实例介绍
【实例简介】
心率检测系统的设计论文，ti杯电子设计大赛优秀论文
右手 接至低通 前置放大电路 滤波器输 左手 入端 共模电压 右腿驱动 屏 蔽 动 右腿退 导联屏蔽线 图2前置放人电路框图 1)前賢放大调理 针对心电信号高增益,高输入阻抗,高垬模抑訇比,低噪声,低漂移和合适带 宽的采集要求,采用仪表放大器,以获得良好的综合性能。所以采用仪用放大器 AD620只要用只外接电阻便可设置放大器的增益,增益G为 494人 R 2)右腿驱动电路 将右腿连接到一个辅助的运算放大器的输出端,把混杂于原始心电信号中的共 模噪声提取出来,经过一级倒相放大后,再返回到人体,使它们相互叠加,从而减 小人体共模干扰的绝对值,提高信噪比。本电路采用高精度运算放大器O217。通 过这个负反馈结构,可大大抑制测量过程屮前置敚大器输入端共模电压的影响。此 外,右腿驱动电路还可以提供电气上的安全性。 3)屏蔽驱动电路 屏蔽驱动器是一个同相电压跟随器,将放大器的输出端和屏蔽相连,将屏蔽线 和地隔开,并且对于50Ⅳz的共模干扰信号来说,从人体输入的两路信号是相等的 导联线和屏蔽线之间的电压差为0,从而消除了其间的电容,提高了输入电路的阻 抗,降低人与地之间的漏电流。如图3所小 220k TT1点 2 R 图3带屏蔽驱动、右腿驱动的前置放大调理电路 经过前置放大器后心电信号被放大的倍数为 49.4K G=1+ 51 IK∥(24.9K+24.9K) (2)高通滤波电路的设计 电极与皮肤表面之间容易产生直流偏压,为了消除这部分的干扰,需要采取高 通滤波电路图4所示予以滤除,其截止频率为 ≈0.5Hz 2丌√RR,CC22x√22X×47K×101×10 U4B QPZITT 图4二阶高通滤波电路 (3)低通滤波电路的设计 噪声来源一类是各种电子设备辐射出的高频噪声,一类是市电的50z噪声。通 常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到滤波器。低通滤波器(电 路图如图5)通常情况下截止频率选择在100Hz以下。低通截止频率为 2兀√RR1CC42√24K×24K×0.047×Dm≈100H2 T745T QP2171 图5二阶低通滤波电路 (4)50Hz陷波电路的设计 为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz干扰34,需用带阻滤波器加以抑 制。我们采用心电测量没备当前普煸采用的双T陷波电路滤除工频干扰,其参数计 R 算公式为:2可C其中f为滤去频率,如图6所小。 USD 图650Hz陷波电路 (5)后置放大电路及抬升电路的设计 因为wsP430F169模数转换器的范围为0~2.5V,所以要对采集的心电信号进行 拾升如此在实现后置放大的过程中,既要考虑信号中平的提升,又要实现信号的放 大。放大器芯片用INA217。具体电路如图7所示 图7后置放大发抬升电路 放大倍数为: G=1 10K10K R IK 抬升电路有对放大信号拾升了1.25V (6)电源电路的设计 电源电路的设计是由电平转换器760,线性调节器MX8511,电压基准REF3025 及电池盒组成,如图8所示 电源电路 图8电源电路 31.3元件的布局和PCB板的设计 在PCB板中,包含多种类型的电路,为了避免各部分电路中信号相互耦合而 生千扰,对不同类型的电路部分进行分离布局是PCB板设计的一个基本原则。各部 分之间不仅应保持相当距离,还要分开走线。电源系统的布线包括电源线VDD和地 线vSs的布线,是系统抗干扰的个重要部分。VDD和wSS应尽可能扩大面积, 以防止因电磁能量较强而产生电磁干扰能量的发射,这也是保证高频信号到地之间 具有低阻抗的措施 3.2软件设计 软件设计的关键是对MSP430F169的控制以及LCD显示。所有软件均采用C语言 绽写。软件实现的功能是QRS波检测并算出心率,LCD显小波形以及SD卡存储 3.2.1软件流程 系统软件部分流程图9如下所示,开关按键按下后,屏幕显示L0GO图(江苏省 TⅠ杯电子设计大赛),通过对各模块的初始化后,由中断定时服务实现对心电信号 QRS波检测,心率计算,波形回放。 