简易心电图仪（江汉大学参评）1

简易心电图仪（江汉大学参评）1
简易心电图仪
指导教师：操长茂、吴幼芬
队员及年级：易淑华、胡苗苗、曹鹏 (专科组，2006 级)
学校与院系：江汉大学高等职业技术学院
摘要: 本系统以TI 公司的高精度仪表放大器INA2331 和低功耗MSP430 单片机为核心，实现了两路心电信号的采集、存储和显示。

设计采用右腿驱动电路和高通负反馈滤波器等抑制干扰措施，提高了放大器的共模抑制比；选用内部资源丰富的MSP430 单片机和液晶显示器LCD 实现了心电信号的存储和回放。

结果表明系统各项技术指标达到了设计要求，具有低功耗低成本的特点。

Abstract ：The system which takes the high-precision instrumentation amplifier INA2331 and low-power MSP430 MCU as the core has realized two_channel ECG’s detection, storage and display。

It adopts a right-leg -driven circuit、a high-pass filter with reverse feedback and so on，which makes the CMRR of the preamplifier higher 。

By adopted the inner resourceful MSP430F449 single chip and LCD the ECG can be recorded and playbacking demonstrated。

The results indicate that the major technical specifications of the system meet the design requirements, The system has the following features, such as low-power、and low-cost。

1、方案设计
1.1 理论分析及芯片选用依据
人体心脏工作产生的生物电流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，通过电极将变化着的电位差检测并记录下来就是心电图（ECG）。

心电信号是一种带宽为0.05Hz 至 100Hz（有时高达 1kHz），幅度在10μV~5mv 的微弱交流信号，并且混杂有人体生物电干扰以及各种外部电磁干扰。

如何从
环境噪声中提取微弱的心电信号是设计的难点和要点。

低成本低功耗便携式简易心电图仪是本设计的最大考量。

它顺应了保健电子产品设计的发展趋势。

系统采用常见电池供电，能采集标准导联方式I 或II 心电信号，通过放大、滤波得到模拟心电信号（ECG），并能利用液晶实时显示或存储回放ECG 波形。

本系统主要需要以下几种功能的芯片：仪用放大器、通用运算放大器，微型单片机，以及A/D，D/A 转换器。

为此，在选择用于本系统的集成芯片（IC）时，低功耗、小尺寸、高精度、性能稳定的芯片就是选用的目标。

TI 公司的相关芯片可满足对系统的要求。

其中INA331 仪用放大器系列是轨对轨输入与输出的高性能、低成本、高精度仪表放大器。

它们是真正的单电源仪表放大器，具有极低DC 误差和超出正轨与负轨之外的输入共模范围。

这些特性使其适用于从通用到高精度的各种应用范围。

其出色的长期稳定性与极低的1/f 噪声可确保产品在整个使用寿命期内都具有较低的失调电压与漂移。

主要参数如下：低失调电压：100 μV（最大值）、低失调漂移：0.4 μV/°C（最大值）真正的轨至轨I/O ，电源范围：单个+2.7V 至+5.5V 的电源。

OPA335 系列 CMOS 运算放大器采用自动归零技术，同时可提供极低的失调电压（最大值为5μV），而且随着时间和温度的变化，漂移接近于零。

这些微型的高精度、低静态电流放大器具有较高的输入阻抗及轨至轨输出摆幅。

可使用单电源或双电源，电压可低至+2.7V (±1.35V)，高至+5.5V (±2.75V)。

该系列运算放大器针对低电压、单电源操作进行了专门优化。

MSP430F149 是TI 公司推出的一款低电源电压范围（1.8V～3.6V）的低功耗16 位单片机。

该芯片内含60Kbyte 的Flash EPROM 以及2KByte 的RAM。

有一个性能齐全的基础时钟模块，包括一个数据控振荡器（DCO）和两个晶体振荡器。

另外还包括硬件看门狗、三个捕获/比较寄存器的16 位定时器Timer_A3、七个捕获/ 比较寄存器的16 位定时器Timer_B7、8 通道12 位A/D 转换器ADC12 和两个串行通信接口等。

特别值得一提的是其低功耗应用。

采用外接低速晶
振32768Hz 产生
准确的定时信号和设置异步握手通信波特率，而A/D 转换及运行使用内部数控振荡器产生的速度较快的400kHz 时钟信号，其功耗小于3mA×3.3V。

