采用MSP430設計的12位心電(ECG)放大器解析

1、采用MSP43設計的12位心電(ECG)放大器摘要：本文介紹了心電放大器的基本電路構成，以及采用TI公司的MSP43C系列單片機對心電信號進行模數(shù)轉換處理的方法，還著重探討了采用帶硬件乘法 器的MSP430F14系列單片機對心電信號進行濾波處理的方法，并給出了相應的 實驗結果。人體心肌產(chǎn)生的電信號傳導到體表之后，由于在體表分布的不同而產(chǎn)生 電位差，將這種電壓只有 mV級別的電位差放大并繪制成圖，就得到了心電圖(ECG。心電圖在心血管疾病的臨床診斷中有非常重要的作用。通常采用的心 電圖按照導聯(lián)數(shù)分有單導聯(lián)，三導聯(lián)，五導聯(lián)以及十二導聯(lián)等等；按照精度分 常用的有 8位和 12位精度等等。單導聯(lián)，精度

2、低的心電圖常用于進行心電監(jiān)控 以及心率測量。 12位高精度的心電圖由于可以反映出心電的細微變化，被更加 廣泛地應用于臨床診斷、心電分析等地方。由于心電幅度只有mV量級，需要放大上千倍才能被觀察到，并且人體 的內阻比較大，因此一個高阻抗、高增益的放大器是準確獲取心電信號的關 鍵。而周圍環(huán)境中充滿了各種各樣的電磁干擾，會嚴重影響微弱的ECG言號，而其中最為嚴重的是市電電源的 50Hz (部分國家為60HZ的干擾。如何避免這 些干擾也是心電放大器設計所必須考慮的問題。此外，進行高精度的AD轉換也是關鍵的步驟，特別是對于12bit的ECG放大器。在一些便攜式應用中，功耗 也是需要考慮的因素。TI公司生

3、產(chǎn)的MSP430F13、MSP430F14系列微功耗混和信號單片機，由于具有速度快( 8MIPS/16bit )，集成度高( Flash ， RAM， 16bit Timer ， 8 通道12bit ADC以及UART等)、極低功耗等特點，因此非常適合于 ECG放大器 一類的應用。MSP430F14系列單片機由于具有硬件乘法器，因此具備一定的 DSP功能，可以ECG言號進行濾波等預處理。下圖是三導聯(lián)ECG放大器的框圖：ECG放大器通常由緩沖級、匹配電阻網(wǎng)絡、放大、濾波、電平位移以及 模數(shù)轉換等幾級構成。電極采集到的心電信號首先進入緩沖級。緩沖級可以提高整個放大電路 的輸入阻抗，降低輸出阻抗，這

4、樣就可以在后面的匹配電阻網(wǎng)絡中得到幅值較 高的信號。匹配電阻網(wǎng)絡通常采用威爾遜電中心端網(wǎng)絡，它通過特定的電阻網(wǎng) 絡獲得威爾遜電中心端作為整個 ECGS統(tǒng)的參考點。放大級通常包括一級用AD620等儀表放大器構成的初級差分放大和 TL084等通用運放構成的主放大級。由于體表液體與電極之間可能形成原電 池，致使電極之間存在固定的電位差，因此第一級差分放大的增益不能太高， 否則容易飽和。通常這一級增益選 10 左右。在第一級和第二級之間必須進行直 流隔離。第二級采用同相放大電路，增益可以高達 100 倍，這樣整個電路放大 倍數(shù)可以達到 1000 倍。由于信號中混有各種干擾噪聲會影響 ECG勺有用信號，

