簡(jiǎn)易心電圖儀的設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展和物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)健康的重視程度與日劇增，特別是近年來(lái)社會(huì)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(shì)，提高預(yù)防和監(jiān)測(cè)該疾病的手段勢(shì)在必行。而心電信號(hào)檢測(cè)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(hào)檢測(cè)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(hào)放大部分
    心電信號(hào)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(jiǎn)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(hào)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(duì)心電信號(hào)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(jí)濾波。因?yàn)榻?jīng)過(guò)放大的心電信號(hào)，主要存在肌電等干擾信號(hào)，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(hào)。
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(hào)的采集、處理、存儲(chǔ)?？珊?jiǎn)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(hào)采集部分和信號(hào)處理部分。信號(hào)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(hào)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(dòng)電路來(lái)提高前置放大的共模抑制比。

2．2 中間級(jí)放大電路
    中間級(jí)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(guò)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(guò)測(cè)試輸入信號(hào)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(hào)通過(guò)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(yǔ)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(cè)試
    對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。
4．1 電壓放大倍數(shù)的測(cè)試
    測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試嘲
    選擇放大倍數(shù)為1 000通道，將心電信號(hào)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(hào)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

4．4 人體心電信號(hào)測(cè)試
    讓被檢測(cè)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(cè)試得心電信號(hào)如圖7所示。

5 結(jié) 語(yǔ)
    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(hào)的處理、存儲(chǔ)、回放，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮了軟件編程方便靈活的特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)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(cè)試，基本能夠滿足制作要求。該系統(tǒng)把心電信號(hào)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)。