基于ARM7 TDMI核的MCU ADuC7020的單電源心電檢測系統(tǒng)設計

本文給出的設計采用單電源供電，可以解決上述問題并降低產品成本，同時該設計還在基于ARM核的嵌入式系統(tǒng)中采用了簡單實用的算法，能快速準確定位QRS復波(即計算人的心率)。該設計面向廣大家庭用戶而設計，體積較小，只需要一臺個人電腦與之連接，便可實時地操作、觀測心電信號。  

心電信號采集系統(tǒng)的基本架構如圖1所示。人體的心電信號經電極和專用導聯(lián)線從人體送至系統(tǒng)。通過濾波和放大調節(jié)電路，微弱的心電信號被放大到合適的幅值，并處于A/D轉換范圍之內。  

系統(tǒng)的控制和數(shù)據的處理由ADI公司基于ARM7 TDMI核的MCU ADuC7020來完成。這款芯片有豐富的片內外圍電路，處理速度高達40MIPS，A/D轉換速度可達1MSPS，具有很高的性價比。最后將結果由 ADuC7020通過UART口送至計算機，由計算機通過由LabVIEW編寫的界面將結果直觀地顯示出來或存儲下來。圖2是基本的硬件電路圖。  

圖1：心電信號采集系統(tǒng)的基本架構。

   
從人體或是心電信號發(fā)生器上采集到的心電信號幅值在0.05～5mV之間(一般為2mV)，頻率在0.05Hz～75Hz之間。心電信號要經過緩沖、匹配電阻網絡、電壓放大和濾波等幾級電路。  

心電信號首先經過一個兩級的RC低通濾波電路，進入緩沖級。信號進入系統(tǒng)之前，需要除去高頻分量，因此這里設計了一個截止頻率為300Hz的低通濾波器，以保證0.05～75Hz的微弱心電信號不會被衰減。緩沖級由電壓跟隨器組成，它可以提高整個放大電路的輸入阻抗，降低輸出阻抗。為保證差分信號的一致性，應選用集成在芯片上的放大器。匹配電阻網絡通常采用威爾遜電中心端網絡，它通過特定的電阻網絡獲得威爾遜電中心端作為整個ECG系統(tǒng)的參考點。  

濾波放大電路的前級采用負反饋差分放大電路，這里使用ADI公司可調增益高共模抑制比的儀表放大器AD8221作為前級放大器。放大倍數(shù)設為8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1計算得到，其中RG是AD8221兩個RG管腳之間的電阻值。  

圖2：基本的硬件電路。

   
這個電阻應當選用高精度、低溫漂的金屬膜電阻，以保證AD8221的低噪聲性能。AD8221的REF管腳沒有接地，而是和一個低通濾波器構成負反饋回路，以便能有效地濾除直流分量，從而使U1處的電壓始終箝位在1.25V。因為是單電源供電，而不同導聯(lián)的心電信號電壓有正有負，所以一定要提供一個合適的箝位電壓。ADuC7020的AD轉換模式下電壓輸入范圍是0-2.5V，這里就選擇中間值1.25V作為箝位電壓。  
AD8221輸出的單端信號幅值非常小，其中還混有大量干擾，無法進行數(shù)據處理。后級濾波放大電路由一個增益較大的有源低通組成，增益可調。不同人的心電信號強弱不一樣，考慮到有衰減，一般將該增益設為150倍。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：  
[!--empirenews.page--]這兩個低通濾波器都要求具有低電壓偏移、低溫漂和低噪聲特性，ADI公司的軌到軌輸入輸出雙運放AD8607能夠很好地滿足這些要求。由于第二級放大器是反相端輸入，所以最后得到的信號是反相的，這可以在軟件中再作處理。  

從保護病人和提高系統(tǒng)的共模抑制比兩方面考慮，必須將共模信號反相并放大后，再反饋給人體，這樣系統(tǒng)和人體就共同構成了一個電壓并聯(lián)負反饋網絡，即通常所說的右腿驅動電路。由ADuC7020對處理后的心電信號進行AD轉換，選擇定時器控制的ADC采樣模式。一次A/D轉換結束，觸發(fā)ADC中斷，在中斷服務程序中對數(shù)字信號進行處理。  

圖3：數(shù)據處理的基本步驟。

   
處理心電數(shù)字信號的關鍵是對心電信號中QRS復波的精確識別。正常人的QRS波群的寬度為0.06至0.10秒，且不受心律變化的影響。針對R波很尖銳的特點，我們通過一個滑動時間窗判斷信號峰、谷是否滿足要求，同時確認其是否在時間窗內。對信號幅值的閾值采用雙可變閾值法，即對波形設置波峰閾值和波谷閾值。如果峰閾值和谷閾值在一段適當時間內有較大變化，則重新設置峰閾值和谷閾值。下面我們將對QRS復波定位和心律計算進行討論。對起始一段時間的信號只進行反相和濾波處理，這是為了將倒置的心電信號恢復過來，并避免信號初期的波動影響閾值。然后在一定的時期內，根據采樣得到的數(shù)據設置峰閾值Thpeak 和谷閾值THtrough，然后對QRS波進行定位。最后，按以下步驟(見圖3)進行數(shù)據處理。  

讀取新采樣點Ni：

1)判斷采樣的信號點幅值是否大于峰閾值Thpeak。如果不滿足，則回到第1)步。
2)如果滿足條件，則開始計數(shù)n＝1，并記錄n值為peaktime1。將時間窗的起始邊滑至此處。
3)繼續(xù)采樣Ni+1，每采樣一次則n＋1。
4)判斷新的采樣點Ni+1是否小于谷閾值。如果不滿足，則回到第4)步。
5)如果滿足采樣點小于谷閾值Thtrough，則記錄該點的n值為troughtime1。
6判斷這兩次滿足幅值要求的信號點時刻troughtime1和peaktime1之差是否在時間窗內，即是否小于窗寬度THtime。如果不小于THtime，則回到第1)步。
7)如果滿足，則這段信號被認為是一個QRS波群。Peaktime1就被定位為一個R波。  

有了定位的R波，就可以在此基礎上按以下步驟統(tǒng)計心率：1)找到第一個R波，并記錄n值為peaktime1；2)找到第二個R波，并記錄n值為peaktime2；3)按照以下公式計算心律。  
實踐證明，采用這種算法計算得到的心律準確率高、計算簡便、易于實現(xiàn)，并最終在PC機上觀察到心電信號波形和心律值。