系统初始化 A/D采集 LCG0显示 N 按键 显示模块初始化 <键1 键2 键3 实时显示 储存显示 波形叫放 定时中断服务 图9系统总体软件流程 3,2,2MsP430Fl69 MSP430单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念,其时钟系统提供 了丰富的软硬件组合形式。它包括一个片内DC0和两个晶体振荡器,可以产生三种 系统适用的时钟信号,支持六种工作方式,有五种低功耗模式,可以通过软件对內 部时钟系统进行不同设置来控制芯片,使它处丁不同工作方式,从而使整个系统达 到最低的功耗并发挥最优的性能,所以该单片机非常符合设讣要求。利用芯片内臀 的自动扫描功能,ADC可以不需要中央处理器的协助而独立地工作,从而让处理器 厶执行其亡操作或进入省电工作模式。当CPU接收心电信号的指令时,启动ADC 经端凵6进入ADC进行模/数转换,转换的结果被自动存放在相应通道的寄存器中, 进行液晶显小 MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而 可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先,MsP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在 lMHz的时钟条件下运行时,芯片的电流会在200400uA左右,时钟关断模式的最低 功耗只有0.1uAa 其次,独特的时饣系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统:基 本时钟系统和锁频环(LL和ILL)时钟系统或υO数字振荡器时钟系统。使用两 个晶体振荡器,由系统时钟系统产生(PU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以 冇指令的搾制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。 323QRS波检测程序 系统由级联的低通和高通滤波器构成的。这种滤波器能分离中心频率在10Z 处的QRS成分,削弱了具冇低频特征的基线漂移,同时也削弱了与干扰冇关的高频 分量。下一步处理就是进行微分,这是一个找出高斜率的标准方法,而高斜率通常 能将QRS复波与其他的EG波形区分开来。将信号采样点进行取绝对值运算。使数 据在后续微分前为正值,同时增强了微分处理后信号屮的髙频分量,这些高频分量 通常就是QRS复波的特缸。 本系统的QRS波群检测釆用移动窗口积分算法来实现,波形检测及分析系统流 程佟如图10所示 开始 预处理(确定阈值) 检测QRS波群 在波群中寻找R点 更新RR样板,计算RR间期、心率 诊断分析 图10波形检测流程图 324LCD显示程序 HG19264是一款图形液晶显示馍块。为了保证显示的及时性与连续性,同时不 能超岀单片机速度限制和程序容量限制,波形曲线的画法采用逐点画直线的方式实 现,即相邻两点之冋釆用画一条直线,虽然波形稍有失真,但可以保证速度。对显 示曲线的线宽、线形等也不予设置以节省CPU的计算量。生成直线的算法中,乂有 逐点比较法和数值微分法等,而各种算法的计算量又与具体显示设备和显示数据有 关系。木系统采用了192×64点阵的显示器,屏幕比铰小;同时由于数据在X轴方 向的增长是一种固定关系,直线的长度最大为64点(Y轴方向),且只存在从左下到 右上和从左上到右下两种情况。绎过理论分析与试验验证,我们采用了改进的数值 微分算法,即直线每向下一步,按照要画直线的斜率计算下一点的位置,这样一步 步逼近直线。X方向主动递增时的公式:y,=y2+2x其中:dy/dx为要画直线 的斜率;xi为X方向增量;yi为Y方向坐标点。所有值采用整数运算,以达到节 省计算量的目的,缺点是图形失真度较人。流程图(如图11)如下 画线开始 B 判断走向 Ⅹ方递增 Y方向递增 按照算法在X 按照算法在Ⅹ 或Y方向前进 Y方向前进 终点 终 画线结束 图11画直线流程图 3.2.5SD卡存储程序 采用SPI接口,直接对文进行读写,通过中断处理程序,即对QRS波的检测, 每检测到一个R波,指示灯亮。然后计算心电心率,实现储存和回放功能。SD卡每 次只存取组心电信号。 