心电信号采集模块的设计与开发课程设计

课程设计报告

设计题目：心电信号采集模块的设计与开发

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摘要

针对心电信号的特点进行心电信号的采集、数据转换模块的设计与开发。本文设计一种用于心电信号采集的电路，然后进行A/D转换，使得心电信号的频率达到采样要求。人体的心电信号是一种低频率的微弱信号，由于心电信号直接取自人体，所以在心电采集的过程中不可避免会混入各种干扰信号。为获得含有较小噪声的心电信号，需要对采集到的心电信号做降噪处理。本文通过滤波的方法将噪声从信号中分离。并将采集到的小信号放大约1000倍，送入数模转换模块，让单片机处理。

关键词：心电信号采集，降噪，A/D转换放大

目录

1. 课程设计任务及要求 (1)

1.1 设计任务 (1)

1.2 设计要求 (1)

2. 理论设计 (1)

2.1 方案论证 (1)

2.2 电路原理框图说明 (2)

2.3 单元电路设计 (2)

2.3.1 前置放大及反馈电路 (2)

2.3.2 带通滤波电路 (3)

2.3.3 50Hz陷波电路 (4)

2.3.4 电压放大电路 (4)

2.3.5 电平抬升电路 (5)

2.4 整体电路图仿真 (6)

3. 硬件调试 (6)

3.1 焊接及调试过程 (6)

3.2 心电信号采集 (7)

3.3 故障分析 (7)

4. 嵌入式软件设计 (7)

4.1 开发软件CCS简介 (7)

4.2 软件总体设计框图 (8)

4.3 软件分步配置: (9)

4.3.1 配置ADC12： (9)

4.3.2 配置LCD： (9)

4.4 软件主程序 (9)

5. 整体效果 (14)

6. 结论 (15)

7. 参考文献 (16)

1. 课程设计任务及要求

1.1设计任务

⑴了解心电信号特点，设计心电信号调理电路，调理电路包括前端放大和右腿驱动电路、带通滤波和50Hz陷波电路、主放大和电平抬高电路等。

⑵学习MPS430单片机原理，通过对心电信号采集，实现对脉搏率的测量及显示。

⑶焊接相应电路，完成调试。

1.2设计要求

在设计中了解心电信号特点，设计心电信号调理电路，调理电路包括前端放大和右腿驱动电路、带通滤波和50Hz陷波电路、主放大和电平抬高电路等。

2. 理论设计

2.1方案论证

将整个设计分成硬件部分和软件部分，在硬件设计部分又可细分为如下几个部分：前置放大、带通滤波、陷波、电压放大、电平抬升以及反馈。

根据已有的器件，本设计使用AD620作为前置放大级。带通滤波部分，分成了高通与低通两部分，为了提高滤波的效果，高通部分采低通部分采用了二阶切比雪夫低通滤波器，带通纹波为3dB。

50Hz滤波陷波电路考虑了Fliege结构点阻滤波器和“双T”型陷波电路，实际焊接后发现后者的效果明显更稳定，故改为采用了“双T”型陷波电路。

2.2电路原理框图说明

图2-1 系统结构图

如图2-1所示，本系统硬件部分主要由前置放大、带通滤波、陷波、电压放大、电平抬升等电路构成；软件部分由基于Msp430 Launchpad的AD采集和液晶显示等程序编写构成。

2.3单元电路设计

2.3.1前置放大及反馈电路

由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间的阻抗大且变化范围也较大，要求前级放大电路应满足高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围等特点。

为此，选用仪用放大器AD620作为前级放大。该放大器有较高的共模抑制比(CMRR)，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小且具有调节方便的特点，是生物医学信号放大的理想选择。根据小信号放大器的设计原则，前级的增益不能设置太高，因为前级增益过高将不利于后续电路对噪声的处理。

仿真过程采用O．5 MV，1．2 Hz的差分信号源为模拟心电输入来模拟电路的放大过程，结果满足要求，如图2-2所示。

图2-2 前置放大及反馈电路

2.3.2 带通滤波电路

心电信号频带主要集中在0．05--100 Hz ，因此带通滤波器用高低通滤波器来构成，以滤除干扰信号。

Hz

C R H f 1.021

5

11≈=

π

Hz RC l f

116213

≈=π

经过高通滤波后，可以大大削弱0．1 Hz 以下因呼吸等引起的基线漂移程度，经过低通滤波后，也可以较好的削弱100Hz 以上的干扰信号。

图2-3 带通滤波电路

2.3.3 50Hz 陷波电路

在我国采用的是50hz 频率的交流电，所以在对信号进行采集处理和分析时，会存在50hz 的工频干扰，对我们的信号处理造成很大干扰，因此要设计一个50hz 双T 陷波器来滤除工频干扰。滤波器的中心频率0f 和抑制带宽BW 之间的关系为：

中心频率：

Hz RC

f

5021

0==π

图2-4 50Hz 陷波电路

2.3.4 电压放大电路

心电信号通常比较微弱，至多为mV 量级，需要用较大增益的放大电路将信号放大到方便分析和采集的量级。

该放大电路放大倍数为：)(100倍==

R

R A f

图2-5 电压放大电路

2.3.5电平抬升电路

由于Msp430 Launchpad不能采集负电压，直接采集放大后的心电信号将会使液晶屏上波形失真，因此设计该电压抬升电路并通过电位器调节信号整体电平。

图2-6 电平抬升电路