一種低噪聲便攜式心電監(jiān)測儀設(shè)計方案

引言

心血管疾病是威脅人類生命健康的主要疾病之一，而心電圖（ECG）信號是診斷心血管疾病的重要依據(jù)。設(shè)計一款低噪聲、便攜式的心電監(jiān)測儀，能夠?qū)崟r監(jiān)測患者的心電活動，對于疾病的預(yù)防和診斷具有重要意義。本文將詳細闡述一種低噪聲便攜式心電監(jiān)測儀的設(shè)計方案，包括主控芯片的選型及其在設(shè)計方案中的作用。

一、總體設(shè)計方案

1.1 設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計一款能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地監(jiān)測并記錄心電信號的低噪聲便攜式心電監(jiān)測儀，具有以下特點：

• 低噪聲：通過優(yōu)化的電路設(shè)計和濾波技術(shù)，減少心電信號中的噪聲干擾。

• 便攜性：設(shè)備小巧輕便，便于攜帶和使用。

• 實時監(jiān)測：能夠連續(xù)監(jiān)測并記錄心電信號，便于后續(xù)分析和診斷。

• 高精度：確保心電信號的準(zhǔn)確采集和傳輸。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)由心電信號采集模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和顯示模塊組成。具體架構(gòu)如下：

• 心電信號采集模塊：通過導(dǎo)聯(lián)電極從人體表面采集心電信號。

• 信號處理模塊：對采集到的心電信號進行放大、濾波和降噪處理。

• 數(shù)據(jù)傳輸模塊：將處理后的心電信號傳輸至計算機或移動設(shè)備進行進一步分析。

• 顯示模塊：實時顯示心電波形和關(guān)鍵參數(shù)。

二、主控芯片選型及作用

2.1 主控芯片選型

在便攜式心電監(jiān)測儀的設(shè)計中，主控芯片的選擇至關(guān)重要?？紤]到設(shè)備的便攜性、低功耗、高性能以及成本等因素，我們選擇了MSP430單片機作為主控芯片。MSP430單片機是TI（德州儀器）公司生產(chǎn)的一種16位超低功耗混合信號處理器，具有以下幾個優(yōu)點：

• 超低功耗：特別適合電池供電的便攜式設(shè)備。

• 高性能：具有強大的處理能力，能夠滿足心電信號實時處理的需求。

• 豐富的外設(shè)：集成多種外設(shè)接口，便于與其他模塊進行連接和通信。

• 易于開發(fā)：擁有豐富的開發(fā)資源和開發(fā)工具，便于快速開發(fā)和調(diào)試。

2.2 主控芯片在設(shè)計方案中的作用

MSP430單片機在便攜式心電監(jiān)測儀中主要承擔(dān)以下任務(wù)：

• 信號采集控制：控制心電信號采集模塊的工作狀態(tài)，實現(xiàn)心電信號的實時采集。

• 信號處理：對采集到的心電信號進行初步的數(shù)字處理，如濾波、降噪等。

• 數(shù)據(jù)傳輸：通過串行通信接口（如UART、SPI等）將處理后的心電信號傳輸至計算機或移動設(shè)備。

• 顯示控制：控制顯示模塊顯示心電波形和關(guān)鍵參數(shù)。

• 電源管理：管理設(shè)備的電源供應(yīng)，確保設(shè)備在低功耗狀態(tài)下運行。

三、詳細設(shè)計

3.1 心電信號采集模塊

心電信號采集模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，包括右胸上電極、左腹下電極和右腿驅(qū)動電極。為了獲得高質(zhì)量的心電信號，需要選用貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導(dǎo)電性能好、極化電壓低的優(yōu)質(zhì)電極。同時，為了減小電極與皮膚之間的接觸電阻，可以在電極上涂有優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電膏。

心電信號經(jīng)過導(dǎo)聯(lián)電極采集后，首先進入前置放大電路進行放大。前置放大電路的設(shè)計是關(guān)鍵，需要具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、高增益且可調(diào)、低功耗和抗干擾能力強的特點。我們選用Analog Device公司的醫(yī)用放大器AD620作為前置放大器的核心芯片。AD620是一款低噪聲、高精度儀表放大器，非常適合用于生物醫(yī)學(xué)信號的放大。