4作品性能测试与分析 4.1静止状态下测定 被测对手测 实时心率显示 象 20s 30s 40s 50s 60s 平均 值 79 79 83 77 79 7979.8 70 72 72 77 68 70 80 80 80 81 79.6 说明:本系统存在阈值时间,在16s后能较准确地反腴人体心率,所以选择20s 以后每隔10s为数据采集时刻;利用人工手测心率,在记均数时会产生一定的偏差; 测量时外界些干扰对人体心率的测定也会产生影响;通过将各时刻心率显示的数 值求平均值,以减小误差。 4.2运动后测定 被测|手测心 实时心率显示 对象率 20s30s 40s 50s 60s平均值 l13 l18 108106104110 112 102 104 126 102 92 103.8 说明:运动后心跳加快,心夲明显增高,但随着测试时间的增加,心跳减慢 心率逐渐降低。 4.3结果分析 经过对静止状态和运动后状态下的测定的结果的分析,发现本系统能较好地 测定人体心率,并且误差较小 5总结与展望 本系统(实物图如图12〕结构简单,性能稳定,由电池供电,便于随身携带,可 在任何时间任何地点进行检测。还可以进一步提高软硬件的设计精度,克服运动过 程中基线漂移的影响,实现对剧烈运动过程中的人休进行检测。随着电子信息技术 及无线遥测技术的迅速发展,便携式无线牛理参数测量设备的研制已经成为可能。 然而,由于价格原因,目前还未得刭普及。通过对人体心率检测系统的进一步研究, 减少成本,便携式的无线信号采集系统装置必将有一天走出实验室,成为人们身边 必不可少的健康工具。 图12实图 参考文献 [1沈建华杨艳琴,翟骁曙,利尔达MSP430系列16位超低功耗单片杌原理与应用.北京:清 华大学出版社,2004 [2]吴水才,林家瑞,邓云东.一种心电和心室晚电位综合采集电路的设计.中国医疗器械杂 志,2000.24(1) 3 A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection. Texas Instruments Application Report. 2000 「4]梅铁民,虞闯.心电信号中50Hz十扰的消除.沈驲工业学院学报,2000,19(2) 附录一:系统I0G0实拍照片 10 【实例截图】
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心率检测系统的设计论文，ti杯电子设计大赛优秀论文
右手 接至低通 前置放大电路 滤波器输 左手 入端 共模电压 右腿驱动 屏 蔽 动 右腿退 导联屏蔽线 图2前置放人电路框图 1)前賢放大调理 针对心电信号高增益,高输入阻抗,高垬模抑訇比,低噪声,低漂移和合适带 宽的采集要求,采用仪表放大器,以获得良好的综合性能。所以采用仪用放大器 AD620只要用只外接电阻便可设置放大器的增益,增益G为 494人 R 2)右腿驱动电路 将右腿连接到一个辅助的运算放大器的输出端,把混杂于原始心电信号中的共 模噪声提取出来,经过一级倒相放大后,再返回到人体,使它们相互叠加,从而减 小人体共模干扰的绝对值,提高信噪比。本电路采用高精度运算放大器O217。通 过这个负反馈结构,可大大抑制测量过程屮前置敚大器输入端共模电压的影响。此 外,右腿驱动电路还可以提供电气上的安全性。 3)屏蔽驱动电路 屏蔽驱动器是一个同相电压跟随器,将放大器的输出端和屏蔽相连,将屏蔽线 和地隔开,并且对于50Ⅳz的共模干扰信号来说,从人体输入的两路信号是相等的 导联线和屏蔽线之间的电压差为0,从而消除了其间的电容,提高了输入电路的阻 抗,降低人与地之间的漏电流。如图3所小 220k TT1点 2 R 图3带屏蔽驱动、右腿驱动的前置放大调理电路 经过前置放大器后心电信号被放大的倍数为 49.4K G=1+ 51 IK∥(24.9K+24.9K) (2)高通滤波电路的设计 电极与皮肤表面之间容易产生直流偏压,为了消除这部分的干扰,需要采取高 通滤波电路图4所示予以滤除,其截止频率为 ≈0.5Hz 2丌√RR,CC22x√22X×47K×101×10 U4B QPZITT 图4二阶高通滤波电路 (3)低通滤波电路的设计 噪声来源一类是各种电子设备辐射出的高频噪声,一类是市电的50z噪声。通 常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到滤波器。低通滤波器(电 路图如图5)通常情况下截止频率选择在100Hz以下。