畢業(yè)論文：基于AVR單片機心電圖儀的設計

1、成 績： 江西科技師范學院畢業(yè)設計（論文）題目（中文）： 基于avr單片機心電圖儀的設計 （外文）： ecg based on the design of the avr 院（系）： 通信與電子學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學生姓名： 鐘強 學 號： 20061680 指導教師： 蔣琴 年 月 日目錄1.引言.1 1.1 心電圖儀的研究現(xiàn)狀.2 1.2 心電圖儀的發(fā)展趨勢.3 1.3 研究心電圖儀的意義.42.簡易心電圖儀的原理.5 2.1 心電圖儀的工作原理.5 2.2 心電信號的產(chǎn)生機理.6 2.3 心電信號的特征.6 2.3.1 時域特征.6 2.3.2 頻譜特征.73.基于avr心電圖

2、儀的硬件設計.7 3.1 心電圖儀的硬件設計方案.7 3.2 atmega128單片機的介紹.8 3.2.1 微處理器的選型.8 3.2.2 微處理器的特點.9 3.2.3 atmega128的主要引腳功能.10 3.3 信號采集電路設計.11 3.3.1 導聯(lián)通道的選擇.11 3.3.2 差分運放的選擇.12 3.3.3 前置放大電路.12 3.3.4 后級放大電路.13 3.3.5 濾波電路.14 3.3.6 陷波處理電路.15 3.3.7 電平抬升電路.16 3.3.8 電源電路.17 3.4 信號處理電路設計.17 3.4.1 處理電路方案.17 3.4.2 存儲電路.18 3.4.3

3、 按鍵電路.18 3.4.4 lcd顯示電路.194.基于avr心電圖儀的軟件設計.19 4.1 主程序流程.19 4.2 串口初始化.20 4.3 信號采集程序設計.20 4.4 液晶顯示程序.21 4.5 按鍵程序.225 結(jié)束語.23參考文獻.24 基于avr單片機心電圖儀的設計摘要：心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為0.05hz100hz，幅度約為04mv，信號十分微弱。由于心電信號中通?；祀s有其它生物電信號，加之體外以50hz工頻干擾為主的電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜。為了不失真地檢出有

4、臨床價值的干凈心電信號【1】，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能。本設計利用avr單片計和a/d轉(zhuǎn)換以及多路模擬開關設計了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。關鍵詞：心電圖儀；信號采集；信號處理；atmega128單片機1. 引言 近幾年來生物醫(yī)學測量與儀器的研究和開發(fā)應用發(fā)展十分迅速,其主要發(fā)展趨勢是: 完善儀器的功能,注意人機工程的運用使測量儀器實現(xiàn)自動化與智能化；發(fā)展無拘束及適合家庭使用的生物測量與監(jiān)護技術及儀器,例如，適合家庭或個人使用的心電、血壓、血糖及其他生理、生化參數(shù)的檢測與記錄技術,以及將這些技術應用于多媒體技

5、術和高速信息公路相結(jié)合的遠程醫(yī)療保健系統(tǒng)等。因此,人們希望有一種醫(yī)療儀器,能夠在家里隨時隨地進行心電圖信號的測量,并且把心電圖信號記錄下來,做大概的判斷,在方便的時候到醫(yī)院讓醫(yī)生作進一步的診斷。對于情況嚴重的患者或行動不便的人,希望能夠利用網(wǎng)絡通信的先進技術, 立即把測量的心電圖信號通過遠程傳送的方式,傳送到指定的醫(yī)院由醫(yī)生進行診斷。作為一個醫(yī)生,在門診和查病房時,也希望有一個可以隨身攜帶的心電圖儀器, 方便疾病的快速診斷。隨著生活節(jié)奏的加快, 生活水平和健康意識的提高, 人們需要隨時對心臟進行健康監(jiān)護, 并且能在較危急的情況下進行及時的診治。對慢性病患者來說, 如果長期住在醫(yī)院里接受監(jiān)護和治

6、療,不僅花費高而且給醫(yī)院容量帶來壓力，所這種以便攜式心電圖儀【2】正是滿足以上趨勢和需要而設計研制的。1.1 心電圖儀的研究現(xiàn)狀 英國生理學家einthoven在1887年用毛細管靜電計記錄了心動電流圖。為了得到更準確的心電圖信息，從1895年開始他展開了對心臟動作電流的研究，并在德 阿森瓦爾氏的鏡影電流計基礎上，改進了其設計方法，提高了心電圖的質(zhì)量。其在1903年設計了弦線式電流計，該弦線式電流計采用了新的設計方法，利用極細的鍍銀石英絲代替動圈，并通過反射鏡記錄心動電流，解決了以前測量設備的惰性大，記錄誤差大以及需要繁瑣的數(shù)學計算等缺點。同年，他又制定了標準測量單位，即心電圖的影線在縱坐標上