本系统设计使用常见的五号两节镍氢、碱性或普通干电池供电，选用上述几
款芯片设计。

1.2 设计方案论证
分析可知，简易心电图仪系统主要包括输入回路、前置放大模块、后级放大模块、滤波网络模块以及存储回放等模块。

设计重点在于前置放大模块，和滤波网络模块和数字化存储回放部分。

方案论证主要围绕这三部分展开。

1.2.1 输入回路噪声抑制设计
来自导联电极的心电信号混有主要包括人体肌电呼吸等生物噪声、电极接触噪声、工频50Hz 信号及其谐波等干扰；以及其它电子设备机器噪声及外界高频电磁干扰等噪声，其中工频50Hz 干扰信号较强，主要是共模噪声。

按照设计要求，皮肤接触电极到分别通过1.5m长的屏蔽导联线与前置放大器相连接。

由于信号线对屏蔽线的输入电容不完全对称，造成共模电压的不等量衰减，使得包括导联在内的放大器共模抑制比降低，从而使系统抑制干扰的能力下降。

其中工频干扰引起的共模信号可能远大于心电信号，其影响尤为严重。

而由于工频干扰频谱与正常心电信号混杂，又不宜采用工频陷波器滤除。

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，采用屏蔽驱动和右腿驱动电路。

从输入导联取出的共模电压送入屏蔽层（屏蔽层不接地）；同时送到右腿放大器反向放大，经一个限流电阻接到右腿电极，即等效为以人体为相加点的电压并联负反馈电路。

抑制了共模干扰进入后续电路。

为更好的抑制工频干扰，可以在右腿驱动电路加入低通滤波电路。

满足将心电放大器（含屏蔽导联线）的共模抑制比提高到80dB 的指标要求。

该电路采用OPA335 实现。

1.2.2 前置放大模块
前置放大模块在整机中处于非常重要的地位，其性能决定了整机的主要技术指标。

前置放大模块应满足高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的要求。

1394dB
采用单电源工作的仪表放大芯片INA2331。

其内部集成有两个共模抑制比可达的仪用放大电路，可以同时满足两路微弱信号的采集要求，而且只需外接两个电阻可调节增益，增益从5~1000 倍可调。

同时该芯片对电源的要求低，2.7V 的电源电压就可表现出良好的功能特性，静态电流只有400uA,功耗极低。

输入阻Ω
，适用于10KHz 以内信
号的放大。

考虑到电极接触噪声产生的直流极化电压（尤其使用普通铜皮作为接触电极时），电极的极化电压是个差模信号，可能会造成运放的饱和。

可以利用INA2331 的REF 端进行输出偏移调零。

虽然提高放大器的第一级增益有利于降低输出噪声，但考虑到极化电势的影响，仪表放大电路增益不应太大。

1.2.3 滤波网络模块
由于心电信号易受噪声干扰，且主要能量成分集中在0.05Hz~100Hz 频带内，所以本系统采用滤波的方法对心电信号作进一步的降噪处理，抑制外界干扰，从而得到较为平滑的心电图波形。

滤波电路的设计主要是满足心电信号特定的频率响应特性。

(1) 高通滤波
心电信号的最低可能频率成分只达到0.5Hz（相应于心脏搏动30 次/分），但为降低信号因相移产生线性失真，心电信号放大电路的低频截止频率必须达到心电信号的低频截止频率的1/10，即0.05Hz。

实际上，在前置放大模块采用了高通负反馈滤波器进行隔直和低通滤波，0.05 Hz 信号包括直流极化信号已基本被滤掉。

为进一步满足高通滤波特性，可以采用
效果不错且易于实现RC 一阶无源滤波。

（2）低通滤波电路
滤除混入的各种高频干扰噪声。

按照心电图信号的频谱范围，高频截止频率选择100Hz 和500Hz 两种。

对滤波特性的要求主要是信号的时域失真要小，心电信号具有脉冲波形的特征，为保证不失真放大，滤波器应具有较好的线性相位特性。

方案一：采用已有算法进行离散数字滤波。

其优点是参数调节性好，滤波特性比较精确。

但为达到较好的滤波效果要求滤波器取较高的阶数，对处理器的要求比较高，利用单片机现有资源难以实现。

方案二：通常采用模拟有源滤波器实现。

模拟滤波器主要有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝赛尔滤波器三种，其中贝赛尔滤波器具有线性相移特性，最适用于心电信号的滤波处理。

