采用MSP430设计的12位心电(ECG)放大器

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采用MSP430设计的12位心电(ECG)放大器

摘要：本文介绍了心电放大器的基本电路构成，以及采用TI公司的MSP430系列单片机对心电信号进行模数转换处理的方法，还着重探讨了采用带硬件乘法器的MSP430F14X系列单片机对心电信号进行滤波处理的方法，并给出了相应的实验结果。
    人体心肌产生的电信号传导到体表之后，由于在体表分布的不同而产生电位差，将这种电压只有mV级别的电位差放大并绘制成图，就得到了心电图（ECG）。心电图在心血管疾病的临床诊断中有非常重要的作用。通常采用的心电图按照导联数分有单导联，三导联，五导联以及十二导联等等；按照精度分常用的有8位和12位精度等等。单导联，精度低的心电图常用于进行心电监控以及心率测量。12位高精度的心电图由于可以反映出心电的细微变化，被更加广泛地应用于临床诊断、心电分析等地方。
    由于心电幅度只有mV量级，需要放大上千倍才能被观察到，并且人体的内阻比较大，因此一个高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。而周围环境中充满了各种各样的电磁干扰，会严重影响微弱的ECG信号，而其中最为严重的是市电电源的50Hz（部分国家为60Hz）的干扰。如何避免这些干扰也是心电放大器设计所必须考虑的问题。此外，进行高精度的AD转换也是关键的步骤，特别是对于12bit的ECG放大器。在一些便携式应用中，功耗也是需要考虑的因素。
    TI公司生产的MSP430F13X、MSP430F14X系列微功耗混和信号单片机，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）、极低功耗等特点，因此非常适合于ECG放大器一类的应用。MSP430F14X系列单片机由于具有硬件乘法器，因此具备一定的DSP功能，可以ECG信号进行滤波等预处理。
    下图是三导联ECG放大器的框图：

    ECG放大器通常由缓冲级、匹配电阻网络、放大、滤波、电平位移以及模数转换等几级构成。
    电极采集到的心电信号首先进入缓冲级。缓冲级可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗，这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信号。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络获得威尔逊电中心端作为整个ECG系统的参考点。
    放大级通常包括一级用AD620等仪表放大器构成的初级差分放大和TL084等通用运放构成的主放大级。由于体表液体与电极之间可能形成原电池，致使电极之间存在固定的电位差，因此第一级差分放大的增益不能太高，否则容易饱和。通常这一级增益选10左右。在第一级和第二级之间必须进行直流隔离。第二级采用同相放大电路，增益可以高达100倍，这样整个电路放大倍数可以达到1000倍。
    由于信号中混有各种干扰噪声会影响ECG的有用信号，因此需要对这些噪声进行滤波。噪声来源主要有两类，一类是各种电子设备辐射出的高频噪声，一种是市电的50Hz噪声，通常情况下后者影响尤为明显。对这些噪声的滤波需要用到低通滤波器和50Hz带阻滤波器。ECG的低通滤波器通常情况下截至频率选择在100Hz以下，少数情况下会用到更高的频率。低通滤波和放大可在同一级运放中实现。带阻滤波器对最终信号的质量尤为重要，由于带阻滤波器的特性参数对元器件的精度很敏感，因此在这一级的设计中需要用到精密的阻容原件，还常常需要多级级联来获得较好的效果。
    上诉几级电路都是在零偏置条件下工作，因此输出信号幅值有正有负。而进入ADC的信号必须是单端的，因此需要用加法器将双端的信号位移使之成为单端信号。
    经过放大、滤波、位移之后的信号输入MSP430F133的A0-A2端进行数模转换。转换采用MSP430的顺序转换模式，采样频率可以用时钟中断来进行控制。若需要100Hz的有用信号，则应选择采样率为200Hz。
下图是实际测量得到的心电图信号：

    从上图可以看出，心电信号清晰稳定，完全可以满足临床监护以及病理分析的要求。
    在上述电路中，想要获得清晰稳定的心电信号，滤波器的设计很关键，特别是50Hz的带阻滤波器尤其重要。带阻滤波器的电路比较复杂，特性受外围组容元件影响较大，因此采用模拟设计往往不太容易获得很好的特性。并且由于使用环境的差异，例如我国市电是50Hz而许多国家是60Hz，因此导致产品的通用性差。如果能够采用数字滤波器，不仅稳定性的问题可以迎刃而解，并且对于不同的使用环境只需要对软件进行修改就可以了，这可以降低硬件设计复杂程度和成本，还能够提高产品的通用性。
    MSP430F14X系列单片机，内置了16bit乘法器，因此具备了一定的DSP功能，可以用来进行数字滤波等运算密集型的应用。我们利用MSP430F147设计了一种单导联的心电放大器，取得了很好的效果。
    这种ECG放大器的前极放大电路跟前面所述的三导联放大器电路类似，都由缓冲器，电阻网络，差分放大以及主放大级等。两级放大均采用低通网络进行了低通滤波，截止频率选择在80Hz。不同的是，这个电路中省去了50Hz带阻滤波器，这使得电路中组容元件的数量减少了40％，并且获得了模拟滤波器所无法比拟的优良特性。
该电路中ADC采样频率为200Hz。采用四阶切比雪夫滤波器，通带选择在45-55Hz之间，可以得到传递函数为：


对应差分方程为：

上述传递函数的幅频和相频特性如下图所示：

    由于MSP430F147只能进行定点运算，所以在处理上述查分方程时，必须将其变换为整数运算。将各部分系数均乘以4096，取整数部分，运算得到的结果再采用右位移12位的方法得到最终结果，运算代码如下：
    y[k] = (3318*x[k] + 6636*x[k-2] + 3318*x[k-4]
    6913*y[k-2] – 3049*y[k-4])>>12
    其中的乘法运算要采用MSP430的硬件乘法器来实现才能保证运算速度。

在系统时钟为8MHz，采样频率为200Hz条件下，该数字滤波器所得到的结果如下：

图四 数字滤波器的性能

    图四中下半部分是人为加入强烈的50Hz干扰后的心电图。上半部分是经过MSP430F147进行数字滤波后的心电图，可以看出，滤波的效果非常理想，完全可以达到临床实用的要求。图5是处理前和处理后的频谱，可以看出，信号在50Hz的地方被很好地抑止了。
    唯一让人觉得美中不足的是，MSP430F147的处理能力只能够实时处理单导联的ECG信号，对于多导联的运算能力则显得不足。对于多导联应用，需要考虑采用DSP进行处理。