7、波1cm，代表1mv的電位差，在橫坐標上移動1cm為0.4秒。這種方法簡單直觀， 并采用 p、q、r、s、t等字母標出心電圖上的各波，這種標記方法一致沿用至今。同時制定了三種標準異聯(lián)系統(tǒng)。在1912年他深入研究了正常心電圖的波動范圍后，提出了著名的“愛因托芬三角”理論?？傊麑π碾妶D的創(chuàng)立及發(fā)展有著不可磨滅的貢獻，被尊稱為“心電圖之父”，1924年eintho ven教授獲得了諾貝爾生理學和醫(yī)學獎。 從此利用心電圖協(xié)助診斷疾病逐漸廣泛應用于臨床。隨著社會的發(fā)展，心電圖檢測理論越來越成熟與完善，另外機械、電子、計算機等技術的迅猛發(fā)展，帶動了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強了心電圖機的功能。

8、動態(tài)心電圖(dynamic electrocardiography dcg)于1949年由美國holte首創(chuàng)，故又稱holter心電圖。國外80年代已在臨床廣泛應用，國內(nèi)發(fā)展比較晚，近幾年才開始迅猛發(fā)展，該儀器由以前的磁帶式記錄發(fā)展為固態(tài)式記錄、閃光卡記錄，由單導、雙導發(fā)展為12導聯(lián)全記錄。dcg功能強大，能夠連續(xù)記錄24小時心電活動的全過程，包括休息、活動、進餐、工作、學習和睡眠等不同情況下的心電圖資料，能夠檢測出心律【3】失常和心肌缺血等一些常規(guī)ecg不易發(fā)現(xiàn)疾病。對臨床分析病情、確立診斷、判斷療效有重要參考價值。近半世紀以來，動態(tài)監(jiān)護設備更加智能，功能更加完善，類型也越來越多。1.2 心

9、電圖儀的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是計算機、微電子、機械電子在醫(yī)療領域的廣泛應用，極大的促進了心電設備的發(fā)展。目前各大醫(yī)療器械廠商都投入巨資開發(fā)性能更強、功能更加完善的心電設備，比如歐姆龍、北京超思、亞新、均在該領域的研究與生產(chǎn)上有所突破。 綜觀當前心電檢測儀器發(fā)展趨勢，主要向以下幾個方向發(fā)展：(1) 數(shù)字化 隨著計算機科學、機械電子的迅猛發(fā)展，醫(yī)療器械的數(shù)字化程度越來越高，比如數(shù)字濾波器的使用，極大的降低了心電干擾，提高了心電判斷的準確率。(2) 無線化 無線傳感技術的發(fā)展能夠促使心電檢測無線化，從而擺脫傳統(tǒng)心臟檢測的繁瑣程序。同時，能減輕病人的心里緊張程度，實現(xiàn)心電檢測的方便性

10、。 (3) 自動化 自動測量和分析是醫(yī)療儀器的發(fā)展方向，使醫(yī)療器械智能化是目前醫(yī)療器械設計的目標之一。(4) 遠程醫(yī)療 計算機技術、網(wǎng)絡通信技術的快速發(fā)展，為遠程醫(yī)療的實現(xiàn)提供了可能，將心電數(shù)據(jù)通過遠程傳輸，在遠端對心電數(shù)據(jù)加以分析處理并提出診斷結(jié)果，從而實現(xiàn)遠程醫(yī)療。如目前出現(xiàn)的基于gprs網(wǎng)絡的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)就是這個發(fā)展趨勢的體現(xiàn)。 總之，科技不斷進步，人們的需求也在變化，設計符合市場需求的產(chǎn)品是企業(yè)生存的根本，利用高科技帶來的技術革命去更新醫(yī)療器械更是一個巨大的市場機會，我們相信，在未來幾年里，家庭化的監(jiān)護設備必將越來越普及。1.3 研究心電圖儀的意義 心電圖是反映心臟興奮的電活動過程

