基于Atmega8单片机的心电信号检测处理系统

云南大学学报(自然科学版),2009,31(S2):248~251CN53-1045/N ISSN0258-7971 Journal of Yunnan Un i versity基于At mega8单片机的心电信号检测处理系统*刘红霞1,魏东方2,秦威1,朱娟1,代显刚1(1.昆明理工大学信息工程与自动化学院,云南昆明650051;2.济南钢铁总公司,山东济南250101)摘要:介绍了一个基于单片机的心电信号检测处理系统的设计过程.给出了心电信号的放大及共模信号抑制电路,单片机数据采集A/D转换的硬件配置以及数据处理的软件设计.并利用串口方式将处理后的数据传输到PC机显示,经实验测试具有良好的效果,能够得到较为光滑、清晰的信号,该研究具有一定的现实意义和实用价值.关键词:A t m ega8单片机;心电信号;数据采集中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:0258-7971(2009)S2-0248-04心脏病是威胁人类健康的三大杀手之一.据权威统计,心脏病死亡人数呈逐年大幅上升趋势.降低心脏病死亡率的根本措施是早诊断,早预防,早治疗.而早诊断和早预防的关键是及时掌握病人心电图的微小变化.现在常用的心电图设备如心电监护仪对于诊断和治疗心脏病发挥了重要作用,但是由于仪器设备的使用受到使用地点、时间、重量、体积等客观条件的限制,从而在一定程度上影响了及时诊断和治疗.如果要更方便的让患者使用心电监护仪,就必须将心电监护仪的价格降低,重量及体积减小且便于携带.因此,在前人成果的基础上进行将其便携化、普及化的研究具有一定的科学意义和实用价值.本文主要介绍了心电信号的前置级处理,基于单片机的信号采集处理的软硬件设计,以及单片机与PC机的串口通信软硬件设计相关内容.硬件部分A-t m ega8单片机与RS232接口的电路连接较为简单,软件设计包括数据采集,A/D转换和串行通信程序设计.心电信号的前置级处理中采用差动放大,然后经过肌电和工频滤波得到较为准确的模拟信号.1系统组成以及工作原理心电监护仪主要完成对临床监护病人的心电信号的采集、处理、显示和传输,让医生快速准确的对病人的病情进行诊断,实现医生快速地提出治疗方案.心电监护仪设计要求实现的功能:心电信号的提取放大;50H z工频及40H z肌电滤波;单片机数据采集及A/D转换;PC机实时显示;容易操作.心电监护仪由前置放大电路、右腿驱动电路、肌电滤波电路、工频滤波电路、串口通信电路组成.其系统框图见图1所示,在图中,放大电路主要采用差动放大来提高输入阻抗.图1系统框架图F i g.1F ra m e o f the syste m为了实现整个设计目标,达到系统采集和处理*收稿日期:2009-06-04作者简介:刘红霞(1986-),女,硕士生,主要从事嵌入式的开发及应用方面的研究.的要求,我们需要对生物医学信息进行分析,从而得到信号采集和处理要求,并根据相应的采集和处理参数,从而确定整个系统架构.1.1 前置级放大电路 选择LF353作为前置级放大器,它是B I-FET 双运算放大器,它具备低功耗,高电压增益(94~106dB ),高共模抑制比(70~86dB),高输入阻抗(10128),低偏置电流,有输出短路保护,有内部频率补偿电路,温度漂移系数小等特性;工作电压为[?18V,输入电压范围为?15V[1].A 1,A2组成同相并联输入的第一级放大,以提高放大器的输入阻抗.A3为差动放大,作为放大器的第二级.此电路的特点是:¹A 1,A2构成的第一级电路因信号从同向侧输入能提高放大器的输入阻抗(高达10M 欧姆);º输出回路不产生共模电流,电路的共模抑制能力只与A1,A2的共模抑制比C MRR1,C MRR2的匹配有关系,与外围电路电阻是否匹配完全无关;»采用对称形式,有利于克服失调,温漂的影响.传递放大级A3的接入,隔断共模电压在电路中的传递.A3的C MRR 主要取决于外围电路电阻的匹配.如图2所示,是由3个集成运放组成的数据放大器.图2 前置级放大电路F i g .2Front a m plifi er此电路具有输入阻抗高,共模抑制比高等优点,可作为通用仪用放大器使用[2].A d =A d 1#A d 2=(1+2R c F /R W )@(R F /R 1)=55这与实际仿真相同.A c =A d @(1/C MRR 3)#(1/A d 1)=0.005C MRR =55/0.005=80dB .加入共模干扰后第一级电路中输出波形失真,差分放大后,输出波形为正弦波形,说明有理想的共模信号抑制作用.共模干扰转变为差模信号得到放大,使信号失真.为观察共模信号的放大情况,先置差分信号幅度为零,可观察到10mV 的共模信号由于电阻的误差而放大为43L V,所以A c =0.0043,已知A d =55,所以C MRR =A d /A c =12790=82dB ,与理论相符.1.2 共模信号抑制电路)))右腿驱动电路 体表驱动电路是专为克服50H z 共模干扰,提高C MRR 而设计的.原理是采用以人体为相加点的共模电压并联负反馈,其方法是取出前置放大级中的共模电压(两电阻Ra 结点检出共模电压),经驱动电路倒相放大经过电阻Ro 反馈到右脚电极上.显然,患者右脚电极不再直接接地,而是通过电阻Ro 与一辅助的运算放大器相连接.这里的电阻Ro 一般称作限流电阻,辅助的运算放大器称作驱动放大器,故这种系统人们也习惯地称为/右脚驱动系统0.加入右腿驱动后即使有共模干扰电压,第一级电路中输出仍为正弦波,这说明右腿驱动电路可以很好消除人体共模电压产生的干扰.如图3为右腿驱动电路.图3 右腿驱动F i g .3R i ght leg dr i ver1.3 滤波整形的实现 由于心电信号主要的QRS 综合波频带主要分布在9~20H z ,一些生理因素的干扰如肌颤电压的频带一般为30~50H z ,因此规定滤波器的通频带为0~40H z ,这就提供了减少肌电干扰和基线漂移的好处.