心电监护仪设计

心电监护仪的设计实验

QYK 电子信息工程

温州医科大学

一、系统功能要求

1、设计一个标准导联的心电信号采集、处理和显示系统。

2、能记忆当前时刻前若干秒的数据，由设计者确定参数。

3、数据回放和打印功能。

4、软件数字滤波，计算瞬时心率，并在LCD12864液晶显示器上显示出来。

5、报警参数设计，通过软件实现当心率输入大于某个固定值时，报警装置工作。

二、总体论证

（1）总体方案确定

心电信号作为心脏电活动在人体体表的表现，信号一般比较微弱，幅值范围

0.5-5mV，带宽0.05-100Hz，因此极易受环境影响。在采集的心电信号中，常常掺杂着

各种干扰，这些来源于心脏以外的干扰信号会使心电信号在周期和形态上发生畸变，噪声严重时可完全淹没心电信号。为了正确进行测量、波形识别和病征诊断，就必须抑制这些干扰。而抑制干扰的主要方法是通过各种滤波器进行滤波。考虑到心电信号的幅值很低，不能使AD芯片正常采样，因此就必须放大体表的心电信号。最后将经过滤波、放大、AD转换后的信号输入到单片机中进行处理，得到并显示人体的生理参数。

1.采样方法选择

一般临床上使用的心电采集分为胸导联和肢体导联，其中又以肢体导联最为普遍。

肢体导联分为标准导联Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和加压单极肢体导联aVR、aVL、aVF。标准导联为双极肢体导联，反映其中两肢体之间电位差变化。而加压单极肢体导联属单极导联，基本上代表检测部位电位变化。本系统将选取标准导联的三种导联作为心电监护仪的采样方式。

2.系统组成

本系统主要由模拟部分和数字部分组成。在模拟部分中考虑到心电信号的微弱和易受干扰等特点，在设计系统组成时便不得不考虑到对信号的优化和处理，所以在信号采集和处理是本部分的重要环节。首先，由于心电信号只有0.5-5mV，远远低于AD采用的幅值范围。因此需将采集的信号进行放大，为了减少噪声且增加共模抑制比，此单元采用常见的分级放大。同时因为电极是直接与皮肤接触的，基于安全考虑，将在前级放大和后级放大之间用光耦器件进行隔离，保证了测量者的人身安全。在数字部分中通过AD芯片将处理好的信号转变为数字信号并存入单片机中，经过单片机的处理后将测得的数据显示在液晶屏上，也可通过与微型打印机的连接将数据打印出来进行分析。

（2）确定系统功能

本系统以实现设计任务基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性价比，对于系统改进和功能扩展将在最后讨论。

根据设计任务的基本要求，本系统应具有以下几种基本功能：

*可以采集、处理并显示心电信号。

*可以显示当前时刻前若干秒的数据，时间参数由设计者确定。

*可以进行数据的储存并回放。

*可以进行数据的打印。

*具有报警功能，通过软件实现当心率输入大于某个固定值时进行报警，固定值由使用者确定。

三、系统设计

（1）软、硬件功能划分

1.速度估算

由于心电信号的频率主要在0.02—100Hz，处于较低的频率范围。根据奈奎斯特采样定理，采样频率应大于信号中最大频率的两倍，并且在实际应用中采样频率

应为5—10倍。以10倍最大信号频率(1KHz)为采样频率来说，采样的时间间隔为

1ms或更长时间。由此可见，对于采样间隔为10us的AD采样芯片而言，速度完

全满足要求。

2.软、硬件功能划分

为了简化系统硬件、降低硬件成本、提高系统灵活性和可靠性，有关数据处理分析、数据存储及大部分控制过程都可由软件来完成。硬件的主要功能是心电信号

的采集、放大、滤波及A/D转换等。另外，人机通道功能由系统软、硬件配合完

成，以降低软件设计的复杂性及缩短系统的研制周期。

（2）系统功能划分、指标分配和框图构成

根据系统总体方案，系统主要由以下三个模块组成，总体框图如下图所示。

1.单片机基本系统

单片机系统是整个控制系统的核心，它完成整个系统的信息处理及协调控制功能。由于系统对运行速度和功能要求都无特别之处，因此可以选用目前广泛使用的

MCS-51系列单片机8031。8031单片机可以提供系统控制所需的中断、定时以及

存放中间结果的RAM电路，但片内没有程序存储器，因此单片机基本系统中除了

应包括的复位电路和晶振电路外，还应扩充程序存储器。同时考虑到本系统具有

数据回放功能，故还需扩充一片片外数据存储器。

2.前向通道

前向通道是信息采集的通道，主要包括传感器、信号放大滤波、A/D转换等电路。由于心电信号的频率为0.02—100Hz，相对而言变化比较快，因此需要在前向

通道中设计采样保持电路。

3.人机对话通道

人机对话通道主要由键盘、LCD液晶显示和打印机组成。为了完成设定时间

参数以及警报心率参数和打印等功能，满足显示心电波形等要求，键盘可由10个

数字键及6个功能键组成（确认、取消、设定时间、设定心率、切换显示、打印）。

波形显示由LCD12864液晶显示，分别显示心率及波形，由“切换显示”按键进行

切换显示。打印功能由微型打印机完成，可以打印给定的时间的心率数据。

四、硬件开发

（1）系统配置与接口扩展

1.单片机基本系统

单片机基本系统以MCS-51系列单片机8031为核心，外扩8K×8的EPROM 2764作为程序存储器和8K×8的RAM6264作为数据存储器，如图所示。考虑到

单片机在进行工作时需要调用浮点数运算程序库，程序需占用较大存储器空间，为

保证程序存储器有足够空间并适当留有余地以便进一步扩展功能，因此选用了容量

较大的存储芯片2764。

2.前向通道

前向通道由前置放大和后级信号放大处理两部分电路组成，具体流程如下图所示。

前向通道流程图

心电信号经电极传感器和放大滤波电路处理后产生0—5V的模拟电压信号送人A/D转换器的输入端，A/D转换器将模拟量转换为数字量通过系统总线送人单

片机进行运算处理。前向通道设计包含以下几个方面内容：

(a)电极传感器选择

市场上电极传感器的种类很多。本系统采用最为常见的体表电极，因为体表电极主要由银、铂、镍、不锈钢或钨制成，它们一般电阻很小，制作也简单，其

尺寸一般是毫米级的，比较适用于本系统的实验要求。

(b)信号处理主要电路

具体电路如下两图所示