11、,它對心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的參考價值。心電圖可以分析與鑒別各種心律失常；也可以反映心肌受損的程度和發(fā)展過程和心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況。在指導心臟手術進行及指示必要的藥物處理上有參考價值。然而，心電圖并非檢查心臟功能狀態(tài)必不可少的指標。因為有時貌似正常的心電圖不一定證明心功能正常；相反，心肌的損傷和功能的缺陷并不總能顯示出心電圖的任何變化。所以心電圖的檢查必須結(jié)合多種指標和臨床資料，進行全面綜合分析，才能對心臟的功能結(jié)構(gòu)做出正確的判斷。心電圖儀是診斷心臟病的重要儀器之一, 微型家用心電圖儀正是面向廣大用戶而設計的。其體積較小，攜帶方便，便于出門在外使用；操作簡單，功能齊全、價格

12、便宜、功耗低,性價比高,適于在廣大普通用戶和家庭中推廣應用。2. 簡易心電圖儀的原理2.1 心電圖儀的工作原理簡易心電圖儀系統(tǒng)主要由前置放大、后級放大、濾波電路、電壓抬升電路、單片機模塊、按鍵模塊和lcd顯示模塊構(gòu)成。因為電極采集的心電信號參雜著共模信號，所以需經(jīng)前置放大，進行差模信號放大，去除共模信號。再經(jīng)后級放大將心電信號放大。但放大后的電信號仍然參雜著電磁干擾和高頻信號干擾，要進行濾波處理。具體操作是先隔直，后低通，再50hz陷波【4】（去工頻干擾）。經(jīng)濾波后的電信號為雙極性信號，需抬高，才能進行ad采樣。atmega128單片機對電壓抬升后的電信號進行ad采樣。系統(tǒng)通過按鍵電路，來控制

13、lcd顯示的內(nèi)容。lcd顯示atmega128 電壓抬升電路濾波電路后級放大前置放大心電信號按鍵電路 圖21 系統(tǒng)框圖2.2 心電信號的產(chǎn)生機理 心臟的結(jié)構(gòu)復雜，可以把心臟看作一個水泵，能夠不斷地有規(guī)律性的發(fā)生興奮和收縮【5】，從而推動著整個血液的循環(huán)。心電信號就是有心肌激動產(chǎn)生的微小電流，該電激動是在心臟機械收縮之前產(chǎn)生的。圍繞在心臟周圍的組織和體液具有導電性，這些微小電流總和就通過組織及體液傳導反映到體表上來。從而造成體表不同點之間的電位差不同，通過采集這些電位差就可以繪制出心電圖來。 隨著科技的進步，各種尖端檢測儀器不斷更新，極大的提高了對心電信號的研究與分析能力。心電圖是記錄心臟電活動

14、狀態(tài)的記錄，包括心臟節(jié)律和頻率以及電壓的高低等信息，可用于診斷各種心律失常、心肌病變、心肌梗塞及心肌缺血等心血管疾病。同時對心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù)。2.3 心電信號的特征 生物醫(yī)學信號都具有信號強度較弱、背景噪聲較強、頻率范圍一般較低、隨機性強等特點【5】。當今生物醫(yī)學信號處理已經(jīng)是一個重要的研究領域，也是近年來迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理技術的一個重要的應用方面。心電信號屬于直接信號，信源是心臟，具有周期信號的性質(zhì)，同時還有非平穩(wěn)的特性，由于干擾因素的存在，心電信號總是在一定的范圍內(nèi)波動，有時候也會隨著某種疾病發(fā)生改變，不同的人，其心電圖的波形有差異，這個差異有時還很大，但是，一

15、般正常的心電波形都可以劃分為幾個部分。 2.3.1 時域特征 通過電極對心電信號進行提取，可以畫出心電信號的電壓幅度隨著時間變化的圖形，即是一個典型的正常心電波形。信號的幅度很小，一般為10v4mv，典型值是1mv。 心電信號是一個近似周期信號，它的特點是突變性很強，屬于一種非常典型的具明顯時頻特性與時間-尺度特性的生物醫(yī)學信號?？梢钥闯鲂碾娦盘柧哂幸韵绿攸c： (1)微弱性：經(jīng)過實驗測試得出，心電信號的幅度一般只有0.055mv，均值在1v，很容易受到干擾的影響，極易被淹沒。給信號的檢測帶來了困難。 (2)低頻特性：人體心電信號頻率比較低，有價值的頻率范圍一般為0.05100hz，能量大部分集

16、中在0.0540hz。 (3)高阻抗：人體源阻抗一般較大，可達幾k至幾十k，其作為心電信號的信號源，給心電信號的檢測帶來了不利，容易造成心電信號的誤差和失真。 (4)不穩(wěn)定性：人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，各個器官之間相互協(xié)調(diào)相互影響，又與外部直接接觸，密切聯(lián)系，所以，無論來之于內(nèi)部的還是外部的影響，都能引起ecg的變化，導致心電信號的不穩(wěn)定。因此，在對信號進行檢測、處理與分析時，要考慮這一特性，并采取相應的措施。 (5)隨機性：人體周圍的環(huán)境非常復雜，在檢測時不可避免的會受到各種各樣的外界干擾而使心電信號發(fā)生變化，從而造成心電信號的隨機性。不過，這種隨機性并不是毫無規(guī)律可言，通過對心臟自發(fā)放電的構(gòu)型進行