本设计主要考虑到满足并尽量完善设计指标，采用二阶贝塞尔滤波电路的方案。

1.2.4 数字化存储与回放电路
MSP430 F149 作为系统的控制核心，具有丰富的片内资源，是一款性价比极高的单片机。

利用它作心电信号的采集与处理，不仅极大地简化了系统硬件电路，还大大提高了系统的性价比。

液晶显示模块采用LCD 12864H 点阵式LCD 实现，作为菜单和心电波形的显示。

它以MSP430 作为液晶的微处理器，通过单片机采集和处理心电数据，输出
图
给液晶显示。

它与单片机采用串行方式连接。

2导、系统实现
前置放大模块主放大器模块滤波模块示波器联选择INA2331 OP A335 LM324 根据以上要求，系统总体设计框图如图 1 所示： 1
2.1、主要单元电路设计
2.1.1、前置放大模块及右腿驱动电路
该模块以TI 公司的INA2331 仪用放大电路为核心，外围由OP A335 构成的反馈积分调零电路和右腿驱动电路三个部分组成。

详细电路连接图如附录图 1 所示。

INA2331 内部原理图如图2 所示。

INA2331 的主要特点是低漂移电压，高共模抑制比。

由于采用激光调阻，使其具有低失调电压、高共模抑制比和低温漂。

图 2 INA2331 内部原理图 R 3 INA331 引脚图 INA2331 放大倍数 A V 3 所
= 5 + 5 2
R 。

本其
电压
增益
设计
为 5
倍，
电路
连接
如图
1
仪器放大器的 REF 端的作用是设定输出偏移。

在图 3 连接方式下，图
图
V OUT = V REF + 5(V IN + ? V IN ? ) 。

因此可以利用 REF 参考点来调节输出偏移，由此
实现直流零偏移输出。

关于前置级隔直电路设计（又称 0.05Hz 高通负反馈滤波电路），采用低噪声
单电源运算放大器 OP A335 构成的反相积分电路来实现低通滤波，输出送给前置放大器 INA2331 的参考输入端 REF 构成低通负反馈电路。

假设直流极化电压通过前置放大器INA2331 放大输出，经OPA335 反相积分滤波后送给 INA2331 的参考输入端 REF 构成负反馈，利用INA2331 的线性求和抵消掉直流偏移，最终使静态误差达
到0，由此实现输出偏移调零。

从而能实现隔直和高通滤波。

在不饱和的情况下能最大程度地扩展信号的动态输入范围。

原理电路图如图4 所示：参数经仿真调试得到。

仿真得到的频率相应如图5 所示。

由仿真图说明 0.05Hz 以下频率信号能够得到较大幅度的负向输出，反馈送入输入参考点，而产生负反馈被滤除。

而心电交流信号则不能通过这一反馈回路。

从而实现了 0.05Hz 高通滤波。

4 前置级隔直电路原理图
5 前置级隔直电路仿真图
2.1.2 主放大器电路
该部分电路主要起调节增益的作用，使输出信号可达到Ｖ的量级，主放大器电路实际上由固定增益放大和可调增益放大电路两级级联组成。

固定增益 A 2=40 倍的次级放大器，以及增益可调（等于 1、2.5、5）的第三级放大器级联而成。

这样设计的目的是为了将开关切换带来的影响降到最低。

如图 6 所示。

A = A ? A
A 分别为： 200、500、在前置放大级增益 A 1=5，这样整机增益 V
1 2 3 1000。

来满足不同强度的心电信号的放大需求。

采用单电源通用运算放大器 LM324 实现。

6 主放大器电路框图
固定增益放大电路设计成积分电路形式，组成一阶低通滤波放大电路，增益为40 倍，采用OP A335 实现。

见附录图2。

可调增益放大电路采用LM324 实现。

见附录图3 所示。

2.1.3 滤波电路
(1)高通滤波电路
要求心电放大器的低频截止频率为0.05Hz，没有要求进行测试，可用无源的RC 网络来实现。

由公式f=1/2πRC（取C 为4.7μF），得R=677.60Ω。

实际选用选用680Ω的电阻。

(2) 低通滤波电路
采用具有线性相移特性，二阶贝塞尔滤波器。

为有效地设计滤波
器，采用专用滤波器设计仿真软件Filter Wiz ProV3.0 进行设计和仿真，由软件生成的-3dB 截止频率分别为100Hz 和500Hz、放大倍数为1 倍的二阶贝塞尔滤波器电路如下图7 和图8 所示。

