【正文】 放大后的信號(hào)產(chǎn)生失真 .因此為了避免放大器飽和 ,在這一級(jí)的放大增益應(yīng)該小于 30, 一般說(shuō)來(lái)作為前級(jí)放大單元必須具有高輸入阻抗 .高共模斥拒比等基本特性 ,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β處理技術(shù)，具有低輸入偏置電 流、低噪音、高精度、較高建立時(shí)間、低功耗等特性，共模抑制比可達(dá) 130dB，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。 導(dǎo)聯(lián)通道的選擇 在前置放大前級(jí)采用類比多工器 ADG609,考慮到一般生理信號(hào)都屬于差動(dòng)式 【 9】 的，而 ADG609 的類比信號(hào)的輸入范圍介于 Vss 與 Vdd 之間，且有四個(gè)切換對(duì)，可以很輕易地經(jīng)由 ATmega128 的設(shè)定來(lái)更改切換的頻率，除此之外還具有快速切頎時(shí)間（ Ton75ns max*Toff45ns max）、低啟動(dòng)阻抗、低消耗功率，以上這些特性都符合此設(shè)計(jì)的要求。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 G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。 （ 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(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號(hào) FLASH 非常大，特別適用于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。 8 圖 3－ 1 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。主放 大器可將濾波后的信號(hào)進(jìn)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(hào)由模擬輸入端送入高速 ADC，以進(jìn)行高精度 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)。 (2)低頻特性：人體心電信號(hào)頻率比較低，有價(jià)值的頻率范圍一般為 ~100Hz，能量大部分集中在 ~40Hz。心電信號(hào)就是有心肌激動(dòng)產(chǎn)生的微小電流，該電激動(dòng)是在心臟機(jī)械收縮之前產(chǎn)生的。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(guò)程和心房、心室的功能結(jié)構(gòu)情況。隨著社會(huì)的發(fā)展，心電圖檢測(cè)理論越 來(lái)越成熟與完善，另外機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了醫(yī)療器械發(fā)生了革命性變化，極大的增強(qiáng)了心電圖機(jī)的功能。本設(shè)計(jì)利用 AVR 單片計(jì)和 A/D 轉(zhuǎn)換以及多路模擬開關(guān)設(shè)計(jì)了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 隨著生活節(jié)奏的加快 , 生活水平和健康意識(shí)的提高 , 人們需要隨時(shí)對(duì)心臟進(jìn)行健康監(jiān)護(hù) , 并且能在較危急的情況下進(jìn)行及時(shí)的診治。近半世紀(jì)以來(lái)，動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)設(shè)備更加智能，功能更加完善，類型也越來(lái)越多。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(shè)計(jì)的。同時(shí)對(duì)心臟病的診斷和治療也提供了確切的理論依據(jù)。不過(guò)，這種隨機(jī)性并不是毫 無(wú)規(guī)律可言，通過(guò)對(duì)心臟自發(fā)放電的構(gòu)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析，可以發(fā)現(xiàn)放電的內(nèi)在規(guī)律。由于這些原因，我們不采用這種方法。 ATmega128 單片機(jī)的介紹 單片機(jī)系統(tǒng)用于接收心電圖信號(hào)處理電路傳送來(lái)的 05V電壓信號(hào) ,把模擬電壓信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào) ,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后以圖形的形式在 LCD液晶顯示器上顯示 , 并且把測(cè)量的心電圖信號(hào)通過(guò)自身的串行口傳送出去。其輸 10 出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng) 特性，可以輸出和吸收大電流。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。低于此時(shí)間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 (2) 頻率響應(yīng)所謂頻率響應(yīng)是指放大器對(duì)不同信號(hào)頻率的反應(yīng)，心電信號(hào)的范圍低于100Hz,所以要求放大器要對(duì)此頻率范圍的信號(hào)盡可能不失真的放大出來(lái)。 13 U4OP073281674 5AD620R5R3R4R2R1C1保護(hù)隔離+5V5VRARLLA 圖 3－ 2 前置放大電路圖 后級(jí)放大電路 通過(guò) AD620前置放大后的信號(hào)還是很微弱，采用精 度較高的 OP07 對(duì)信號(hào)進(jìn)行后級(jí)放大。 15 OP07R12+5V5VR11VoutC3C4Vin 圖 3－ 4 濾波電路圖 陷波處理電路 工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍存在較強(qiáng)的工頻干擾，所以必須專門濾除。 的電壓采用 AMS1117 產(chǎn)生，其最大的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用，而且性價(jià)比高，輸入電壓 5V~12V，直接輸出 。 VCC 圖 3－ 11 LCD顯示電路 4. 基于 AVR心電圖儀的軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用的是模塊化的編程思想，首先設(shè)計(jì)好系統(tǒng)總的軟件流程，然后分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊功能。本系統(tǒng)對(duì)按鍵的實(shí)時(shí)性要求不是很強(qiáng)，因此最終采用掃描方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵的識(shí)別。 總之 ,隨著科技的日新月異 ,人們生活水平的不斷提高 ,人們物質(zhì)生活的層次逐步提高，對(duì)待健康與保健的重視程度越來(lái)越強(qiáng)，這就為醫(yī)療器械的發(fā)展帶來(lái)了極大的機(jī)遇，利用高科技帶來(lái)的技術(shù)革命去更新醫(yī)療器械更是一個(gè)巨大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。 (2)針對(duì)心電信號(hào)的特點(diǎn)選用高阻抗、低噪聲的精密儀用放大器 INA118 設(shè)計(jì)前置放大電路，并 INA118 為核心設(shè)計(jì)了的前端心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 液晶顯示程序 本次設(shè)計(jì)采用的液晶內(nèi)部沒有字庫(kù)，因此在顯示字符、漢字之前需取模，顯示原理是每一個(gè)點(diǎn)逐次點(diǎn)亮，該點(diǎn)的顏色有一個(gè) 16 位的值表示，根據(jù)液晶的控制原理，控制點(diǎn)亮的方向就可以顯示出字符或漢字。使用按鍵與單片機(jī)的 I/O口線直接連接的方法構(gòu)成 ,采用查詢方式獲得按鍵值。 U6OP0710KR16VCCVCC輸出信號(hào)10KR17100KP3VCC 10KR8輸入信號(hào) 圖 3－ 6 電平抬升電路 17 電源電路 電源電路是整個(gè)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(wèn)題。 采用有源雙 T結(jié)構(gòu) 50Hz陷波器電路如圖 6，來(lái)濾除工頻干擾信號(hào)。因此，選用的放大器要特別注意這兩個(gè)參數(shù)。對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性有重要意義。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電 路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口 C 為三態(tài)。 微處理器的特點(diǎn) AVR 單片機(jī)的主要特點(diǎn)如下： （ 1) 哈佛結(jié)構(gòu)，具備 1MIPS/MHz 的高速運(yùn)行處理能力； （ 2）超功能精簡(jiǎn)指令集（ RISC） ,具有 32 個(gè)通用工作寄存器，克 服了如 8051MCU 采用單一 ACC 進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象。 （ 5）電源電路：設(shè)計(jì)可靠的電源電路，為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，降低系統(tǒng)功耗。 心電圖儀的硬件設(shè)計(jì)方案 一個(gè)心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖 ,其中心電信號(hào)由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對(duì)各干擾信號(hào)進(jìn)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(hào)。給信號(hào)的檢測(cè)帶來(lái)了困難。 5 圖 2－ 1 系統(tǒng)框圖 心電信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理 心臟的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以把心臟看作一個(gè)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(dòng)著整個(gè)血液的循環(huán)。 研究 心電圖儀的 意義 心電圖是反映心臟興奮的電活動(dòng)過(guò)程 ,它對(duì)心臟基本功能及其病理研究方面，具有重要的參考價(jià)值。 從此利用心電圖協(xié)助診斷疾病逐漸廣泛應(yīng)用于臨床。為了不失真地檢出有臨床價(jià)值的干凈心電信號(hào) 【 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(qiáng)抗干擾能力等性能。對(duì)慢性病患者來(lái)說(shuō) , 如果長(zhǎng)期住在醫(yī)院里接受監(jiān)護(hù)和治療 ,不僅花費(fèi)高而且給醫(yī)院容量帶來(lái)壓力，所這種以便攜式心電圖儀 【 2】 正是滿 足以上趨勢(shì)和需要而設(shè)計(jì)研制的。 心電圖儀的 發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)、微電子、機(jī)械電子在醫(yī)療領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，極大的促進(jìn)了心電設(shè)備的發(fā)展。其體積較小，攜帶方便，便于出門在外使用；操作簡(jiǎn)單，功 能齊全、價(jià)格便宜、功耗低 ,性價(jià)比高 ,適于在廣大普通用戶和家庭中推廣應(yīng)用。 心電信號(hào)的特征 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)都具有信號(hào)強(qiáng)度較弱、背景噪聲較強(qiáng)、頻率范圍一般較低、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn) 【 5】 。所以，在對(duì) ECG 的檢測(cè)中，要綜合考慮，既要考慮它的隨機(jī)性，更要重視它的規(guī)律性。 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(jiǎn)單。單片機(jī)應(yīng)具有低電壓、低功耗的特點(diǎn) ,一般 8位單片機(jī)能夠滿足要求。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。 (11)XTAL1，反向振蕩器放大器及片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入?？梢栽O(shè)計(jì)高通、低通濾波器來(lái)壓縮頻帶 ,濾除該頻帶以外的干擾信號(hào)。后級(jí)放大電路采用二級(jí)同相放大電路，如圖 33所示。 本論文采用模擬雙 T陷波。電路如下所示。完成硬件電路設(shè)計(jì)和電路板制作后，再進(jìn)行整體調(diào)試。 按鍵掃描程序需要解決按鍵長(zhǎng)按的情況，在程序里面設(shè)置一個(gè)變量 sel_prev 來(lái)記錄按鍵的上次狀態(tài)，只有按鍵上次狀態(tài)時(shí)抬起，當(dāng)前狀態(tài)時(shí)按下時(shí)才判斷為真實(shí)的按鍵，每一次按鍵值讀取后，要清除返回的按鍵值，按鍵掃描的程序代碼如下： u8 keyscan (void) { pkey_sel=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_0)。目前各大醫(yī)療器械廠商不斷推出新式的醫(yī)療設(shè)備，而便攜式、家庭化的無(wú)疑更具有競(jìng)爭(zhēng)力，也符合人們目前的消費(fèi)需求與理念。仔細(xì) 23 分析了心電信號(hào)的產(chǎn)生及特點(diǎn)，根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，了解了一般微弱信號(hào)的檢測(cè)機(jī)理。程序流程框圖如 42所示： N Y Y Y 圖 42 信號(hào)采集流程圖 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放在 ADC_RegularConvertedValue 變量里，轉(zhuǎn)換狀態(tài)用全局變量dmaflag 來(lái)標(biāo)記