17、統(tǒng)計并分析，可以發(fā)現(xiàn)放電的內(nèi)在規(guī)律。所以，在對ecg的檢測中，要綜合考慮，既要考慮它的隨機性，更要重視它的規(guī)律性。2.3.2 頻譜特征 據(jù)nitish.v.thakor等人的研究，直流成分在心電信號中占的比例很高，濾除直流成分后，頻率主要集中在0.05100hz，可見心電信號的頻率較低，強度非常微弱，而其中的能量大部分集中在0.0540hz范圍內(nèi)。從功率譜上可以看出，心電信號的能量大部分集中在qrs【7】期間，該期間的頻率峰值一般是在1020hz之間，在信號的中、高頻率區(qū)，由于這個特征在整個心電信號圖中非常明顯，因此對qrs波形的檢測變得非常容易識別。3.基于avr心電圖儀的硬件設計本系統(tǒng)利用

18、高精度通用運算放大器ina128對輸入的心電信號進行放大,再進行濾波,濾去高頻生物電,同時采用右腿屏蔽驅(qū)動電路,消除生物電和其它干擾信號的影響。經(jīng)放大處理后的心電信號通過atmega128集成的adc模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并寫入flash存儲器中。需要時,按回放按鍵,將flash存儲器的數(shù)字信號讀出來?？紤]到常規(guī)a/d轉(zhuǎn)換功耗較大,系統(tǒng)采用atmega128單片機,atmega128單片機的a/d采樣精度可達12位,最高采樣速率可達200ksps,具有采樣/保持功能的adc,完全能夠滿足心電信號檢測要求。其輸入范圍為02.5v,設計時選擇1.5v為參考電壓, 放大后的心電信號疊加參考電壓大

19、小為1.50.8v, 正好落在atmega128的adc模擬輸入信號范圍【8】。3.1 心電圖儀的硬件設計方案一個心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖,其中心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合適范圍后，再經(jīng)50hz陷波器濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬輸入端送入高速adc，以進行高精度a/d轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲。方案的提出與比較如下：方案一：采用模擬分立元件，可以產(chǎn)生心電波，但采用模擬元件太大，即使方案一使用單片機電路參數(shù)也與外部元件有關，外接的電阻電容對參

20、數(shù)影響很大，在濾波過程中會出現(xiàn)很大的干擾，使得輸出不精確，即此電路抗干擾能力低，成本也高；而且靈活性差，不能實現(xiàn)各種輸出的智能化。方案二：采用以msp430f149為核心，采用ina128芯片作為前置放大，運用多級運放電路來提取信號。它在一定的程度上可以達到題目要求。但是，共模抑制比很難達到發(fā)揮80db以上，而且精確度不高，在以后的輸出中會出現(xiàn)很多的毛刺。由于這些原因，我們不采用這種方法。 方案三：以為atmega128中心、采用性能優(yōu)良的ad620管作為前置放大，既可以提高放大倍數(shù)，也可以提高共模抵制比、電路結(jié)構(gòu)簡單。然后通過a/d和d/a轉(zhuǎn)換，輸出給示波器，若合理的選擇器件參數(shù)，可使其輸出

21、波形失真小。所以采用此方案。 系統(tǒng)原理框圖可以用圖3-1表示。整個系統(tǒng)有以下幾個部分組成： 采集電路：有前置放大電路、帶通濾波電路、主放大電路和電平抬升電路組成，心電信號由電極獲取后送入心電采集電路，經(jīng)處理后得到符合要求的心電信息。 （1）處理電路：主要完成對心電數(shù)據(jù)的采集、濾波、顯示、存儲和傳輸控制。 （2）存儲電路：利用sd卡完成心電數(shù)據(jù)的大容量存儲，并建立文件系統(tǒng)。（3）按鍵電路：完成良好的人機交互。 （4）顯示電路：實時顯示出心電波形和心電相關信息。 （5）電源電路：設計可靠的電源電路，為整個系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。帶通濾波電路 液晶顯示電路主放大電路電極前置放大電路電極atmeg

