心电监护系统的设计

目录

一、心电信号的特征 (2)

二、系统硬件设计 (3)

2.1 右腿驱动电路 (4)

2.2前置放大电路的设计 (5)

2.3二级放大高通、低通滤波电路设计 (6)

2．4双T有源陷波器电路设计 (7)

2．5电压提升电路 (8)

三、系统软件设计 (10)

四、嵌入式Web 服务器的设计 (12)

4.1 嵌入式Web 服务器概述 (12)

4.2 嵌入式Web 服务器的移植 (12)

4.3 动态心电监护网页设计 (14)

五、总结 (15)

六、课程设计总结 (16)

七、主要参考文献 (17)

远程心电监护系统的设计

本文设计了一种远程心电监护系统监测仪。该设备主要由两部分构成，第一，以安有Linux操作系统且嵌有Web服务器的家庭PC机为本地服务器；第二，以基于$3C2410硬件平台和Linux操作系统构成的的嵌入式系统为终端采集设备。在设计时为了方便病人，对于终端设备，一方面可以受家庭PC机服务器的控制，另一方面也可以独立工作。独立工作模式即终端本身提供了对心电信号的各种控制，诸如采集、停止、回放、查找、保存等功能。

一、心电信号的特征

一般电信号有三大特征：幅度、频谱及信号源阻抗。作为生物电的心电信号也是如

此，同时心电信号属于强噪声下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定

的自然信号，由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所不具有的特点。

(1)信号弱：由于心电信号是从人体的体表进行提取的一种生物电信号，因此信号一般十分微弱，心电信号为mV(毫伏)级信号，幅值大约为0．03一--4mV，典型值为lmV。

(2)不稳定性：人体是一个与自然界有着密切关系的开放性系统，人体可能处在各种电磁、噪声等环境中，这就使得心电信号存在了不稳定性和随机性。

(3)低频特性：人体心电信号频率较低，频谱范围主要集中在为0．05，．--lOOHz。

(4)高阻抗：人体作为心电的信号源，拥有可达几k Q到几十k Q的高阻抗，因此

这个特性容易引起心电信号测量的失真。

(5)噪声强：人的周围一般存在各种干扰，大概概括为以下几种：

●工频干扰：50Hz的工频干扰是最普遍的，此干扰也正是心电信号测量时的主要

干扰。

●高频干扰：基于不同频段的电视发射台、无线电广播、通讯设备、雷达等随着

无线电技术的发展而逐渐发展起来，其工作时可以使空中的电磁波大量增加。这些便产生了高频干扰。

●测量设备自身的干扰信号：由于心电信号处理电路部分的电子设备自身也会产

生仪器噪声。这种噪声一般属于具有较高的频率特性的信号。14J

二、系统硬件设计

由于心电图信号的检测是属于强噪声、强干扰环境下，且频率范围一般在0．5～100Hz之间，幅度在0．1"--5 mV范围内的超低频，微弱信号。因此这种心电信号属于具有微弱性、低频特性和随机性和不稳定性等特点。在进行心电信号时测量时存在较强干扰，包括测量电极与人体之间构成的化学电池所产生的直流极化电压；50Hz且以共模电压形式存在的工频干扰；肌肉收缩引起的肌电干

扰：人体运动、呼吸引起的基线漂移等，这就要求设计一种满足高输入阻抗、高共模抑制比(CMRR)、低噪声、低漂移和高安全性前置放大器。本设计中前置放大器采样的是通用仪表放大器AD620，该芯片约有50倍的放大倍数，通过该芯片可以实现将微弱的心电信号受到来自人体内外的多种干扰预处理掉。其次，后端电路采用了高通和低通滤波器，滤波器的作用是将0．05---,100 Hz以外的信号进一步进行处理，这样可以抑制基线漂移和高频噪声的影响。然后通过50 Hz 的陷波电路再次处理信号。为充分利用$3C2410的A／D转换精度，在进行对心电信号具体采集前还需要将信号放大到A／D转换器电路参考电压的70％左右，同时考虑到信号中有附加的直流成分，需在A／D转换电路前增加电平调节电路。综合上面的分析，最后设计的心电采集电路应该有以下几部分：AD620前端放大、0．05Hz的低通滤波和lOOHz的高通滤波、50Hz陷波器和电平升压电路。下面将进行具体电路的设计。

2.1 右腿驱动电路

首先要进行的是对50Hz共模电压的调节。这是由于人体本身从环境中可通过各种渠道拾取工频50Hz交流电压，这种电压在心电信号的测量中形成几伏以上的交流共模干扰，我们采用右腿驱动电路后可以使50Hz共模干扰电压降到1％以下。采用了右腿驱动电路取代直接接地，它是心电信号提取中非常有用的方法，这种与右腿接地的方法比较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好，但由于存在交流干扰电压的反馈环路，对人体形成不安全因素，因此在使用时需外接限流电阻。平均交流共模电压被送入驱动放大器的反相放大端子，其中的平均交流电压是由电阻网络取出来的，然后加到右腿电极，R1是限流电阻。这种电路结构实际是电压并联负反馈电路，只是以人体为相加点的。这里的辅助运放采样了0PA277芯片，为了使输入能够尽量对称以达到最好的设计R性能，我们可以通过调节图中一L设定放大器增益来可保证R4=R5；为了限制电流这里的Rl要达到M级；调节C2以使右腿驱动平衡。

2.2前置放大电路的设计

由于心电信号相对比较微弱，容易受到各种干扰，比如交流电磁干扰信号等，而这些干扰信号要比心电信号大很多，并且一般这些干扰信号对输入电路来说属于共模信号，所以要求我们设计的前置放大电路有较高的共模抑制比。本设计选用美国Analog Devices公司提供的模拟放大芯片AD620AN作为前置放大器，它能够满足心电前置放大高CMRR、高输入阻抗、低噪声、低漂移的设计要求，AD620是具有低偏置电流、低失调电压、高精度并且低功耗等特点的仪表放大器，其电路设计比较简单，仅需外接一个增益电阻就能设置放大倍数。同时由于该芯片具有109Q高12输入阻抗、可达130dB高共模抑制比、最高可达1000倍高放大倍数、以及最大50 p A低输入失调电压、低噪声等优点，很多的国内外心电监护系统在信号处理部分都采用了该芯片。对于电磁干扰，由于电磁干扰会严重影响高精度电路的DC性能。放大器相对低的带宽不能正确的放大MHz级的RF射频。但这些带外信号很可能会耦合到放大器的输入和电源引脚，在输出引脚就可能出现不可解释的和不希望的DC偏移。图3．3前置放大电路。如上图所示，信号来自于Vin一、Vin+，输出为V out，其中RI+R2和C3构成了差模；R1／C1，R2／C2构成了共模。该滤波器可以消除以上提到的干扰，其中输入串联电阻组成了低通的差模和共模滤波器，同时也可以用来限制电流。本设计中电