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采用MSP430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MSP430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MSP430F14X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(nèi)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信號，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公司生產(chǎn)的MSP430F13X、MSP430F14X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，16bitTimer，8通道12bitADC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。MSP430F14X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信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ECG系統(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的有用信號，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的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(zhì)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的A0-A2端進行數(shù)模轉換。轉換采用MSP430的順序轉換模式，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(nèi)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MSP430F147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MSP430F147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12位的方法得到最終結果，運算代碼如下：
y[k]=(3318*x[k]+6636*x[k-2]+3318*x[k-4]
6913*y[k-2]–3049*y[k-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MSP430F147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，MSP430F147的處理能力只能夠?qū)崟r處理單導聯(lián)的ECG信號，對于多導聯(lián)的運算能力則顯得不足。對于多導聯(lián)應用，需要考慮采用DSP進行處理。
以上兩種采用MSP430單片機設計的心電放大板已經(jīng)被應用于實際產(chǎn)品中。若有問題想與作者討論，請發(fā)email到newtonian#263.net
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