22、a128 微處理器 按鍵電路電平抬升電路電極右腿驅(qū)動電路sd卡存儲電路電源電路 圖31 系統(tǒng)總體原理框圖該系統(tǒng)總體可分為模擬和數(shù)字兩部分。模擬部分是指前端采集電路，包括前置放大、右腿驅(qū)動電路、帶通濾波電路、主放大和電平抬高電路。數(shù)據(jù)處理部分包括a/d轉(zhuǎn)換模塊、atmega128處理器模塊電路、存儲器模塊電路、鍵盤模塊、lcd接口電路、串口通信、電源管理模塊和上位機管理軟件等。處理流程為：通過電極提取心電信號，經(jīng)過放大、濾波等處理后送入atmega128進行a/d轉(zhuǎn)換，通過軟件濾波處理后得到光滑、正確的心電信號數(shù)據(jù)，通過tft-lcd實時顯示波形，并可以進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)上傳。上位機是一個數(shù)據(jù)接

23、收系統(tǒng)，能夠完成信號的接收、分析、顯示及其他處理。3.2 atmega128單片機的介紹 單片機系統(tǒng)用于接收心電圖信號處理電路傳送來的0-5v電壓信號,把模擬電壓信號變換成數(shù)字信號,并對信號進行處理后以圖形的形式在lcd液晶顯示器上顯示, 并且把測量的心電圖信號通過自身的串行口傳送出去。單片機應具有低電壓、低功耗的特點,一般8位單片機能夠滿足要求。lcd液晶顯示器采用點陣式圖形顯示器, 12864點陣的液晶顯示器基本能完整地顯示心電圖的波形,由于該種類型的lcd液晶顯示器本身帶有驅(qū)動器, 因此單片機可以方便地進行。3.2.1 微處理器的選型 mcu的選擇主要從以下四個方面來考慮： (1)mcu

24、在整個系統(tǒng)中的所承擔的任務復雜程度：在本設計中，mcu要負責信號的采集、信號的濾波處理、心電波形的顯示、數(shù)據(jù)存儲以及通信。 (2)mcu的處理速度：本設計中，mcu在進行濾波處理的同時要實顯示出心電波形，在某些情況下還同時要與pc機進行通信，因此，處理器要有很高的處理速度。 (3)對于整個系統(tǒng)的設計希望盡可能簡化：一個系統(tǒng)中所使用的元器件越多、電路結(jié)構(gòu)越復雜，則系統(tǒng)的出問題的概率越大，可靠性與穩(wěn)定性越差。因此在選擇 mcu 的時候，希望mcu內(nèi)部集成功能單元越多越好，這樣就能簡化系統(tǒng)設計，增加系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性。 (4)從控制系統(tǒng)生產(chǎn)成本的角度考慮：在本系統(tǒng)中，由于多試家庭使用及外環(huán)境的不確

25、定性因素較多，萬一出現(xiàn)設備損壞，希望替換成本越低越好，其mcu的成本占了整個系統(tǒng)的一部分，能夠降低mcu的成本也就能降低系統(tǒng)成本。 綜合以上四個方面，單片機的選擇主要考量三個因素，一是低功耗，系統(tǒng)盡可能采用普通電池供電；二是內(nèi)部資源豐富，可簡化電路設計，減少不必要的干擾；三是成本低，作為便攜式醫(yī)療設備，高性價比是其得以推廣的基礎?；谝陨弦蛩兀驹O計采用了atmel公司的atmega128作為系統(tǒng)的核心處理器，該處理器可在3.3v電壓下工作，并具有多達4k的內(nèi)部ram以及ad、spi等資源，非常適合于本系統(tǒng)的開發(fā)。3.2.2 微處理器的特點avr單片機的主要特點如下： （1) 哈佛結(jié)構(gòu)，具備1

26、mips/mhz的高速運行處理能力； （2）超功能精簡指令集（risc）,具有32個通用工作寄存器，克服了如8051mcu采用單一acc進行處理造成的瓶頸現(xiàn)象。 （3）快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號flash非常大，特別適用于使用高級語言進行開發(fā)。 (4)作輸出時與pic的hi/low相同，可輸出40ma（單一輸出），作輸入時可設置為三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10ma-20ma灌電流的能力。 (5)片內(nèi)集成多種頻率的rc振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。 3.2.3 atmega128的

27、主要引腳功能 avr單片機的主要引腳功能如下：(1)vcc數(shù)字電路的電源。(2)gnd接地(3)端口a(pa7.pa0)，端口a為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動 特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口a 為三態(tài)。(4)端口b(pb7.pb0)，端口b為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口b為三態(tài)。(5)端口c(pc7.pc0)，端口c

