心电信号采集和调理电路的设计

景艳梅 王砚生 何文学

摘要：心电信号是人体重要的生理信号，载有人体心脏传导系统生理、病理信息，对心电信号的监护是临床上进行心脏研究和诊断心血管疾病的重要方法。针对心电信号低频微弱特性，提出了一种基于MSP430超低功耗单片机的便携式心电监护系统的设计方案，给出了心电监护终端硬件结构的总体框架，重点介绍了信号调理电路的设计，包括放大电路、滤波电路及右腿驱动电路的设计。关键词：心电信号；心电监护；MSP430；降噪；信号调理

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)01-0220-03

Design of ECG Signal Acquisition and Processing Circuit

JING Yan-mei1, WANG Yan-sheng2, HE Wen-xue1

(1.College of Physics and Electronic Information, Yunnan Normal University, Kunming 650092, China; 2.Wucheng Primary School , Kunming 650031, Yunnan）

Abstract: ECG signal is an important human physiological signal, containing the human cardiac conduction system of physiological and pathological information. The ECG monitoring is an important method performed on the heart study and clinical diagnosis of cardiovascu? lar diseases. Aiming at the weak low frequency characteristic of ECG signals, one kind of portable ECG monitoring system is proposed based on the MSP430 MCU, and the ECG monitoring terminal hardware structure of the framework is given. In this paper, the design of the signal processing circuit is focused on, including an amplifier circuit, filter circuit and the right leg drive circuit design. Key words: ECG; ECG monitor; MSP430; noise reduction; signal processing

随着社会的进步、科技的发展及老年化社会的到来，人类的健康观念、健康方式和途径都发生着深刻的转变，心脏保健成为了一个引人注目的社会问题。由于医院传统的心电图仪体积大、成本高，不适宜家庭日常监护使用，因此设计一款便携式、低成本，使用方便的动态心电监护系统具有重要的实际意义和需求。

1设计思想

1.1系统设计

基于体积、重量、电池供电等因素考虑，选取的单片机必须是低功耗的[1]。MSP430FG43X单片机是TI专门设计用于人体医学监护（心电、血压、血糖）的单片机。系统采用MSP430FG439微处理器为核心控制芯片，不仅具有MSP430的超低功耗特性，还能大大简化系统设计。心电图（Electrocardiogram ,ECG）信号是通过心电电极探测到生物电流，并通过导联线与心电信号采集器连接，将采集到的模拟电信号转化为数字信号进行计算机分析[2]。系统的主要功能框图如图1所示。

图2信号调理电路框图

2.1放大器的设计

由于心电信号十分微弱，只有0.05—5mv，而且因人而异，从电极采集到的心电信号的峰峰值一般为1mv。为了便于观察和A/D转换，心电信号应尽量不失真地放大到V量级。要想获得用如此高增益的放大器来放大强噪声背景下的低频微弱ECG信号并不是一件容易的事情，考虑到初级放大增益太大会影响电路的直流稳定性，前置放大器将出现饱和现象，因此采用两级放大。

2.1.1前端放大电路

在心电信号的采集和处理过程中，前置级放大电路设计是整个电路设计的最关键部分[5]，因为它不仅要求在心电信号频率范围内不失真地放大所采集的微弱心电信号，同时要将干扰信号降低到最低水平。任何放大器都会同时放大夹杂在所需ECG信号中的各种干扰[6]，在某些情况下ECG信号往往淹没在干扰信号中，使放大的信号毫无价值。

前置级放大电路一般都采用三运算放大器结构实现，但自己搭建的三运算放大器电路，由于电子元件精度不对称，很难达到设计所需的精度[7]。由于从电极采集到的ECG信号夹杂着各种共模干扰，为了防止ECG信号的输出被淹没在50Hz工频干扰、电极极化电压或其他共模干扰之下，一个更好的方法是使用一个差分放大器。这些共模干扰通过理想匹配的差分放大器自动地滤除掉了。本设计中采用已经和相应的平稳增益电阻匹配的INA321差分放大器[8]。

INA321是美国Texas Instruments公司设计的一款微功耗、单电源的CMOS仪表放大器，它提供固定的5倍增益，可根据需要外接增益电阻任意设置增益；线性误差最大值为2ppm，失调电压最大值为200μV；共模抑制比为94dB，可扩展到3KHZ，有效消除了线路噪声及线路谐波等共模干扰；工作电压范围：2.7V—5.5V。INA321还具有低成本，低输入偏置电流和小封装等特点，所以它非常适合应用于医疗仪器。基于系统选择的单片机而言，INA321仪表放大器在单片机的工作电压（1.8V—3.6V）下工作更稳定，偏移电压、偏移电流更小，更适合用于心电信号的前置放大。

2.1.2主级放大电路

经过INA321放大后的心电信号的幅值仍较低，为了提高采集精度，将进一步被MSP430FG439中三个综合运算放大器之一的OA0放大，如图3所示。结合FG439中集成的A/D转换器的测量范围0～2.5V，将主放大电路的放大倍数设定为100倍左右，经两级放大后ECG信号总共被放大500倍，使输入A/D转换端口的心电信号幅值落在测量范围内。

3结束语

针对便携式监护仪器自身固有的特点：硬件结构简单、体积便于携带,提出了以MSP430FG439超低功耗微处理器为核心控制芯片、采用高精度的仪表放大器INA321为前置放大的设计思想,着重介绍了抗干扰的硬件解决方案,对其余系统的设计将在进一步的研究工作中去实现和完善。

参考文献：

[1]杨琦.基于MSP430超低功耗MCU的便携式心电监护仪及其系统的研究[D].福建:福州大学,2003.

[2]廖云朋,孔令锋.12导联同步心电信号自动分析系统[J].生理信号检测与监护,2009(15):1-4.

[3]蔡建新,张唯真.生物医学电子学[M].北京:北京大学出版社,1997.

[4]叶一初.基于ARM的心电信号采集与远程传输系统的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[5]周洪建,吴小玲,李桂英.心电监护系统的设计[J].医疗卫生装备,2000(6):3-5.

[6]陈正伟.心电监测系统的设计[J].仪器仪表用户,2011,18(2):60-61.

[7]孙上鹏.心电信号采集及无线传输系统的设计[D].北京:北京交通大学,2009.

[8]蒋庐俊,杨李萍,陈会,等.基于MSP430FG439超低功耗MCU便携式心电监护仪的研究[J].大众科技,2010(10):48-50.