低通截止频率为 2兀√RR1CC42√24K×24K×0.047×Dm≈100H2 T745T QP2171 图5二阶低通滤波电路 (4)50Hz陷波电路的设计 为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz干扰34,需用带阻滤波器加以抑 制。我们采用心电测量没备当前普煸采用的双T陷波电路滤除工频干扰,其参数计 R 算公式为:2可C其中f为滤去频率,如图6所小。 USD 图650Hz陷波电路 (5)后置放大电路及抬升电路的设计 因为wsP430F169模数转换器的范围为0~2.5V,所以要对采集的心电信号进行 拾升如此在实现后置放大的过程中,既要考虑信号中平的提升,又要实现信号的放 大。放大器芯片用INA217。具体电路如图7所示 图7后置放大发抬升电路 放大倍数为: G=1 10K10K R IK 抬升电路有对放大信号拾升了1.25V (6)电源电路的设计 电源电路的设计是由电平转换器760,线性调节器MX8511,电压基准REF3025 及电池盒组成,如图8所示 电源电路 图8电源电路 31.3元件的布局和PCB板的设计 在PCB板中,包含多种类型的电路,为了避免各部分电路中信号相互耦合而 生千扰,对不同类型的电路部分进行分离布局是PCB板设计的一个基本原则。各部 分之间不仅应保持相当距离,还要分开走线。电源系统的布线包括电源线VDD和地 线vSs的布线,是系统抗干扰的个重要部分。VDD和wSS应尽可能扩大面积, 以防止因电磁能量较强而产生电磁干扰能量的发射,这也是保证高频信号到地之间 具有低阻抗的措施 3.2软件设计 软件设计的关键是对MSP430F169的控制以及LCD显示。所有软件均采用C语言 绽写。软件实现的功能是QRS波检测并算出心率,LCD显小波形以及SD卡存储 3.2.1软件流程 系统软件部分流程图9如下所示,开关按键按下后,屏幕显示L0GO图(江苏省 TⅠ杯电子设计大赛),通过对各模块的初始化后,由中断定时服务实现对心电信号 QRS波检测,心率计算,波形回放。 系统初始化 A/D采集 LCG0显示 N 按键 显示模块初始化 <键1 键2 键3 实时显示 储存显示 波形叫放 定时中断服务 图9系统总体软件流程 3,2,2MsP430Fl69 MSP430单片机集中体现了现代单片机先进的低功耗设计理念,其时钟系统提供 了丰富的软硬件组合形式。它包括一个片内DC0和两个晶体振荡器,可以产生三种 系统适用的时钟信号,支持六种工作方式,有五种低功耗模式,可以通过软件对內 部时钟系统进行不同设置来控制芯片,使它处丁不同工作方式,从而使整个系统达 到最低的功耗并发挥最优的性能,所以该单片机非常符合设讣要求。利用芯片内臀 的自动扫描功能,ADC可以不需要中央处理器的协助而独立地工作,从而让处理器 厶执行其亡操作或进入省电工作模式。当CPU接收心电信号的指令时,启动ADC 经端凵6进入ADC进行模/数转换,转换的结果被自动存放在相应通道的寄存器中, 进行液晶显小 MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而 可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先,MsP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在 lMHz的时钟条件下运行时,芯片的电流会在200400uA左右,时钟关断模式的最低 功耗只有0.1uAa 其次,独特的时饣系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统:基 本时钟系统和锁频环(LL和ILL)时钟系统或υO数字振荡器时钟系统。使用两 个晶体振荡器,由系统时钟系统产生(PU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以 冇指令的搾制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。 323QRS波检测程序 系统由级联的低通和高通滤波器构成的。这种滤波器能分离中心频率在10Z 处的QRS成分,削弱了具冇低频特征的基线漂移,同时也削弱了与干扰冇关的高频 分量。下一步处理就是进行微分,这是一个找出高斜率的标准方法,而高斜率通常 能将QRS复波与其他的EG波形区分开来。