28、為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口c為三態(tài)。(6)端口d(pd7.pd0)，端口d為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口d為三態(tài)。(7)端口e(pe7.pe0)，端口e為8位雙向i/o 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電

29、阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口e為三態(tài)。(8)端口f(pf7.pf0)，端口f為adc的模擬輸入引腳。如果不作為adc的模擬輸入，端口f可以作為8位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上 拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口f為三態(tài)。(9)端口g(pg4.pg0)，端口g為5位雙向i/o口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動 特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電 路拉低時將輸出電流。復位發(fā)生時端口g為三

30、態(tài)。端口g也可以用做其他不同的特殊功能。(10)reset；復位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。門限時間在p47table19說明。低于此時間的脈沖不能保證可靠復位。(11)xtal1，反向振蕩器放大器及片內(nèi)時鐘操作電路的輸入。(12)xtal2；反向振蕩器放大器的輸出。(13)avcc；avcc為端口f以及adc轉(zhuǎn)換器的電源，需要與vcc相連接，即使沒有使用adc也應該如此。使用adc 時應該通過一個低通濾波器與vcc連接。(14)aref；ref為adc的模擬基準輸入引腳。(15)pen，pen是spi串行下載的使能引腳。在上電復位時保持pen為低電平將使器件進入spi串

31、行下載模式。在正常工作過程中pen引腳沒有其他功能。3.3 信號采集電路設計 有前面討論可知,心電信號是一種低頻率的微弱雙極性信號，極易受到干擾而導致信號失真，必須設計合理的調(diào)理電路，盡可能的去除干擾以提取有用的信息，為后面的處理電路提供可供采集和分析的信號源。對提高整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有重要意義。3.3.1 導聯(lián)通道的選擇在前置放大前級采用類比多工器adg609,考慮到一般生理信號都屬于差動式【9】的，而adg609的類比信號的輸入范圍介于vss與vdd之間，且有四個切換對，可以很輕易地經(jīng)由atmega128的設定來更改切換的頻率，除此之外還具有快速切頎時間（ton75ns max*to

32、ff45ns max）、低啟動阻抗、低消耗功率，以上這些特性都符合此設計的要求。adg609的真值表如31所示： 表31 adg609的真值表 al a0en通道選擇xx0none00110112101311143.3.2 差分運放的選擇 前置放大電路要完成的功能是實現(xiàn)信號的差分放大，該部分電路在整個采集電路中至關重要，因為后續(xù)信號的處理都是以此為基礎的。因此要選擇一款合適的差分運放芯片。選擇時一般考慮以下幾點：(1) 增益由于心電信號非常微弱,均值在1mv左右,而采集電壓一般要達到1v左右,所以心電放大倍數(shù)1000倍左右。一般為了抑制零點漂移，提高共模抑制比,應該分多級實現(xiàn)放大。(2) 頻率

33、響應所謂頻率響應是指放大器對不同信號頻率的反應，心電信號的范圍低于100hz,所以要求放大器要對此頻率范圍的信號盡可能不失真的放大出來?？梢栽O計高通、低通濾波器來壓縮頻帶,濾除該頻帶以外的干擾信號。必要時還需要設計50hz工頻干擾抑制電路,通過這樣處理后，得到的信號才可能有診斷價值。(3) 共模抑制比電極不對稱、電氣設備運行時的干擾都易產(chǎn)生極化電壓，然后通過放大電路其值極有可能遠比心電信號大得多，從而將微弱的信號淹沒。因此要求放大器有很高的共模抑制比。一般要求要達到80db以上。 (4) 輸入阻抗心電信號是微弱的，且具有高阻抗的特性，只有高輸入阻抗才有可能不失真的引出心電信號，不然由于分壓的因

34、素，會極大的衰減心電信號，從而導致無法正確采集。(5) 低噪聲、低漂移 在心電放大器中，還有兩個較重要的參數(shù)即噪聲和漂移。在設計心電放大器時應盡量選用低噪聲元件，提高輸入阻抗。另外，溫漂會引入直流電壓增益從而給心電信號帶來干擾。因此，選用的放大器要特別注意這兩個參數(shù)。3.3.3 前置放大電路 心電信號為一差動式信號并且小于4mv,通常信號會先經(jīng)過第一級的適當放大后,再經(jīng)過高低通濾波器,采用分級放大的原因是為了避免直流偏壓經(jīng)過放大后,造成后級的電飽和,而使放大后的信號產(chǎn)生失真.因此為了避免放大器飽和,在這一級的放大增益應該小于30, 一般說來作為前級放大單元必須具有高輸入阻抗.高共模斥拒比等基本

