谈谈心电图一种基于单片机简易心电图仪设计
最后更新时间：2024-01-27
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论文导读：是一种频率范围为0.5Hz到100Hz、幅度在10μV到5mv之间的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰、50Hz工频干扰以及各种外部高频电磁干扰等。另外，心电信号源阻抗大，一般心电信号源阻抗约为1-100kΩ。因此，如何从环境噪声中提取微弱的心电信号就是心电图仪设计的难点和重点。3硬件结构设计心电图仪选用业界极富竞争
摘要：本文设计了一种基于低功耗的MSP430单片机的简易便携式心电图仪，硬件上采用高精度仪表放大器AD620对输入的心电信号进行放大、滤波等前端信号调理，信号经过CPU初级处理后，在本地进行短时间范围的液晶显示，同时通过RS232串口有线或外置无线方式发送回后台PC机进行深度处理。该心电图仪方案结构简单、成本低廉，适合在面向日常生活中使用推广。
关键词：心电图仪 单片机 串口 MSP430F147
1007-9416（2013）05-0022-01
1 引言
心电图仪是通过检测人体的生物电信号即心电信号来发现心脏类疾病的一种辅助诊断仪器，但目前医院用的心电监护仪昂贵、维护成本高，不适合日常生活中使用。因此设计一种便携式、便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义。本文设计了一种基于单片机的低功耗简易心电信号检测仪器，具有体积小、成本低、便于携带、实用性强等特点，可用于社区医疗服务、个人家庭保健等场合。
2 系统原理
心电信号是人体心脏工作产生的生物电流，其原理是在身体表面不同部位产生不同电势，并且随心跳的节律呈现规律性的升降变化；心电图（ECG）通过电极将变化着的电位差检测并记录下来的图；顾名思义，心电图仪就是测量并记录心电图的仪器。通常人的心电信号是一种频率范围为0.5Hz到100Hz、幅度在10μV到5mv之间的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰、50Hz工频干扰以及各种外部高频电磁干扰等。另外，心电信号源阻抗大，一般心电信号源阻抗约为1-100kΩ。因此，如何从环境噪声中提取微弱的心电信号就是心电图仪设计的难点和重点。
3 硬件结构设计
心电图仪选用业界极富竞争力的低功耗单片机TI公司的MSP430系列MSP430F147微处理器，整个系统由CPU模块、前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路、串口通信、按摘自：学术论文网www.7ctime.com
键输入和液晶显示屏、锂电池电源等模块构成（图1）。TI公司的CPU芯片和模数转换芯片都具有低功耗、小尺寸、高精度、性能稳定等特点，尤为适合医疗设备等小信号、移动式测量仪器。（如图1图2）
硬件系统设计的难点和核心是两级放大中的前级放大电路和带通滤波电路。考虑到来自导联电极的心电信号的干扰中，以共模噪声形式存在的50Hz工频干扰信号最大，为有效地消除输入电路不对称而引起的电压分配效应所产生的共模干扰，这里采用两个OPA2131构成右腿驱动电路，同时采用共模抑制比高的高精度仪表放大器AD620，这样就能将输入回路噪声抑制，并将心电放大器（含屏蔽导联线）的共模抑制比提高到1000倍以上。对于带通滤波器，由于心电信号主要能量成分集中在0.5Hz到100Hz频带内，这里采用先高通后低通滤波的方法来得到较为平滑的心电波形图。对于高通滤波器，考虑到非线性及滤波器滚降特点，这里将截止频率设置为0.05Hz，采用高通负反馈滤波器进行隔直和低通滤波，用RC一阶无源滤波来实现；低通滤波器则将高频截止频率选择100Hz，滤波器具有较好的线性相位特性。
4 软件系统设计
软件采用单片机顺序编程思想，程序流程如图2所示。在仪器开机上电后，程序在对CPU和AD转换器进行初始化后，就进入到主循环来采集、显示和传输心电数据。
数据预处理是利用数字信号处理技术对心电信号做进一步的滤波、抗干扰以及压缩处理；数据显示是在128*64点阵的液晶屏上进行绘逐个心电信号的显示，并支持汉字显示；数据上传是指利用RS232有线或者带RS232接口的外置无线GRPS模块，将数据传回到后台PC机，这里波特率采用9600，1位开始位、8 位数据位、1位停止位和1位偶校验位。
5 结语
本文利用低功耗单片机设计了一个简易便携式心电图仪，尽管测试精度和医的心电图测试仪器有一定差距，但有着后者无法比拟的低成本和可移动性等特性，具有较高的性价比。随着微电子和嵌入式技术的快速发展，基于此原型的功能更强大的、带智能诊断功能以及远程医疗的下一代心电图仪也是目前研究和开发的热点。
6 致谢
本文得到了2013年湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目和湖南省普通高校教学改革研究项目“信息技术类课程的教学改革与实训技能的培养”（2012-40论文导读：edianFilterandDiscreteWeletTranormProceedingsofEMBC’1
参考文献
谢建华，刘海波，刘瑞芳.基于ARM Cortex-M3的动态心电图机设计.吉林大学学报：信息科学版，2012（3）.
霍铖宇，宁新宝，卞春华等.基于嵌入式技术的便携式心电监护仪.计算机工程，2008，34（17）：222-224.
