基于低功耗MCU的心電信號(hào)采集系統(tǒng)

葉敢 李惠浩 王龍輝 楊銳

摘 要：本文針對(duì)現(xiàn)狀提出并設(shè)計(jì)一種超低功耗便攜式的心電信號(hào)采集系統(tǒng)，使用TI模擬前端芯片ADS1292實(shí)現(xiàn)兩路心電信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，以STC8C2K64為控制核心板，將采集來的信息送至主控單片機(jī)通過無線傳輸模塊發(fā)至上位機(jī)繪制心電圖，分析計(jì)算心率。設(shè)計(jì)采用右腿驅(qū)動(dòng)電路和低通濾波及軟件IIR濾波抑制干擾措施，提高放大器共模抑制比。通過NRF24L01將數(shù)據(jù)傳輸PC上位機(jī)顯示動(dòng)態(tài)心電圖。各個(gè)模塊功能完整，測(cè)量精度誤差不大于各自要求其誤差不大于2%。

關(guān)鍵詞：心電信號(hào)，低功耗，濾波，無線傳輸

1.前言

1.1設(shè)計(jì)背景

如何設(shè)計(jì)高精度、便攜式及低功耗的心電采集模擬前端電路成為“智慧醫(yī)療”發(fā)展的重要組成部分之一。因采集個(gè)體、采集環(huán)境和采集電極的變化，心電信號(hào)的幅值將發(fā)生改變，所以為了更加有效的采集心電信號(hào)，不同結(jié)構(gòu)類型的心電采集電路被廣泛的研究與應(yīng)用。

1.2設(shè)計(jì)目的及意義

本課題的主要工作是設(shè)計(jì)出心電信號(hào)采集無線傳輸系統(tǒng)。我們?cè)趩纹瑱C(jī)環(huán)境下開發(fā)的心電實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析系統(tǒng)能夠?qū)Ω鞣N心電監(jiān)護(hù)算法做出評(píng)估，是一件有重要意義的工作。具體包括以下幾個(gè)方面的工作：

1、熟悉研究課題所需的STC8C2K64單片機(jī)和無線通信協(xié)議，了解WIFI通訊流程以及通訊指令、事件和數(shù)據(jù)分組格式。

2、基于IIR濾波，過濾掉采樣中的干擾信號(hào)。

3、提出了一種新的心電信號(hào)采集裝置。

4、最后在PC平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)保存的功能。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種心電信號(hào)放濾波;實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，無線傳輸至PC平臺(tái)上。

2.總體方案設(shè)計(jì)

2.1總方案提出與論證

2.1.1總方案

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集心電信息。使用ADS1292作為采集心電模塊主要芯片，通過IIR濾波濾去多余信號(hào)。通過單片機(jī)控制各個(gè)模塊，采集分析數(shù)據(jù)繪制并計(jì)算得出心率。通過NRF24L01無線傳輸通信傳送運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示心電圖等信息。

2.1.2濾波方案

方案一：通過二階的50Hz雙T陷波器對(duì)人體內(nèi)產(chǎn)生的50Hz的天線噪聲和電源供電引入的工頻干擾進(jìn)行濾波。

方案二：使用數(shù)字濾波器同樣對(duì)人體噪聲和工頻干擾進(jìn)行濾波，在matlab做出IIR四階濾波器對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

對(duì)比以上兩種方案通過陷波器后仍有較大工頻干擾，且陷波器自帶噪聲也夾雜在所需ECG信號(hào)中。而數(shù)字濾波設(shè)計(jì)更方便，可及時(shí)糾錯(cuò)從而成本降低，效率更高。

2.2方案論證選擇

分析可知，低功耗MCU心電采集系統(tǒng)主要包括前置輸入回路模塊放大模塊、濾波網(wǎng)絡(luò)模塊、無線傳輸模塊等模塊。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于選擇滿足功能實(shí)現(xiàn)的低功耗MCU，前端模擬放大模塊和濾波網(wǎng)絡(luò)模塊。方案論證主要圍繞濾波部分展開。

2.2.1濾波方案

工頻干擾：工頻干擾是由電力系統(tǒng)引起的一種干擾，由50hz及其諧波構(gòu)成的一種干擾，幅值約為ECG（心電信號(hào)）的50%。

基線漂移：呼吸作用引起的，源于被測(cè)對(duì)象在測(cè)試過程中呼吸時(shí)電機(jī)與人體皮膚間的阻抗儀器放大的熱噪聲等干擾引起的，頻率約為0.15-0.3hz。呼吸作用時(shí)ECG幅值有15%的變化。

肌電干擾：來源于人體的肌肉顫抖，肌電干擾產(chǎn)生毫伏級(jí)電勢(shì)，可視為瞬間發(fā)生的高斯零均值帶限噪聲。

工頻干擾可以用先波器進(jìn)行處理，過濾50hz信號(hào)，而基線漂移則通過高通濾波器消除0.5hz以下的頻率。常用固定頻率的設(shè)計(jì)有IIR濾波器和FIR濾波器兩種，其中FIR濾波器具有良好的線性相位。

但是在同等性能條件下階數(shù)比IIR濾波器高，運(yùn)算量大。故本設(shè)計(jì)的工頻陷波和高通濾波均采用IIR濾波器來設(shè)計(jì)IIR濾波器的設(shè)計(jì)方法有脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法，但過程比較復(fù)雜，借助Matlab的fdatool工具包可以直接生成相關(guān)參數(shù)。再通過直接II型翻譯成c語言形式應(yīng)用于STC8C平臺(tái)

導(dǎo)出濾波系數(shù)得到轉(zhuǎn)移函數(shù)：

再根據(jù)濾波器直接II型實(shí)現(xiàn)框圖，翻譯成c語言代碼并燒錄到主控芯片中運(yùn)行

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

葉敢（2001-）漢族 四川成都，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

李惠浩（2001-）漢族 河南平頂山，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

王龍輝（2000-）漢族 四川簡陽，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化

楊銳（2001-）漢族 四川遂寧，本科，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化