35、特性,在這里我們采用了低功耗,高精度的儀表放大器-ad620, ad620輸入端采用超處理技術，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達130db，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。其增益可調(diào)（范圍約11000倍），并可由公式: g1+(51+51)/15=7.2來確定。為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū)，其增益不能過大。試驗表明：10倍左右效果較好。因此,我們采用了此方案。 圖32 前置放大電路圖 3.3.4 后級放大電路通過ad620前置放大后的信號還是很微弱，采用精度較高的op07 對信號進行后級放大。后級放大電路采用二級同相放大電路，如圖3-3

36、所示。放大倍數(shù)由反饋電阻r6和r7，r8和r9決定。第一級放大倍數(shù)為：g1=1+r6/r7，第二級放大倍數(shù)為：g2=1+r8/r9，后級放大倍數(shù)為g=g1*g2。 圖33 后級放大電路3.3.5 濾波電路 盡管通過前面放大電路后，共模信號被有效的抑制，但由于電極與人體接觸時，因為不同的人體、導線等因素造成的一些不平衡因素依然存在，這些干擾會對放大器的工作造成嚴重的影響，因此，在放大器電路中濾波是很必要考慮的問題【10】。根據(jù)心電信號的頻率特性，濾波電路有三部分組成：隔直電路、二階低通濾波電路和50hz陷波器電路。隔直電路采用最普通的rc電路進行隔直。二階低通濾波電路采用塞爾低通濾波器如圖5,濾

37、除高頻干擾信號。其中r11=r12=150k，c3=c4=0.01f。則濾波器的傳遞函數(shù)為： (1)令s=jw，r11c3=1/w0，則(1)變?yōu)椋?(2) 根據(jù)(2)式可得幅頻響應表達式為： (3) 根據(jù)(3)式，w=w0,則特征頻率為： 。采用有源雙t結(jié)構(gòu)50hz陷波器電路如圖6，來濾除工頻干擾信號。雙t電路結(jié)構(gòu)基本是雙對稱型的，取r13=r14=r15=r16=10k，c5=c6=c7=c8=330nf，最大衰減頻率為：f0=50hz。放大器lf353a用來加正反饋，以改變阻抗。反饋量由r17和r18的分壓來決定。取r17=56k，r18=5.1k，則品質(zhì)因素為：q=3。后級的op07用

38、來解決前面得陷波電路與后級電路之間的阻抗變換問題通過電壓跟隨把濾波后信號傳遞給下一級電路【11】。 圖34 濾波電路圖 3.3.6 陷波處理電路 工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，所以必須專門濾除。本論文采用模擬雙t陷波。通過圖五幅頻特性可知,對于w=w0的其他頻率方案二信號,通過雙t網(wǎng)絡具有較強的負反饋，因為雙t網(wǎng)絡具有良好的濾波特性，在儀表的電源噪聲濾波電路中獲得了較為廣泛的應用，又因為雙t網(wǎng)絡具有比

39、rc串、并聯(lián)網(wǎng)絡更好的選頻特性，故我們選用了此方案。為了防止50hz的工頻對電路的干擾。對工頻進行陷波提高電路的穩(wěn)定性，利用雙t二階帶阻濾波電路進行陷波。電路如下圖所示：根據(jù)理論值：c為1uf，r2=160，r1=16k,r5=r6=2k,r4=4k；在調(diào)試的過程中，根據(jù)理論值進行測試，陷波頻率偏離原設計頻率較遠在75hz，在電容不變的情況下，經(jīng)過多次對電阻調(diào)試，最后選中r2=180，剛好將50hz的中心頻率陷掉，范圍在4853hz之間。達到題目給定要求。陷波處理電路如35所示： 圖35 陷波電路3.3.7 電平抬升電路 經(jīng)過一系列信號調(diào)理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而本設計中adc08

40、09轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為05v，因此，在送入adc之前還需進行電平抬升，放大后的心電信號電壓大概為-0.5v1.5v，而 a/d的輸入范圍為03.3v，因此需要把信號抬升，保證能采集到全部的心電信號。圖36為差分輸入放大電路，輸入信號反向后與正輸入端的電壓相加，正輸入端的電壓可以通過p3滑動變阻器進行調(diào)節(jié)。從而達到電平抬升的目的。 圖36 電平抬升電路 3.3.8 電源電路 電源電路是整個系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)，隨著便攜式產(chǎn)品的普及，如何降低功耗成為工程師面臨的急需解決的問題。如果電源不穩(wěn)定可能造成系統(tǒng)不能正常工作，嚴重的甚至燒壞芯片引發(fā)事故。因此電源管理越發(fā)顯得重要。 心電采集電路需要土5v電源