[3]Hao Weituo.ECG Baseline Wander Correction by Meanmedian Filter and Discrete Welet Tranorm[C]Proceedings of EMBC’11.Boston，USA：IEEE Press，2011.
摘要：本文设计了一种基于低功耗的MSP430单片机的简易便携式心电图仪，硬件上采用高精度仪表放大器AD620对输入的心电信号进行放大、滤波等前端信号调理，信号经过CPU初级处理后，在本地进行短时间范围的液晶显示，同时通过RS232串口有线或外置无线方式发送回后台PC机进行深度处理。该心电图仪方案结构简单、成本低廉，适合在面向日常生活中使用推广。
关键词：心电图仪 单片机 串口 MSP430F147
1007-9416（2013）05-0022-01
1 引言
心电图仪是通过检测人体的生物电信号即心电信号来发现心脏类疾病的一种辅助诊断仪器，但目前医院用的心电监护仪昂贵、维护成本高，不适合日常生活中使用。因此设计一种便携式、便宜且实用的心电监护仪器具有重要意义。本文设计了一种基于单片机的低功耗简易心电信号检测仪器，具有体积小、成本低、便于携带、实用性强等特点，可用于社区医疗服务、个人家庭保健等场合。
2 系统原理
心电信号是人体心脏工作产生的生物电流，其原理是在身体表面不同部位产生不同电势，并且随心跳的节律呈现规律性的升降变化；心电图（ECG）通过电极将变化着的电位差检测并记录下来的图；顾名思义，心电图仪就是测量并记录心电图的仪器。通常人的心电信号是一种频率范围为0.5Hz到100Hz、幅度在10μV到5mv之间的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰、50Hz工频干扰以及各种外部高频电磁干扰等。另外，心电信号源阻抗大，一般心电信号源阻抗约为1-100kΩ。因此，如何从环境噪声中提取微弱的心电信号就是心电图仪设计的难点和重点。
3 硬件结构设计
心电图仪选用业界极富竞争力的低功耗单片机TI公司的MSP430系列MSP430F147微处理器，整个系统由CPU模块、前置放大、后级放大、滤波电路、电压抬升电路、串口通信、按摘自：学术论文网www.7ctime.com
键输入和液晶显示屏、锂电池电源等模块构成（图1）。TI公司的CPU芯片和模数转换芯片都具有低功耗、小尺寸、高精度、性能稳定等特点，尤为适合医疗设备等小信号、移动式测量仪器。（如图1图2）
硬件系统设计的难点和核心是两级放大中的前级放大电路和带通滤波电路。考虑到来自导联电极的心电信号的干扰中，以共模噪声形式存在的50Hz工频干扰信号最大，为有效地消除输入电路不对称而引起的电压分配效应所产生的共模干扰，这里采用两个OPA2131构成右腿驱动电路，同时采用共模抑制比高的高精度仪表放大器AD620，这样就能将输入回路噪声抑制，并将心电放大器（含屏蔽导联线）的共模抑制比提高到1000倍以上。对于带通滤波器，由于心电信号主要能量成分集中在0.5Hz到100Hz频带内，这里采用先高通后低通滤波的方法来得到较为平滑的心电波形图。对于高通滤波器，考虑到非线性及滤波器滚降特点，这里将截止频率设置为0.05Hz，采用高通负反馈滤波器进行隔直和低通滤波，用RC一阶无源滤波来实现；低通滤波器则将高频截止频率选择100Hz，滤波器具有较好的线性相位特性。
4 软件系统设计
软件采用单片机顺序编程思想，程序流程如图2所示。在仪器开机上电后，程序在对CPU和AD转换器进行初始化后，就进入到主循环来采集、显示和传输心电数据。
数据预处理是利用数字信号处理技术对心电信号做进一步的滤波、抗干扰以及压缩处理；数据显示是在128*64点阵的液晶屏上进行绘逐个心电信号的显示，并支持汉字显示；数据上传是指利用RS232有线或者带RS232接口的外置无线GRPS模块，将数据传回到后台PC机，这里波特率采用9600，1位开始位、8 位数据位、1位停止位和1位偶校验位。
5 结语
本文利用低功耗单片机设计了一个简易便携式心电图仪，尽管测试精度和医的心电图测试仪器有一定差距，但有着后者无法比拟的低成本和可移动性等特性，具有较高的性价比。随着微电子和嵌入式技术的快速发展，基于此原型的功能更强大的、带智能诊断功能以及远程医疗的下一代心电图仪也是目前研究和开发的热点。
6 致谢
本文得到了2013年湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目和湖南省普通高校教学改革研究项目“信息技术类课程的教学改革与实训技能的培养”（2012-40论文导读：edianFilterandDiscreteWeletTranormProceedingsofEMBC’1
1.Boston，USA：IEEEPress，201上一页12
1-80）的支持，并得到了邓月明老师和胡强老师的指导。参考文献
谢建华，刘海波，刘瑞芳.基于ARM Cortex-M3的动态心电图机设计.吉林大学学报：信息科学版，2012（3）.
霍铖宇，宁新宝，卞春华等.基于嵌入式技术的便携式心电监护仪.计算机工程，2008，34（17）：222-224.
[3]Hao Weituo.ECG Baseline Wander Correction by Meanmedian Filter and Discrete Welet Tranorm[C]Proceedings of EMBC’11.Boston，USA：IEEE Press，2011.