5、因此需要對這些 噪聲進行濾波。噪聲來源主要有兩類，一類是各種電子設備輻射出的高頻噪 聲，一種是市電的50Hz噪聲，通常情況下后者影響尤為明顯。對這些噪聲的濾 波需要用到低通濾波器和50Hz帶阻濾波器。ECG勺低通濾波器通常情況下截至 頻率選擇在100Hz以下，少數(shù)情況下會用到更高的頻率。低通濾波和放大可在 同一級運放中實現(xiàn)。帶阻濾波器對最終信號的質量尤為重要，由于帶阻濾波器 的特性參數(shù)對元器件的精度很敏感，因此在這一級的設計中需要用到精密的阻 容原件，還常常需要多級級聯(lián)來獲得較好的效果。上訴幾級電路都是在零偏置條件下工作，因此輸出信號幅值有正有負。 而進入ADC的信號必須是單端的，因此需要用加

6、法器將雙端的信號位移使之成 為單端信號。經(jīng)過放大、濾波、位移之后的信號輸入 MSP430F133勺A0-A2端進行數(shù) 模轉換。轉換采用MSP430勺順序轉換模式，采樣頻率可以用時鐘中斷來進行控 制。若需要100Hz的有用信號，則應選擇采樣率為200Hz。下圖是實際測量得到的心電圖信號：從上圖可以看出，心電信號清晰穩(wěn)定，完全可以滿足臨床監(jiān)護以及病理 分析的要求。在上述電路中，想要獲得清晰穩(wěn)定的心電信號，濾波器的設計很關鍵， 特別是50Hz的帶阻濾波器尤其重要。帶阻濾波器的電路比較復雜，特性受外圍 組容元件影響較大，因此采用模擬設計往往不太容易獲得很好的特性。并且由 于使用環(huán)境的差異，例如我國市電

7、是 50Hz而許多國家是60Hz,因此導致產(chǎn)品 的通用性差。如果能夠采用數(shù)字濾波器，不僅穩(wěn)定性的問題可以迎刃而解，并 且對于不同的使用環(huán)境只需要對軟件進行修改就可以了，這可以降低硬件設計 復雜程度和成本，還能夠提高產(chǎn)品的通用性。MSP430F14X系列單片機，內置了 16bit乘法器，因此具備了一定的 DSP 功能，可以用來進行數(shù)字濾波等運算密集型的應用。我們利用MSP430F14設計了一種單導聯(lián)的心電放大器，取得了很好的效果。這種ECG放大器的前極放大電路跟前面所述的三導聯(lián)放大器電路類似， 都由緩沖器，電阻網(wǎng)絡，差分放大以及主放大級等。兩級放大均采用低通網(wǎng)絡 進行了低通濾波，截止頻率選擇在

8、80Hz,不同的是，這個電路中省去了 50Hz 帶阻濾波器，這使得電路中組容元件的數(shù)量減少了 40，并且獲得了模擬濾波 器所無法比擬的優(yōu)良特性,該電路中ADC采樣頻率為200Hz=采用四階切比雪夫濾波器，通帶選擇在 45- 55Hz之間，可以得到傳遞函數(shù)為：對應差分方程為：上述傳遞函數(shù)的幅頻和相頻特性如下圖所示：由于MSP430F14只能進行定點運算，所以在處理上述查分方程時，必 須將其變換為整數(shù)運算,將各部分系數(shù)均乘以4096，取整數(shù)部分，運算得到的結果再采用右位移 1 2位的方法得到最終結果，運算代碼如下：yk = (3318*xk + 6636*xk-2 + 3318*xk-46913*yk-2- 3049*yk-4)12其中的乘法運算要采用MSP430的硬件乘法器來實現(xiàn)才能保證運算速 度, 在系統(tǒng)時鐘為8MHz采樣頻率為200Hz條件下，該數(shù)字濾波器所得到的結果如 下：圖四 數(shù)字濾波器的性能圖四中下半部分是人為加入強烈的 50Hz干擾后的心電圖。上半部分是 經(jīng)過MSP430F14進行數(shù)字濾波后的心電圖，可以看出，濾波的效果非常理想， 完全可以達到臨床實用的要求。圖 5是處理前和處理后的頻譜，可以看出，信 號在50Hz的地方被很好地抑止了。唯一讓人覺得美中不足的是，MSP430F14 的處理能力只能夠實時處理 單導聯(lián)的ECG言號，對于多導