便携式心电监护仪设计

　　摘要：在对心电信号采集、处理技术研究的基础上，结合MSP430F149单片机设计了一个低功耗、实时的便携式心电监护系统。首先通过硬件电路实现心电信号采集、放大、滤波、去噪，然后借助于MATLAB实现心电信号数字滤波、去噪的仿真，最后对单片机编写程序运行调试，主要完成心率测试、心电图记录以及简单分析等功能。

　　1 系统总体设计

　　心电信号是很微弱的生理信号，容易受到周围环境的干扰。为了使心电图更加准确、清晰，系统采用模拟滤波与数字滤波相结合的方式处理心电信号。通过心电极采集心电信号，采集的心电信号经过输入缓冲电路进入前置放大器。前置放大器放大后，信号进入处理电路，在处理电路中，先后经过高通、低通、50Hz陷波、后级放大、电平抬升、施密特触发器，最后进入单片机中处理。在单片机处理之前，借助MATLAB仿真平台，先对美国麻省理工学院提供的研究心律失常的数据库(MIT-BIH)中的ECG信号进行FIR滤波以及陷波处理，并获得最佳数字滤波器的C程序代码。然后通过编程控制单片机，完成如下功能：定时、中断、测心率、AD转换、采样、数字滤波、去噪、显示心电图、简单分析。系统总体设计框图如图1所示。

　　2 系统硬件设计

　　医用大型的心电设备可使用多种导联方式获取心电信号，而且获取的各种信号均可通过显示器实时显示。考虑到便携式设备使用要方便，所以系统采用标准导联采集一路心电信号，也就是通过三条电极获取心电信号。考虑到心电信号的特点，硬件电路部分要满足以下几个要求：

　　(1)增益。正常心电信号的幅值范围在10μV-4mV，典型值为1mV。而心电放大器增益的常规设计要求输入为1mV时，输出电平要达到1V左右，所以心电放大器的放大倍数要为1000倍左右。

　　(2)频率响应。心电信号的频谱范围为0.05-100Hz，频谱能量主要集中在0.05-40Hz之间，所以，频带范围至少要为0.05-40Hz。因此要设计带通滤波器来压缩通频带。

　　(3)高输入阻抗。通过心电极片获取的心电信号是非常微弱的，而人体又是一个很大的源阻抗，所以必须提高放大器的源阻抗，以保证增益的稳定性。

　　(4)高共模抑制比。电极片与皮肤接触以及市电的干扰都会引起共模干扰，如果不设计高的共模抑制比电路，微弱的心电信号就会被淹没。

　　(5)低噪声、低漂移。由于增益很高，噪声和漂移也会影响心电信号的采集。所以为了获取高质量心电信号，要采用低噪声元件，设计低温漂电路。

　　(6)高安全性。任何仪器的使用都要把人体的安全作为重要指标，要避免人体触电。

　　2.1 输入缓冲电路及前置放大电路设计

　　在整个电路设计中，输入端电路采用缓冲级电路。而在信号放大上，采用两级放大的方法。输入缓冲电路可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。前置放大电路采用AD620作为核心器件。

　　AD620具有如下特点：

　　(1)AD620低成本、高精度、输入阻抗高、共模抑制比高，仅需改变电阻Rg(图2的R6)即可实现放大增益在1-1000之间变化;