3.2 信號處理模塊

信號處理模塊包括濾波電路和降噪電路。濾波電路采用高通和低通兩級濾波，以消除心電信號中的高頻干擾和低頻噪聲。同時，為了抑制50 Hz工頻干擾，我們設(shè)計了50 Hz帶阻濾波器。降噪電路則采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，對采集到的心電信號進行進一步處理，以提高信號的信噪比。

在濾波和降噪處理過程中，MSP430單片機通過控制濾波電路和降噪電路的工作狀態(tài)，實現(xiàn)心電信號的實時處理。同時，MSP430單片機還負(fù)責(zé)將處理后的心電信號進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并存儲到內(nèi)部存儲器中供后續(xù)分析使用。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將處理后的心電信號傳輸至計算機或移動設(shè)備進行進一步分析。我們采用GPRS通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。被檢查者將某一時段的動態(tài)心電信號由監(jiān)護儀記錄下來后，通過GPRS通信方式將數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)院的心電圖處理診斷系統(tǒng)中。這種方式不僅方便快捷，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程監(jiān)測和診斷。

3.4 顯示模塊

顯示模塊用于實時顯示心電波形和關(guān)鍵參數(shù)。我們采用液晶顯示屏作為顯示設(shè)備，通過MSP430單片機的控制實現(xiàn)心電波形和參數(shù)的實時顯示。同時，為了方便用戶操作和使用，我們還設(shè)計了簡潔明了的用戶界面和操作流程。

四、電路設(shè)計與優(yōu)化

4.1 電路結(jié)構(gòu)描述

整個電路由前置放大電路、濾波電路、降噪電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)傳輸電路和顯示電路組成。其中，前置放大電路是關(guān)鍵部分，它直接影響心電信號的采集質(zhì)量。濾波電路和降噪電路則用于提高信號的信噪比和抗干擾能力。A/D轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以供后續(xù)處理。數(shù)據(jù)傳輸電路和顯示電路則分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。

4.2 濾波與降噪優(yōu)化

為了提高心電信號的信噪比和抗干擾能力，我們采用了多種濾波和降噪技術(shù)。在濾波方面，我們采用了高通和低通兩級濾波以及50 Hz帶阻濾波器相結(jié)合的方式。在降噪方面，我們則采用了數(shù)字信號處理技術(shù)對信號進行進一步處理。同時，我們還設(shè)計了導(dǎo)聯(lián)電極脫落檢測電路以防止運動過程中電極脫落導(dǎo)致的信號中斷或失真。

4.3 電源設(shè)計

為了確保設(shè)備的低功耗和穩(wěn)定運行，我們采用了高效的電源管理方案。電源電路包括電池供電電路和穩(wěn)壓電路兩部分。電池供電電路采用可充電鋰電池作為電源供應(yīng)設(shè)備；穩(wěn)壓電路則采用低噪聲的LDO穩(wěn)壓器SP6205進行穩(wěn)壓處理。SP6205具有低壓差、低靜態(tài)電流等特點非常適合用于便攜式設(shè)備中。

五、測試與驗證

在完成電路設(shè)計后我們進行了詳細的測試和驗證工作。首先我們對電路的各個部分進行了單元測試以確保其正常工作；然后我們進行了整體聯(lián)調(diào)以測試整個系統(tǒng)的性能。測試結(jié)果表明該心電監(jiān)測儀能夠準(zhǔn)確采集并處理心電信號實時顯示心電波形和關(guān)鍵參數(shù)；同時其低功耗和便攜性也滿足了設(shè)計要求。

六、結(jié)論與展望

本文設(shè)計了一種低噪聲便攜式心電監(jiān)測儀該設(shè)備采用MSP430單片機作為主控芯片通過優(yōu)化的電路設(shè)計和濾波降噪技術(shù)實現(xiàn)了對心電信號的準(zhǔn)確采集和實時處理。該設(shè)備具有低功耗、便攜性高、精度高等優(yōu)點能夠滿足不同用戶的需求。未來我們將繼續(xù)優(yōu)化電路設(shè)計提高設(shè)備的性能并開發(fā)更多的功能以滿足更廣泛的應(yīng)用場景。

通過以上詳細的設(shè)計方案我們可以看到在便攜式心電監(jiān)測儀的設(shè)計中主控芯片的選型及其在系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要。MSP430單片機憑借其超低功耗、高性能和豐富的外設(shè)接口成為了我們的首選芯片。在未來的設(shè)計中我們將繼續(xù)探索和應(yīng)用新技術(shù)以提高設(shè)備的性能和用戶體驗。