心率检测系统的设计论文

心率检测系统的设计论文，ti杯电子设计大赛优秀论文右手接至低通前置放大电路滤波器输左手入端共模电压右腿驱动屏蔽动右腿退导联屏蔽线图2前置放人电路框图1)前賢放大调理针对心电信号高增益,高输入阻抗,高垬模抑訇比,低噪声,低漂移和合适带宽的采集要求,采用仪表放大器,以获得良好的综合性能。所以采用仪用放大器AD620只要用只外接电阻便可设置放大器的增益,增益G为494人R2)右腿驱动电路将右腿连接到一个辅助的运算放大器的输出端,把混杂于原始心电信号中的共模噪声提取出来,经过一级倒相放大后,再返回到人体,使它们相互叠加,从而减小人体共模干扰的绝对值,提高信噪比。本电路采用高精度运算放大器O217。通过这个负反馈结构,可大大抑制测量过程屮前置敚大器输入端共模电压的影响。此外,右腿驱动电路还可以提供电气上的安全性。3)屏蔽驱动电路屏蔽驱动器是一个同相电压跟随器,将放大器的输出端和屏蔽相连,将屏蔽线和地隔开,并且对于50Ⅳz的共模干扰信号来说,从人体输入的两路信号是相等的导联线和屏蔽线之间的电压差为0,从而消除了其间的电容,提高了输入电路的阻抗,降低人与地之间的漏电流。如图3所小220kTT1点2R图3带屏蔽驱动、右腿驱动的前置放大调理电路经过前置放大器后心电信号被放大的倍数为49.4KG=1+51IK∥(24.9K+24.9K)(2)高通滤波电路的设计电极与皮肤表面之间容易产生直流偏压,为了消除这部分的干扰,需要采取高通滤波电路图4所示予以滤除,其截止频率为≈0.5Hz2丌√RR,CC22x√22X×47K×101×10U4BQPZITT图4二阶高通滤波电路(3)低通滤波电路的设计噪声来源一类是各种电子设备辐射出的高频噪声,一类是市电的50z噪声。通常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到滤波器。低通滤波器(电路图如图5)通常情况下截止频率选择在100Hz以下。低通截止频率为2兀√RR1CC42√24K×24K×0.047×Dm≈100H2T745TQP2171图5二阶低通滤波电路(4)50Hz陷波电路的设计为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz干扰34,需用带阻滤波器加以抑制。我们采用心电测量没备当前普煸采用的双T陷波电路滤除工频干扰,其参数计R算公式为:2可C其中f为滤去频率,如图6所小。USD图650Hz陷波电路(5)后置放大电路及抬升电路的设计因为wsP430F169模数转换器的范围为0~2.5V,所以要对采集的心电信号进行拾升如此在实现后置放大的过程中,既要考虑信号中平的提升,又要实现信号的放大。放大器芯片用INA217。具体电路如图7所示图7后置放大发抬升电路放大倍数为:G=110K10KRIK抬升电路有对放大信号拾升了1.25V(6)电源电路的设计电源电路的设计是由电平转换器760,线性调节器MX8511,电压基准REF3025及电池盒组成,如图8所示电源电路图8电源电路31.3元件的布局和PCB板的设计在PCB板中,包含多种类型的电路,为了避免各部分电路中信号相互耦合而生千扰,对不同类型的电路部分进行分离布局是PCB板设计的一个基本原则。各部分之间不仅应保持相当距离,还要分开走线。电源系统的布线包括电源线VDD和地线vSs的布线,是系统抗干扰的个重要部分。VDD和wSS应尽可能扩大面积,以防止因电磁能量较强而产生电磁干扰能量的发射,这也是保证高频信号到地之间具有低阻抗的措施3.2软件设计软件设计的关键是对MSP430F169的控制以及LCD显示。所有软件均采用C语言绽写。软件实现的功能是QRS波检测并算出心率,LCD显小波形以及SD卡存储3.2.1软件流程系统软件部分流程图9如下所示,开关按键按下后,屏幕显示L0GO图(江苏省TⅠ杯电子设计大赛),通过对各模块的初始化后,由中断定时服务实现对心电信号QRS波检测,心率计算,波形回放。系统初始化A/D采集LCG0显示N按键显示模块初始化<键1键2键3实时显示储存显示波形叫放定时中断服务图9系统总体软件流程3,2,2MsP430Fl69MSP430单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念,其时钟系统提供了丰富的软硬件组合形式。它包括一个片内DC0和两个晶体振荡器,可以产生三种系统适用的时钟信号,支持六种工作方式,有五种低功耗模式,可以通过软件对內部时钟系统进行不同设置来控制芯片,使它处丁不同工作方式,从而使整个系统达到最低的功耗并发挥最优的性能,所以该单片机非常符合设讣要求。利用芯片内臀的自动扫描功能,ADC可以不需要中央处理器的协助而独立地工作,从而让处理器厶执行其亡操作或进入省电工作模式。