41、，atmega128工作電壓為3.3v，負電壓可以采用icl7660s來產(chǎn)生，它是電荷泵方式的電壓反轉(zhuǎn)器，外圍只需外接兩只低損耗電容，無需電感，降低了損耗、面積及電磁干擾。芯片的振蕩器額定頻率為10khz，多用于lcd、儀表中。圖3-7是其典型應用。3.3v的電壓采用ams1117產(chǎn)生，其最大的特點是簡單易用，而且性價比高，輸入電壓5v12v，直接輸出3.3v。電路如下所示。 icl7660s典型應用電路如37所示： 圖37 icl7660s典型應用3.4 信號處理電路設計通過心電采集電路處理后的信號符合了采集要求，數(shù)據(jù)處理電路通過a/d 轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進而通過對數(shù)據(jù)的分析處理

42、完成后續(xù)復雜的功能。3.4.1 處理電路方案 心電數(shù)據(jù)處理電路主要完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、串行通信、液晶顯示、sd卡存儲、鍵盤控制等。電路框圖如圖38所示液晶顯示電路atmega128微處理器按鍵電路 模擬信號上位機電源電路sd卡存儲電路 圖38 心電數(shù)據(jù)處理電路圖3.4.2 存儲電路在本心電圖儀中,利用sst39vf080作為單片機外擴展存儲器,存放心電數(shù)據(jù)。sst39vf080的存儲空間最大可達2mb；芯片的供電范圍為2.7v3.6v,與所選微控制器的相符；工作電流為15ma,未選中時耗電僅4a,也是典型的低功耗設備,適于在本系統(tǒng)中應用；圖3-9中sst39vf080的ce引腳為片選端,

43、oe為讀操作控制端,we為寫操作控制端, 均為低電平有效。在使用時通過置單片機的p4.4腳為低電平,進行選片。同時通過控制p4.5及p4.6腳的電平,決定對存儲器是進行讀操作還是寫操作, 兩引腳電平不能同時有效。d0d7a0-a7a8-a15a16-a19ceoewe p1p2p3p4.o-p4.3p4.4p4.5 p4.6 atmega128 sst39vf0 圖39 存儲電路3.4.3 按鍵電路 lcd液晶顯示器采用點陣式圖形顯示器,12864點陣的液晶顯示器基本能完整地顯示心電圖的波形。本心電圖儀器設置了三個鍵,以完成心電信號的儲存和回放功能。使用按鍵與單片機的i/o口線直接連接的方法構(gòu)

44、成,采用查詢方式獲得按鍵值。鍵盤硬件電路如圖310所示。按鍵采用獨立式按鍵。 圖310 鍵盤硬件電路 3.4.4 lcd顯示電路 lcd與msp430f149的接口硬件6如圖3-11所示。lcd采用mzl05-12864模組，它是一塊小型的12864點陣lcd顯示模組。3.3v白色led背光，美觀大方。vccgndsd1clka0/res/csmzl05-12864 vcc p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4atmega128 圖311 lcd顯示電路4. 基于avr心電圖儀的軟件設計本系統(tǒng)的軟件設計采用的是模塊化的編程思想，首先設計好系統(tǒng)總的軟件流程，然后分別實現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊功

45、能。完成硬件電路設計和電路板制作后，再進行整體調(diào)試。本章主要討論系統(tǒng)軟件在atmega128上的編程與實現(xiàn)。4.1 主程序流程 主程序流程圖主要完成心電信號的采集、信號濾波、rtc模塊、液晶顯示、sd卡文件系統(tǒng)存儲與分析和串口通信等。主流程圖如41所示：ad轉(zhuǎn)換后心電數(shù)字信號 低通濾波高通濾波sd卡lcd顯示 信號數(shù)據(jù)保存 信號波形顯示qrs檢測信號分析 分析結(jié)果保存 分析結(jié)果保存 圖4-1 主程序流程圖4.2 串口初始化 心電圖儀采用串口與pc通信，atmega128的串口也有很豐富的功能，這里只用其中一種簡單的模式，設置起來也很方便，不必考慮寄存器，直接填上相應的參數(shù)即可。簡化程序如下：u

46、sart_initstructure.usart_baudrate=115200;/波特率usart_initstructure.usart_wordlength=usart_wordlength_8b；/8位模式 usart_initstructure.usart_stopbits=usart_stopbits_1；/1位停止usart_initstructure.usart_parity=usart_parity_no；/無較驗 usart_initstructure.usart_hardware=usart_hardwareflowcontrol_none； usart_initstructure.usart_mode=usart_mode_rx|u