便携式心电图采集与控制系统设计

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  •     本系统设计在硬件上由基于ARM7TDMI-S内核的微控制器LPC2478、重复可擦写低功耗U盘、点阵LCD显示器模块等组成心电动态采集存储仪;软件上则使用嵌入式实时操作系统mC/OSⅡ作为系统控制平台,提高了系统的可靠性。本系统可连续记录受检者24~48小时的心电图变化,检查期间由受检者随身携带而不影响其日常生活与工作,可长时间作动态连续监测记录,大容量的U盘和USB2.0协议的出现,使得数据的传输越来越方便和迅捷,这为便携式手持移动存储心电图设备提供了条件。该系统原理图如图1所示。

      系统实现

      系统主要模块框图如图2所示。由于电极采集到的心电信号属于强噪声背景下的超低频(0.5~100Hz)微弱信号(0.1~5mV),所以需要前置放大部分将微弱的心电信号高保真放大,并通过低通滤波、高通滤波及50 Hz陷波滤除干扰,才可以送往LPC2478的A/D 转换器AIN0进行A/D转换。

      前置放大部分电路由输入跟随、仪用放大器、右腿浮地驱动组成,输入跟随器为提高输入阻抗、获取更多的心电信号,采用高精度运算放大器OPA427,接收来自左、右手的心电信号经调整后送往仪用放大器,由高精度仪用放大器进行一级倒相放大后的信号送到低通滤波器,原始心电信号中的共模噪声经过一级放大后返回人体,使其相互叠加,从而可以减小人体共模干扰的绝对值,提高信噪比。

      低通及高通滤波部分,由于心电信号属于低频信号,为了去掉高频的干扰,还须通过低通滤波。低通滤波器截止频率为110Hz,放大器的温漂、皮肤电阻的变化、呼吸和人体运动都会造成心电信号出现所谓的“基线漂移”现象,也即输出端的心电信号会在某条水平线上缓慢地上下移动。从频谱上说,这些影响都可以归结为一个低频噪声干扰,于是使用高通滤波器滤除这部分干扰。在主放大器部分,通过调整电位器的阻值 RP1来设置整个心电放大电路的总增益。主放大器采用低功耗低噪声的运算放大器TLC225。50Hz频率陷波部分主要用来滤除以差模信号方式进入电路的工频干扰。电平提升部分用来把双极性信号转化为单极性信号,以便可直接送入AIN0。

      硬件设计

      硬件平台

      负压产生电路

      由于心电图原始数据处理中数据放大和滤波电路中OPA4277、AD620和TLC2254芯片需要用到负压,故此在电路中加入负压产生电路,主要应用电压转换芯片MC34063通过起振产生-12V的负压,之后再进行分压得到芯片要求的-5V电压。

      信号前置放大电路

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