当CPU接收心电信号的指令时,启动ADC经端凵6进入ADC进行模/数转换,转换的结果被自动存放在相应通道的寄存器中,进行液晶显小MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先,MsP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在lMHz的时钟条件下运行时,芯片的电流会在200400uA左右,时钟关断模式的最低功耗只有0.1uAa其次,独特的时饣系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统:基本时钟系统和锁频环(LL和ILL)时钟系统或υO数字振荡器时钟系统。使用两个晶体振荡器,由系统时钟系统产生(PU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以冇指令的搾制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。323QRS波检测程序系统由级联的低通和高通滤波器构成的。这种滤波器能分离中心频率在10Z处的QRS成分,削弱了具冇低频特征的基线漂移,同时也削弱了与干扰冇关的高频分量。下一步处理就是进行微分,这是一个找出高斜率的标准方法,而高斜率通常能将QRS复波与其他的EG波形区分开来。将信号采样点进行取绝对值运算。使数据在后续微分前为正值,同时增强了微分处理后信号屮的髙频分量,这些高频分量通常就是QRS复波的特缸。本系统的QRS波群检测釆用移动窗口积分算法来实现,波形检测及分析系统流程佟如图10所示开始预处理(确定阈值)检测QRS波群在波群中寻找R点更新RR样板,计算RR间期、心率诊断分析图10波形检测流程图324LCD显示程序HG19264是一款图形液晶显示馍块。为了保证显示的及时性与连续性,同时不能超岀单片机速度限制和程序容量限制,波形曲线的画法采用逐点画直线的方式实现,即相邻两点之冋釆用画一条直线,虽然波形稍有失真,但可以保证速度。对显示曲线的线宽、线形等也不予设置以节省CPU的计算量。生成直线的算法中,乂有逐点比较法和数值微分法等,而各种算法的计算量又与具体显示设备和显示数据有关系。木系统采用了192×64点阵的显示器,屏幕比铰小;同时由于数据在X轴方向的增长是一种固定关系,直线的长度最大为64点(Y轴方向),且只存在从左下到右上和从左上到右下两种情况。绎过理论分析与试验验证,我们采用了改进的数值微分算法,即直线每向下一步,按照要画直线的斜率计算下一点的位置,这样一步步逼近直线。X方向主动递增时的公式:y,=y2+2x其中:dy/dx为要画直线的斜率;xi为X方向增量;yi为Y方向坐标点。所有值采用整数运算,以达到节省计算量的目的,缺点是图形失真度较人。流程图(如图11)如下画线开始B判断走向Ⅹ方递增Y方向递增按照算法在X按照算法在Ⅹ或Y方向前进Y方向前进终点终画线结束图11画直线流程图3.2.5SD卡存储程序采用SPI接口,直接对文进行读写,通过中断处理程序,即对QRS波的检测,每检测到一个R波,指示灯亮。然后计算心电心率,实现储存和回放功能。SD卡每次只存取组心电信号。4作品性能测试与分析4.1静止状态下测定被测对手测实时心率显示象20s30s40s50s60s平均值79798377797979.87072727768708080808179.6说明:本系统存在阈值时间,在16s后能较准确地反腴人体心率,所以选择20s以后每隔10s为数据采集时刻;利用人工手测心率,在记均数时会产生一定的偏差;测量时外界些干扰对人体心率的测定也会产生影响;通过将各时刻心率显示的数值求平均值,以减小误差。4.2运动后测定被测|手测心实时心率显示对象率20s30s40s50s60s平均值l13l1810810610411011210210412610292103.8说明:运动后心跳加快,心夲明显增高,但随着测试时间的增加,心跳减慢心率逐渐降低。4.3结果分析经过对静止状态和运动后状态下的测定的结果的分析,发现本系统能较好地测定人体心率,并且误差较小5总结与展望本系统(实物图如图12〕结构简单,性能稳定,由电池供电,便于随身携带,可在任何时间任何地点进行检测。还可以进一步提高软硬件的设计精度,克服运动过程中基线漂移的影响,实现对剧烈运动过程中的人休进行检测。随着电子信息技术及无线遥测技术的迅速发展,便携式无线牛理参数测量设备的研制已经成为可能。然而,由于价格原因,目前还未得刭普及。通过对人体心率检测系统的进一步研究,减少成本,便携式的无线信号采集系统装置必将有一天走出实验室,成为人们身边必不可少的健康工具。图12实图参考文献[1沈建华杨艳琴,翟骁曙,利尔达MSP430系列16位超低功耗单片杌原理与应用.北京:清华大学出版社,2004[2]吴水才,林家瑞,邓云东.一种心电和心室晚电位综合采集电路的设计.中国医疗器械杂志,2000.24(1)3 A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection. Texas Instruments Application Report. 2000「4]梅铁民,虞闯.心电信号中50Hz十扰的消除.沈驲工业学院学报,2000,19(2)附录一:系统I0G0实拍照片10