智能健康监护仪的研究(3)

2019-03-16 12:02

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.3通道UART串口接口,还可跳接为MODOM方式 .2通道 USBHOST和1通道 USBDEVICE .Smart Media Card控制器 .JTAG接口

.640X48OTFT触摸屏LCD .SD卡/MMC卡主机控制器 .8通道10位ADC模数转换接口 .SPI接口

.HS数字音频输入/输出接口 .10M以太网接口 .EXBUS全扩展接口

在进行开发工作时,将开发板与其配套的JATG仿真器Unet1CE相结合进行开发,当编写完应用程序后,用Unet ICE将可执行文件下载到开发板上调试。最后当完成程序的开发工作,用Unet ICE将程序固化到开发板的 NAND Flash中。

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3心电信号采集及调理模块电路设计

3.1心电信号波形及特点

心脏各部分兴奋过程中出现的电位变化的方向、途径、次序和时间等均有一定规律。由于人体为一个容积导体,这种电位变化亦必然扩布到身体的表面。鉴于心脏在同一时间内产生大量电信号,将心脏产生的电位变化以时间为函数记录下来,这记录曲线称为心电图(ECG)。图3-1所示为典型心电波形图。心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电变化。

图3-1典型心电波形图

正常心电图波形包括:

1.P波:一般为钝形,有时有轻度切迹但波峰间距小于0.03秒。VIVZ导联顶部尖。宽度:0.06-0.115,高度:小于O.25mV。

2.PR间期:0.12-0.205,不同导联测量的P-R间期可略有差别。

3.QRS波群:正常时有些导联可出现小Q波,但其深度小于0.25R,宽度小于0.045。宽度:0.06-0.105,高度:V1的R波小于10mV,VS的R波小于25mV。

4.ST段:正常人的ST段下移不超过0.05mV,ST段上升不超过0.lmV。而V1-V3上升不超过0.3mV。

5.T波:波形平滑不对称,上升慢而下降快。高度:QRS主波向上的导联T波不应低于同导联R波的1/10。

6.QT间期:正常人当心率在60-100次/分时,QT间期正常值为0.32-0.445。因此心电信号是由P、QRS、T波和静息期组成,各波频率特性不尽相同。它是一种非平稳信号,在采样过程中,常常掺杂各种噪声和干扰。心电信号的主要特点是:

微弱:mv级;

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超低频:心电的主要成分 <50Hz; 信噪比低,对放大器要求严格;

3.2心电信号采集及调理电路具体实现

心电数据采集及调理模块包括前端放大和右腿驱动电路、高通滤波电路和二级放大电路、二阶低通滤波电路、双T有源陷波器、电平提升电路等。总体设计框图如图3-2所示。

图3-2心电采集电路框图

1.前端放大、右腿驱动电路设计

由于心电信号的微弱、干扰大、低频等特性,所以在进行心电前级放大电路的设计中,对放大器的选择有严格的要求,如:高输入阻抗,高共模抑制比,低噪声,低漂移等特性。为了满足这些要求,本设计中选择ADI公司生产的仪用放大器AD620A作前级放大芯片。AD62OA是一款低价格、高精度的仪用放大器,有非常优良的性能,是生物放大器设计中的经典之作。由于AD620A的低功耗、低电压和小封装使其在便携式仪器应用中非常有用;同时,低偏置电流、低电流噪声和低电压噪声等优良性能增强了它的动态性能。

一般来说,共模抑制比(CMRR)随增益(G)增大而有所提高,但考虑到前置级对整个放大电路噪声的贡献,放大器的噪声性能一般随第一级增益的提高而明显变差,特别是集成器件噪声性能一般比分立元件差。因此第一级增益不宜取值过度,一般G<20为宜。本文将前置放大增益设置为7。由式3-1可确定R。(RS)的值为8.25K。

(3-1)

另外为增加人体和仪器在使用时的安全性,在左右手的导联输入与前置放大器之间增加了由二级管Dl、D2、D3、D4组成保护电路。当正常情况下的工频共模干扰可达300mV左右,而两个反向并联的硅二极管的导通电压为士600mV左右,因此在正常情况下二极管是处于截止状态,不会影响心电信号的采集,只有当两个输入导联的电压超过保护电压的闭值时,二极管才处于导通状态,保护人体和仪器不受损坏。

为提高前置放大器的共模抑制效果,本文采用了右腿驱动电路取代直接接地,它是心电信号提取中非常有用的方法,这种方法能够使50Hz共模工频干扰电压降低到

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1%以下。而且不会损失心电信号中的50Hz的有用信号成分,与右腿接地的方法比较,右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好,但由于存在交流干扰电压的反馈环路,经过人体形成不安全因素,因此在使用时需外接限流电阻R z,本文R z取220K。图3-3为前置放大、右腿驱动电路。

图3-3前置放大、右腿驱动电路

2.二级放大、滤波电路及电压提升电路设计

心电放大的倍数一般在1000倍左右,经过前级放大器的放大,信号还需要进一步放大;为了去除心电信号中的低频、高频和50Hz的工频干扰信号,还需要进行高通、低通和陷波等模拟滤波器的设计。图3-4为高通滤波、二级放大、有源二阶低通滤波电路电阻R7、RS、R9及放大器U3构成了一个同相放大器,放大增益由式3-2确定

(3-2)

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图3-4高通滤波、二级放大、有源二阶低通滤波电路

由于ECG信号带宽为0.05-250HZ,因此在本文设计的高通滤波器的下限频率fL为0.05HZ,低通滤波器的上限频率坛为250Hz。在设计滤波器时,因为电容标称值的分档较少,比较难配,一般从选定电容器入手,电阻相对分档较多,相对好配。在选配电容时可根据频率按照表3-1选择适当电容值。

表3-1滤波器工作频率与电容值选择对应表 f (1-10)Hz c (20-10)uF

(10-10)Hz (10-0.1)uF 2(10-10)Hz 23(1-10)kHz 43(10-10)kHz (10-10)kHz 322223(0.1-0.01)uF (10-10)pF (10-10)pF (10-10)pF 上图中C2、R6构成了一阶高通滤波器,其下限频率由式3-3计算可得。

(3-3)

低通滤波器采用了适合于生理信号特征的巴特沃兹有源二阶滤波器,它由电阻R10、R11、R12、R13,电容C3、C4及放大器U4组成,其上限频率由式3-4计算可得。

(3-4)

工频干扰在生理参数采集中的干扰是最为普遍的,为消除工频千扰(我国工频干扰为50Hz)对ECG信号的采集时的影响,在本设计中加入了双T有源陷波器,可以把频带中50Hz的信号分量滤除,但它同时也会滤除所采集的ECG信号中有用的50Hz信号分量,因此在工频干扰不大或消失的情况下,应将此滤波器在ECG信号调理电路中切除,本设计采用跳线的方法来实现。电路如图3-5所示,其滤除频率f由式3-5确定。

(3-5)


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