将信号采样点进行取绝对值运算。使数 据在后续微分前为正值,同时增强了微分处理后信号屮的髙频分量,这些高频分量 通常就是QRS复波的特缸。 本系统的QRS波群检测釆用移动窗口积分算法来实现,波形检测及分析系统流 程佟如图10所示 开始 预处理(确定阈值) 检测QRS波群 在波群中寻找R点 更新RR样板,计算RR间期、心率 诊断分析 图10波形检测流程图 324LCD显示程序 HG19264是一款图形液晶显示馍块。为了保证显示的及时性与连续性,同时不 能超岀单片机速度限制和程序容量限制,波形曲线的画法采用逐点画直线的方式实 现,即相邻两点之冋釆用画一条直线,虽然波形稍有失真,但可以保证速度。对显 示曲线的线宽、线形等也不予设置以节省CPU的计算量。生成直线的算法中,乂有 逐点比较法和数值微分法等,而各种算法的计算量又与具体显示设备和显示数据有 关系。木系统采用了192×64点阵的显示器,屏幕比铰小;同时由于数据在X轴方 向的增长是一种固定关系,直线的长度最大为64点(Y轴方向),且只存在从左下到 右上和从左上到右下两种情况。绎过理论分析与试验验证,我们采用了改进的数值 微分算法,即直线每向下一步,按照要画直线的斜率计算下一点的位置,这样一步 步逼近直线。X方向主动递增时的公式:y,=y2+2x其中:dy/dx为要画直线 的斜率;xi为X方向增量;yi为Y方向坐标点。所有值采用整数运算,以达到节 省计算量的目的,缺点是图形失真度较人。流程图(如图11)如下 画线开始 B 判断走向 Ⅹ方递增 Y方向递增 按照算法在X 按照算法在Ⅹ 或Y方向前进 Y方向前进 终点 终 画线结束 图11画直线流程图 3.2.5SD卡存储程序 采用SPI接口,直接对文进行读写,通过中断处理程序,即对QRS波的检测, 每检测到一个R波,指示灯亮。然后计算心电心率,实现储存和回放功能。SD卡每 次只存取组心电信号。 4作品性能测试与分析 4.1静止状态下测定 被测对手测 实时心率显示 象 20s 30s 40s 50s 60s 平均 值 79 79 83 77 79 7979.8 70 72 72 77 68 70 80 80 80 81 79.6 说明:本系统存在阈值时间,在16s后能较准确地反腴人体心率,所以选择20s 以后每隔10s为数据采集时刻;利用人工手测心率,在记均数时会产生一定的偏差; 测量时外界些干扰对人体心率的测定也会产生影响;通过将各时刻心率显示的数 值求平均值,以减小误差。 4.2运动后测定 被测|手测心 实时心率显示 对象率 20s30s 40s 50s 60s平均值 l13 l18 108106104110 112 102 104 126 102 92 103.8 说明:运动后心跳加快,心夲明显增高,但随着测试时间的增加,心跳减慢 心率逐渐降低。 4.3结果分析 经过对静止状态和运动后状态下的测定的结果的分析,发现本系统能较好地 测定人体心率,并且误差较小 5总结与展望 本系统(实物图如图12〕结构简单,性能稳定,由电池供电,便于随身携带,可 在任何时间任何地点进行检测。还可以进一步提高软硬件的设计精度,克服运动过 程中基线漂移的影响,实现对剧烈运动过程中的人休进行检测。随着电子信息技术 及无线遥测技术的迅速发展,便携式无线牛理参数测量设备的研制已经成为可能。 然而,由于价格原因,目前还未得刭普及。通过对人体心率检测系统的进一步研究, 减少成本,便携式的无线信号采集系统装置必将有一天走出实验室,成为人们身边 必不可少的健康工具。 图12实图 参考文献 [1沈建华杨艳琴,翟骁曙,利尔达MSP430系列16位超低功耗单片杌原理与应用.北京:清 华大学出版社,2004 [2]吴水才,林家瑞,邓云东.一种心电和心室晚电位综合采集电路的设计.中国医疗器械杂 志,2000.24(1) 3 A Single-Supply Op-Amp Circuit Collection. Texas Instruments Application Report. 2000 「4]梅铁民,虞闯.心电信号中50Hz十扰的消除.沈驲工业学院学报,2000,19(2) 附录一:系统I0G0实拍照片 10 【实例截图】
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