基于C8051F206的心電信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

    關(guān)鍵詞：心電；數(shù)據(jù)采集；C8051F206；A/D轉(zhuǎn)換

心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關(guān)鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為０．０５～１００Ｈｚ，幅度約為０～４ｍＶ，信號十分微弱。由于心電信號中通?；祀s有其它生物電信號，加之體外以５０Ｈｚ工頻干擾為主的電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測量條件比較復(fù)雜。為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等性能。本文利用Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和多路模擬開關(guān)設(shè)計了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

１ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及信號調(diào)理

圖１所示是一個心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖，其中心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進(jìn)行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。主放大器可將濾波后的信號進(jìn)一步放大到合適范圍后，再經(jīng)５０Ｈｚ和３５Ｈｚ陷波器濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬輸入端送入Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上ＡＤＣ，以進(jìn)行高精度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲。

１．１ 前置放大電路

前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具體電路如圖２所示。由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強(qiáng)且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設(shè)計時一般都采用差分放大電路。本設(shè)計選用儀用放大器ＡＤ６２０作為前置放大器。ＡＤ６２０輸入端采用超β處理技術(shù)，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá)１３０ｄＢ，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。其增益可調(diào)（范圍約１～１０００倍），并可由公式

Ｇ＝１＋４９．４ｋΩ／Ｒｇ

來確定。為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū)，其增益不能過大。試驗表明：１０倍左右效果較好。通過Ｕ３可將Ｒ２、Ｒ３上的人體共模信號檢測出來用于驅(qū)動導(dǎo)線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。Ｕ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｃ１構(gòu)成的“浮地”驅(qū)動電路可將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達(dá)到較強(qiáng)抑制５０Ｈｚ工頻干擾之目的。Ｕ１、Ｕ２主要用于穩(wěn)定輸入信號和提高輸入阻抗，進(jìn)一步提高共模抑制比。

    １．２ 帶通濾波及主放大電路

如圖３所示，帶通濾波由雙運(yùn)放集成電路ＯＰ２１７７構(gòu)成。ＯＰ２１７７具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內(nèi)集成了兩個運(yùn)放，可靈活組成各類放大和濾波電路。由于心電信號頻帶主要集中在０．０５～１００Ｈｚ左右，頻帶較寬，為此，采用ＯＰ２１７７的兩個運(yùn)放分別設(shè)計二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波。其中，Ｕ６Ａ、Ｃ６、Ｃ７、Ｒ８、Ｒ９構(gòu)成高通濾波器，為不損失心電信號的低頻成分，其截止頻率設(shè)計為ｆ＝１／?２π?Ｃ６Ｃ７Ｒ８Ｒ９?１／２?＝０．０３Ｈｚ。Ｕ６Ｂ、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｃ８、Ｃ９構(gòu)成低通濾波器，同樣，為不損失其高頻成分，截止頻率設(shè)計為ｆ＝１／?２π?Ｃ８Ｃ９Ｒ１０Ｒ１１?１／２?＝１３０Ｈｚ。主放大電路由ＯＰ１１７７（Ｕ７）、Ｒ１２、Ｒ１３構(gòu)成。考慮到心電信號幅度約為０～４ｍＶ，而Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換輸入信號要求１Ｖ左右，因此，整個信號電路的放大倍數(shù)需１０００倍左右。而前置放大約１０倍左右，因此本級放大倍數(shù)設(shè)計為１００倍左右，即Ｇ＝１＋Ｒ１２／Ｒ１３≈１００。

    １．３ 陷波和電平抬升電路

工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾除。常規(guī)有源陷波器的頻率特性對電路元件的參數(shù)比較敏感，因此難以精確調(diào)試，且電路穩(wěn)定性不高。而開關(guān)電容集成濾波器無需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內(nèi)時鐘頻率決定，且其頻率特性對時鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感，因而性能較穩(wěn)定。凌特公司的ＬＴＣ１０６８－５０集成開關(guān)電容濾波器內(nèi)部集成了四個獨(dú)立的二階開關(guān)電容濾波器，時鐘與中心頻率之比為５０：１，誤差為 ±０．３％?可采用±５Ｖ、５Ｖ供電。因此，配合廠家提供的ＦｉｌｔｅｒＣＡＤ濾波器設(shè)計軟件，可靈活配置成各類濾波器（低通、高通、帶通、全通等）。為較好地濾除工頻干擾，本設(shè)計利用ＬＴＣ１０６８－５０的優(yōu)點(diǎn)專門設(shè)計了一個８階巴特沃斯５０Ｈｚ陷波器，采用的時鐘信號頻率為２．５ｋＨｚ?設(shè)計電路如圖４所示。經(jīng)測試，陷波深度可達(dá)５０ｄＢ，可衰減１００倍左右，效果比較理想。