图图（）
7 二阶贝塞尔滤波器电路(100Hz)8 二阶贝塞尔滤波器电路500Hz
电路参数经过精心设计，选择最接近的标称值，经PSPISE 软件仿真的频率特性曲线符合设计需求。

2.1.4 硬件设计注意事项及窍门
系统心电测量单元PROTEL 电路总图如附录图4 所示。

这部分是整个系统最重要的部分。

主要包括输入电极导联，心电放大电路和滤波电路。

产生误差的原因有很多，主要集中在：输入电极的制作工艺质量，电路元件特别是电阻和电容的实际值与标称值的误差，且随温度变化，电源电压和内阻的变化，电路制作工
艺上带来的分布参数误差等等。

元器件的选择是高性能的保证，电阻电容尽量选择精度高，质量好的元件，参数尽量与设计值一致。

采用高品质电源。

另外电路设计上运放电源端应该加滤波去除电源纹波的影响。

在PCB 设计中，在电源、地线之间加上去耦电容，去耦电容尽量与VCC 直接连接，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。

必要时应加地线隔离，电源线和地线尽量加粗。

数字化存储和回放部分直接采用MSP430 开发板调试。

作品全貌如附录图6 所示。

2.2 系统软件设计
模拟电路与单片机接口问题：心电信号的最高幅值为5mV，经过200 倍的放大为1V，而A/DC 的输入范围为0～2.5V，设计时取中间值1.25V 为参考，所以放大后的心电信号叠加参考电压1.25V 后大小为(1.25±0.8)V，正好落在A/DC 的模拟输入信号范围。

同时，心电信号的频率在 0.05～100Hz 之间，为了保证采样定理的要求和保证转换速率可以选取采样率fs=200Hz。

心电波形是一系列的曲线，在液晶上要显示这些曲线需要将相应
的点阵显示，对于一条心电曲线，起始显示数据点在起始列只显示一点，从第二个数据点开始，要在下一列显示上一数据点到此次数据点之间的线段。

具体方法可通过16 进制的数据除以总页数8 得到商和余，得到的商为此数据点所在的页，得到的余为此数据点所在页的行数。

注意的是每一数据点应在相应的列，因为列地址每送一个数据自动加1，因而在每次从DDRAM 中读取数据时一定要保证列位置的正确，否则会出现曲线的混乱。

利用单片机内置的12 位A/D 变换器对两路心电信号进行采样，通过单片机编程实现两路心电波形的回放显示。

主程序框图如附录图5 所示。

3、系统性能测试与分析
3.1 性能测试
3.1.1、测试仪器
JWY-30F 型直流稳压电源，TDS1002 型双道示波器，A83L 型和VC890C 型数字万用表。

通过函数信号发生器产生 5mV 输入电压，在不同的频率下测得增益如表 1 所示。

3.1.2 测试数据和结果
(1) 通带内增益及频率响应（理论截止频率为100H z ）
表 1：通带内增益测试数据表
由表 1 可知，-3dB 高频截止频率约为 110Hz ，达到了题目要求的 10 Hz 标准。

总体看，系统信号频带在1Hz 到110Hz 范围内，频带内响应波动满足在+3dB 之内的要求。

由于低频截止频率存在较大读数误差，因此不予说明。

(2) 共模抑制比测试（含 1.5m 屏蔽线）
测试差模增益：右腿驱动和一端输入接地，另一端接 V id=1mV ，
f=20Hz 的交流信号，（在 200 倍增益档）测得 A Vd =210 共模增益：右腿驱动接地，正负输入端共同接 2V/20Hz 正弦信号，输出 50mV ，
Voc
Ac = V ic
= 0 . 025 。

Ad 共模抑制比： KCMRR = 20 lg Ac
= 78.5dB
满足基本部分共模抑制比≥60dB 要求，基本上接近发挥部分80dB 以上的要求。

3.1.3 系统功能测试
① 人体心电图测试。

按照标准I 导联实测队友的心电图，测得波形如图 9 所示。

图 9 人体心电测试图。