* |集心电信号、脉象信号和体温信号。利用单片机对获取的清
晰生理参数信号，进行采样处理、存储和传送。实验结果表
6 `9 ~4 F6 M. ?3 n明．基于单片机C8051F300控制的微弱生理信号多通道采集
; v, J  Z$ f/ U2 L, f8 g; ^: T系统可实时采集、保存与处理心电、脉象、体温等生理信号
数据。并具有体积小、功耗低、性能稳定等优点。

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引言
3 \/ s5 D9 Z4 l, G生理参数是表征人体生命指标的最基本、最重要
- g5 k: }; C+ p+ w的参数。但目前国内的监护仪一般功能单一，多为
8 b4 I: Y& c* @: [CRT显示，体积较大，移动不方便，为了能及时有效的
4 N6 a# [) a9 T/ a对病人进行生理监控，设计一种便携式生理监护装置
. F- F' P/ Q' D) Q  ?成为一种趋势。它有利于在出现紧急情况时。对病人
& a* k% I2 Z+ H7 J' d进行及时有效的治疗和抢救处理。
针对这一思想作者设计了一种基于单片机的生
6 O4 ]" X0 m* |理信号多通道采集系统，该系统以C8051F300单片机

4 {6 v/ ^, x( t为核心，通过各种硬件电路对人体的基本生理参数如
心电、脉象、体温等进行采集、跟踪和监控，并对获取
的信号数据进行处理和传送，以点阵式液晶显示屏
% O5 W/ N8 }1 K2 TLCD最为显示屏，实现生理参数的实时跟踪与处理。
该设计监测参数多，设计紧凑、体积小，功耗低并且携
  X4 S+ T) p$ ]# {* E带方便。
1系统工作原理
( a! }8 D! y) ?9 L2 A该生理信号采集系统以C8051F300单片机
+ ^8 G# q! q. c+ I* s为核心，辅以各种电信号处理电路。通过信号检
7 [9 G, B: h! J0 N% K" O1 e测与预处理模块将微弱生理信号转换成电信号，并对
: {% V, m8 O6 m; U) I其进行干扰抑制、信号滤波放大等预处理。最后通过
" ]. V9 ]/ N% K  x" W* U数据提取与处理模块对信号进行采样、量化并显示。
& s/ p# }# r  Y. v$ Z% L. n1 u生理信号的微弱性决定了采集电路中前置放大
: T; H  J# N3 X# {; w" `器是其核心，因此对生物电放大器的前置级有下述要
6 i9 M' u  H7 b求：高输入阻抗、高共模抑制比(CMRR)、低噪声、低漂
移、高增益、动态范围大且性能稳定。在提取了生物电
信号后，模拟滤波器是信号预处理电路中的基本单
5 J3 \0 n  _6 y, J元．它实质上是一种选频电路，允许指定频段的信号
' h( p/ v3 a# N0 I9 R5 ^# X' t( Z通过，而将其余频段的信号加以抑制或使其急剧衰
减。同时，抗干扰和低噪声是生物信号测量的基本条
- z7 Q9 v) j; ?4 y6 A件，可以通过合理接地、屏蔽、去耦、系统内部干扰抑
6 o, D3 U* \5 W制等方法，减少环境和系统本身引入的干扰。采用隔
离级设计，实现人体的电气隔离，不但保障了人体的
: A6 l* z" `) k* E( U& r& G5 m" {绝对安全．而且消除了地线中的干扰电流。完成了生
理信号的采集及预处理后，由单片机进行A／D转换，
( _2 Q9 |( h! H. d& a+ }9 }及数据传输。
/ L7 r$ `7 K. e# w' X2系统结构
整个硬件电路分为模拟部分和数字部分，模拟部
分为系统实现的关键环节。设计过程中要针
8 s% X/ c9 P, A1 D- V对生物信号的自身特点，采取相应的措施，获得
& ^0 j5 K3 d5 ~! b; h. G' w高信噪比的生物电信号。系统硬件原理框图1所示。
; d( T- t' [% F. L/ @7 Q各种电极、传感器、热敏电阻完成多种生理信号
( P, l" B) @3 @2 `3 c* J的采集，放大滤波电路实现信号的去干扰及增强，单
片机承担数据的检测、存储与传输。

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