采用低通滤波器和带阻滤波器设计,对50H z 干扰信号有效滤除.采集到的心电信号为体表的两电位之差,因此心电波形有正向波和负向波,但是所用芯片的模/数转换电路的输入范围为0-VREF ,为单极性输入形式.因此需要对采集到的信号进行调整,把双249第S2期 刘红霞等:基于A t m ega8单片机的心电信号检测处理系统极性输入电压经过提升电路转换成单极性,可以滤除高频干扰信号,防止交流信号采样时的混叠效应.1.4A/D转换接口电路本系统使用了AT-M EGA8的片内A/D转换器.输入段的模拟电压被转换成10位的数字量,数据传送时间为0.93m s. A/D转换时间约为65L s,采样频率为1000H z,这样可以保证得到合用的40H z带宽的心电信号.A/ D转换的参考电压为5V,分辨率为5V/1024=4. 9mV,A/D转换结果为ADC=(V i n X1024)/V re.f A/D转换图如图4所示.图4A/D转换图F ig.4A/D c ircu it2单片机A t m ega8与数据采集系统A t m ega8是一款采用低功耗C MOS工艺生产的基于AVR R I SC结构的8位单片机.它可以达到接近1M I PS/M H z的性能,运行速度比普通C I SC 单片机高出10倍;机执行指令时间短、集成度高、价格低[3].2.1串口通信硬件电路单片机通过插座, MAX232芯片的232电平与TTL电平转换,实现与PC机通信[4].通过PC机的显示,测试电路设计能否采集到较为平滑清晰的心电信号.2.2系统软件设计进行程序设计需要了解所用单片机的结构功能,才能充分利用它的内部资源,提高工作效率[5].主要程序#incl u de<i o m8v.h>#defi n e fosc6000000//晶振6MH z#defi n e baud9600//波特率unsigned int adc_re;l//AD转换结果unsigned char adc_m ux;//AD通道/*字符输出函数*/void putchar(unsi g ned char c){wh ile(!(UCSRA&(1<<UDRE)));//UDRE为0,发送缓冲区内含有正在发送的数据UDR=c;}//发送寄存器被写入C/*字符输入函数*/unsigned char getchar(vo id){w hile(!(UCSRA&(1<<RXC)));//RXC为0,数据未接收完return UDR;}图5心电信号采集处理程序流程图F i g.5T he process of detecti on transact for ECG在程序烧写进单片机后,只需把单片机的输出串行线与PC机的串口相连,打开串口调试助手,接通单片机电源,就可以进行调试了.在PC机上显示出了经过除噪、放大、滤波整形后的信号.250云南大学学报(自然科学版)第31卷3 结 论此系统能实现人体信号的检测并显示,得到的信号清晰有效.本设计为心电监护仪器的便捷化、低成本、低功耗的设计提供帮助.其生物弱信号检测及处理电路系统对相似的仪器开发研制具有参考及实用价值.参考文献:[1] 王卫东.模拟电子电路基础[M ].西安:西安电子科技大学出版社.[2] D ona l d A N ea m en .电子电路分析与设计[M ].北京:电子工业出版社.[3]马潮,詹卫前,耿德根.A t m ega 8原理及应用手册[M ].北京:清华大学出版社.[4] 张振荣.M CS -51单片机原理及实用技术[M ].北京:人民邮电出版社.[5] 陈龙三.8051单片机C 语言控制与应用[M ].北京:清华大学出版社.The syste m o f detecti on f or ECG si gna l based on A t m ega8LI U H ong -x ia 1,Q I N W ei 1,W E I Dong -fang 2,Z HU Juan 1,DA I X ian -gang1(1.Faculty o f Infor m ati on Eng ineer i ng and A utom ati on ,K un m i ng U n i ve rsity o f Science and T echno l ogy ,K un m ing 650051,Ch i na ;2.Jinan Iron and S tee l Co .L td ,Jinan 250101,Ch i na)Abst ract :This paper introduces a design process of the syste m o f detecti o n for ECG si g na l base on one-ch i p co mputer.ECG a m p lifier and co mm on-m ode re jecti o n ,hardw are desi g n of data acqu isition and the data procession so ft w are are g iven i n this paper .The syste m can trans m it the sa m pled data to PC and revea l the m and has a good result by testi n g ,ge ts s m oo th and clear signals .So it has a certa i n research sign ificance and reference val u e .K ey w ords :A t m ega8M C U;ECG;data acquisiti o n251第S2期 刘红霞等:基于A t m ega8单片机的心电信号检测处理系统。