    另外，人體肌電隨著個體的差異也會對心電信號造成不同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在３５Ｈｚ左右，為此，本系統(tǒng)還設(shè)計了圖５所示的３５Ｈｚ的無限增益多路反饋型二階陷波器。該二階陷波器由Ｕ１０Ａ、Ｕ１０Ｂ構(gòu)成。其截止頻率約為３５Ｈｚ，Ｑ約為７，可符合實際要求。

經(jīng)過一系列信號調(diào)理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而本系統(tǒng)中單片機(jī)內(nèi)置ＡＤＣ轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為０～３．３Ｖ，因此，在送入ＡＤＣ之前還需進(jìn)行電平抬升，在圖５中，電平抬升部分由Ｕ１１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４構(gòu)成。

    １２通道心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各路心電信號可從人體體表不同部位獲取。由于各路信號頻率特性相同，僅波形的形狀不同，因此各路信號可采用相同的信號調(diào)理電路。

２　單片機(jī)采集系統(tǒng)的設(shè)計

２．１ 由Ｃ８０５１Ｆ２０６構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

圖６所示是單片機(jī)與信號調(diào)理電路連接框圖。其中Ｃ８０５１Ｆ２０６是Ｃｙｇｎａｌ公司出品的一種混合信號ＩＳＰ ＦＬＡＳＨ微控制器，該芯片內(nèi)含與８０５１完全兼容的高速微控制器內(nèi)核、８ｋ Ｆｌａｓｈ、４字節(jié)寬的Ｉ／Ｏ端口、硬件ＵＡＲＴ和ＳＰＩ總線、１２位高精度ＡＤＣ和多達(dá)３２通道的模擬輸入多路選擇器。每一個Ｉ／Ｏ引腳均可用軟件配置成模擬輸入端口，其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)１００ｋｓｐｓ。這些特點(diǎn)使得Ｃ８０５１Ｆ２０６非常適合作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器。根據(jù)系統(tǒng)需要，可將其端口Ｐ１．０～Ｐ１．７?Ｐ３．０～Ｐ３．３配置成１２路心電模擬信號的輸入端。此外，Ｃ８０５１Ｆ２０６還為５０Ｈｚ陷波器提供２．５ｋＨｚ時鐘信號。

    ２．２ 軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)復(fù)位方式、時鐘源、電壓基準(zhǔn)、中斷、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＡＤＣ的設(shè)置以及用交叉開關(guān)對Ｉ／Ｏ端口進(jìn)行配置，這些設(shè)置可通過設(shè)置相應(yīng)特殊功能寄存器（ＳＦＲ）來進(jìn)行，具體細(xì)節(jié)可參閱相關(guān)資料。本系統(tǒng)選擇內(nèi)部時鐘源，頻率１６ＭＨｚ，并采用內(nèi)部電壓基準(zhǔn)ＶＤＤ。由于心電信號的主要頻率范圍為０．０５～１００Ｈｚ，根據(jù)采樣定理，為了不失真地采集信號，設(shè)計時將采樣頻率定為２００Ｈｚ，即１２通道的心電數(shù)據(jù)采樣周期為５ｍｓ。為此設(shè)置ＡＤＣ轉(zhuǎn)換時鐘為系統(tǒng)時鐘的１６分頻，啟動方式采用定時器２溢出和軟件寫ＡＤＢＵＳＹ位啟動相結(jié)合的方式；轉(zhuǎn)換采用查詢方式，并通過讀控制寄存器ＡＤＣ０ＣＯＮ的ＡＤＢＵＳＹ位來判斷一次Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換的完成與否；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果采用右對齊，１２位數(shù)據(jù)結(jié)果字由數(shù)據(jù)字寄存器讀入ＦＬＡＳＨ。數(shù)據(jù)采集程序流程如圖７所示。

３　結(jié)束語

與常規(guī)設(shè)計相比，本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，特別是對５０Ｈｚ工頻干擾有較好的抑制能力，可獲取反應(yīng)心電特征及其變化規(guī)律的高質(zhì)量心電信號。設(shè)計中充分利用了高性能單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ２０６的片內(nèi)１２位ＡＤＣ資源來使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，采集的數(shù)據(jù)可靈活方便地由Ｃ８０５１Ｆ２０６的ＳＰＩ端口送入心電處理中心進(jìn)行后續(xù)分析處理。