采用MSP430設(shè)計(jì)的12位心電(ECG)放大器

作者Email:  newtonian@263.net

摘要：本文介紹了心電放大器的基本電路構(gòu)成，以及采用TI公司的MSP430系列單片機(jī)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理的方法，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    人體心肌產(chǎn)生的電信號(hào)傳導(dǎo)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(jí)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(dǎo)聯(lián)數(shù)分有單導(dǎo)聯(lián)，三導(dǎo)聯(lián)，五導(dǎo)聯(lián)以及十二導(dǎo)聯(lián)等等；按照精度分常用的有8位和12位精度等等。單導(dǎo)聯(lián)，精度低的心電圖常用于進(jìn)行心電監(jiān)控以及心率測(cè)量。12位高精度的心電圖由于可以反映出心電的細(xì)微變化，被更加廣泛地應(yīng)用于臨床診斷、心電分析等地方。

    由于心電幅度只有mV量級(jí)，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(gè)高阻抗、高增益的放大器是準(zhǔn)確獲取心電信號(hào)的關(guān)鍵。而周圍環(huán)境中充滿了各種各樣的電磁干擾，會(huì)嚴(yán)重影響微弱的ECG信號(hào)，而其中最為嚴(yán)重的是市電電源的50Hz（部分國(guó)家為60Hz）的干擾。如何避免這些干擾也是心電放大器設(shè)計(jì)所必須考慮的問(wèn)題。此外，進(jìn)行高精度的AD轉(zhuǎn)換也是關(guān)鍵的步驟，特別是對(duì)于12bit的ECG放大器。在一些便攜式應(yīng)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(hào)單片機(jī)，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(diǎn)，因此非常適合于ECG放大器一類的應(yīng)用。MSP430F14X系列單片機(jī)由于具有硬件乘法器，因此具備一定的DSP功能，可以ECG信號(hào)進(jìn)行濾波等預(yù)處理。

    下圖是三導(dǎo)聯(lián)ECG放大器的框圖：

    ECG放大器通常由緩沖級(jí)、匹配電阻網(wǎng)絡(luò)、放大、濾波、電平位移以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等幾級(jí)構(gòu)成。

    電極采集到的心電信號(hào)首先進(jìn)入緩沖級(jí)。緩沖級(jí)可以提高整個(gè)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(luò)中得到幅值較高的信號(hào)。匹配電阻網(wǎng)絡(luò)通常采用威爾遜電中心端網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)特定的電阻網(wǎng)絡(luò)獲得威爾遜電中心端作為整個(gè)ECG系統(tǒng)的參考點(diǎn)。

    放大級(jí)通常包括一級(jí)用AD620等儀表放大器構(gòu)成的初級(jí)差分放大和TL084等通用運(yùn)放構(gòu)成的主放大級(jí)。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(jí)差分放大的增益不能太高，否則容易飽和。通常這一級(jí)增益選10左右。在第一級(jí)和第二級(jí)之間必須進(jìn)行直流隔離。第二級(jí)采用同相放大電路，增益可以高達(dá)100倍，這樣整個(gè)電路放大倍數(shù)可以達(dá)到1000倍。

    由于信號(hào)中混有各種干擾噪聲會(huì)影響ECG的有用信號(hào)，因此需要對(duì)這些噪聲進(jìn)行濾波。噪聲來(lái)源主要有兩類，一類是各種電子設(shè)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(duì)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(huì)用到更高的頻率。低通濾波和放大可在同一級(jí)運(yùn)放中實(shí)現(xiàn)。帶阻濾波器對(duì)最終信號(hào)的質(zhì)量尤為重要，由于帶阻濾波器的特性參數(shù)對(duì)元器件的精度很敏感，因此在這一級(jí)的設(shè)計(jì)中需要用到精密的阻容原件，還常常需要多級(jí)級(jí)聯(lián)來(lái)獲得較好的效果。

    上訴幾級(jí)電路都是在零偏置條件下工作，因此輸出信號(hào)幅值有正有負(fù)。而進(jìn)入ADC的信號(hào)必須是單端的，因此需要用加法器將雙端的信號(hào)位移使之成為單端信號(hào)。

    經(jīng)過(guò)放大、濾波、位移之后的信號(hào)輸入MSP430F133的A0-A2端進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換采用MSP430的順序轉(zhuǎn)換模式，采樣頻率可以用時(shí)鐘中斷來(lái)進(jìn)行控制。若需要100Hz的有用信號(hào)，則應(yīng)選擇采樣率為200Hz。

下圖是實(shí)際測(cè)量得到的心電圖信號(hào)：

    從上圖可以看出，心電信號(hào)清晰穩(wěn)定，完全可以滿足臨床監(jiān)護(hù)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(hào)，濾波器的設(shè)計(jì)很關(guān)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(fù)雜，特性受外圍組容元件影響較大，因此采用模擬設(shè)計(jì)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(guó)市電是50Hz而許多國(guó)家是60Hz，因此導(dǎo)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(wèn)題可以迎刃而解，并且對(duì)于不同的使用環(huán)境只需要對(duì)軟件進(jìn)行修改就可以了，這可以降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和成本，還能夠提高產(chǎn)品的通用性。

    MSP430F14X系列單片機(jī)，內(nèi)置了16bit乘法器，因此具備了一定的DSP功能，可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)字濾波等運(yùn)算密集型的應(yīng)用。我們利用MSP430F147設(shè)計(jì)了一種單導(dǎo)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(dǎo)聯(lián)放大器電路類似，都由緩沖器，電阻網(wǎng)絡(luò)，差分放大以及主放大級(jí)等。兩級(jí)放大均采用低通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了低通濾波，截止頻率選擇在80Hz。不同的是，這個(gè)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(wú)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?yàn)V波器，通帶選擇在45-55Hz之間，可以得到傳遞函數(shù)為：

對(duì)應(yīng)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(jìn)行定點(diǎn)運(yùn)算，所以在處理上述查分方程時(shí)，必須將其變換為整數(shù)運(yùn)算。將各部分系數(shù)均乘以4096，取整數(shù)部分，運(yùn)算得到的結(jié)果再采用右位移12位的方法得到最終結(jié)果，運(yùn)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(yùn)算要采用MSP430的硬件乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)才能保證運(yùn)算速度。

在系統(tǒng)時(shí)鐘為8MHz，采樣頻率為200Hz條件下，該數(shù)字濾波器所得到的結(jié)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(qiáng)烈的50Hz干擾后的心電圖。上半部分是經(jīng)過(guò)MSP430F147進(jìn)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(dá)到臨床實(shí)用的要求。圖5是處理前和處理后的頻譜，可以看出，信號(hào)在50Hz的地方被很好地抑止了。

    唯一讓人覺(jué)得美中不足的是，MSP430F147的處理能力只能夠?qū)崟r(shí)處理單導(dǎo)聯(lián)的ECG信號(hào)，對(duì)于多導(dǎo)聯(lián)的運(yùn)算能力則顯得不足。對(duì)于多導(dǎo)聯(lián)應(yīng)用，需要考慮采用DSP進(jìn)行處理。

    以上兩種采用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的心電放大板已經(jīng)被應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中。若有問(wèn)題想與作者討論，請(qǐng)發(fā)email到newtonian@263.net