来自发烧友用户tankee
1. 硬件介绍
通过
单片机处理传感器接收的 ECG 信号并与串口屏
通信，实现心电图显示及 HMI 功能。
1.1. 简要介绍
心电图，或叫ECG(也称为 EKG, 德国单词的缩写法)是测量因心脏组织的电活动在人体表面产生的电位变化，心脏的电荷泵特征使心肌以电离子形式产生信号收缩，人们对电位信号的研究能帮助诊断出很多心脏功能的异常，下面是采样出的ECG图形特征。
通过研究连续心跳在不同时间点上的 P, Q, R, S, T 变化位置，就能检测出心脏引起的许多问题。
P波代表心房激化； PR间期是心房激化开始到心室激化的时间，QRS复波代表心室激化；QRS间期是心室激化的时间段。ST-T波代表心室复极，.QT间期是心室激化到恢复的时间段，U波可能代表心室的”后去极化”。
1.1.1. 心电图仪器的要求
ECG监测仪，最简单的理解就是个生物电放大器。置于皮肤上的电极能采集到的最大电压是 0.5 到 2 mV，要对这些采样数据做分析就必须对信号进行放大。
ECG的前端必须能处理特别弱的信号，其范围在0.5mV 到2.0mV，结合直流
元件由于电极-皮肤接触就可达 ±300mV。视加护病房(ICU)应用，对晚电位测量(起博器检测)ECG信号的有用带宽可达1KHz，标准诊所的ECG应用有0.05Hz 到 100Hz带宽。
ECG 信号可能被各种噪声干扰,主要的噪声源是:
▲
电源线干扰: 50Hz 或 60Hz 陷波和来自电源线的谐波。
▲ 电极接触噪音: 电极和皮肤之间的接触变化会引起基线漂移。
▲ 运动伪影: 电极皮肤间阻抗变化引起的基线移动。
▲ 肌肉收缩: 产生肌动电流图信号 (EMG)并与ECG信号混合。
▲ 呼吸,引起基线漂移。
▲ 把焊条钢丝当做天线，来自其他电器设备的电磁干扰，连接到其他电设备的噪音，一般是高频。
为了进行有效和精确的测量，这些干扰必须在信号处理中滤除掉。
1.1.2. 系统框图
按如上的要求，1导功能模块可见图3。ECG模块不包括IPC和显示，它只是数据采集部分，可以连接到I串口屏上形成基于MCU的ECG监测仪。
1.2. 系统框图中每一模块简单描述
每个框图将实现下表列出的功能：
-电极检测出心脏活动产生的电位变化。
-保护
电路保护患者因电风险产生的免疫力(本电路中未包括)。
-加缓冲降低传感器的大阻抗。
-右腿驱动电路帮助减小共模干扰。
-仪表放大器电路将放大有用信号，LPF低通滤波和HPF高通滤波执行BPF带通滤波功能，删除掉DC部件和高频噪声。
-ADC 和处理器将实现数据采集与处理，然后把输出数据和计算结果送到HMI。
补充：
1. 图2显示的只是单导系统，事实上，可以按此开发出标准7导系统它能实现基于ICU或诊所环境下的的ECG检测系统，由此看出，标准7导监测系统包括了单导系统，可以实现导联I,导联II，导联III，aVR，aVL，aVF以及前胸导联检测。
Lead I: RA (-) to LA (+) (左右或侧面)
Lead II: RA (-) to LL (+)
Lead III: LA (-) to LL (+)
aVR: L+F (-) to RA(+)
aVL: R+F(-) to LA(+)
aVF: R+L(-) to LL(+)
V: R+L+F(-) to C(+); (胸导)
总的有 5 个电极，4 个用于导联信号识别，1 个用于右腿驱动。
2. 1mV 校准电路
1mV 校准电路产生1mV标准信号，这可以修正显示的 ECG 描迹。
3. 系统可以在 15℃ 到 35℃温度下工作。
1.3. 误差分析
按照ECG监测的要求，主要参数是心率，敏感度和精度，硬件应该满足要求(软件也可以帮助修正错误)
1. 采样率
ECG信号的大部分频率不超过35Hz，所以采样率应当大于100Hz，这是目前ECG检测的现状。
2. 精度
诊所应用中,ST 段的变化情况对某些心脏病是非常重要的,所有肢导的 ST 背离应该不超过0.1mV;在胸导上的 V1~V3 不超过 0.3mV,V4~V6 不超过 0.1mV;在所有标准 12 导联中的 ST背离不超过 0.05mV.
ECG信号的振幅在0.5mV到2.0mV,所以按照ST背离要求,整个系统应该有2.5%的精度(0.05mV/2mV=2.5%).
3. 误差分布
失误源包括软件和硬件,对于硬件来说,传感器(电极),放大电路是主要误差源,所以误差分布如下:
电极: 30% (15uV);
放大电路和 ADC: 60% (30uV R
ti)
软件: 10% (5uV RTI)
2. 每一模块描述
做为一个ECG监测模块,主要精度要求是心率的精度(±1bpm) 和1mV校准信号(1mV±1%),三模式下的CMRR(诊断模式>90dB,监测模式>105dB,手术模式>105dB)可能是个重要考虑因素.
电气安全性是另一个必须考虑的因素,这个模块采取了下面措施来避免患者受电击, 氖灯处理70V以上高压,双二极管(IN4001)保持输入信号在±600mV,电阻器限制电流活动,使用蓄电池做安全电源,和采用了右腿驱动电路.
为了采样右腿干扰ECG信号,模数过滤和共模干扰处理是重要的.
下面描述按信号链线索进行.
2.1. 电极和导联线电缆
一次性自黏插座把输入源连到患者皮肤上,通过自扣式连接器连到电极,我们选择这个插座是因为它是非侵害的,比较适用于测量低电压心电信号,由于人的皮肤是弱电传感器,在皮肤和电极接触之间加进低阻抗胶,电极应该是:
高敏感度
低电极漂移电位
低电极噪声
电电极偏振影响 (方法—前置放大的高输入阻抗)
运动伪影---大约 5mv ( 加入电极胶或粘贴)
Ag/AgCl 电极应能提供最好的低偏移电位和漂移,低噪声与运动伪影相应免疫力的组合,满足偏移和漂移规格的商用 ECG 电极有预胶,自黏合,以及易于使用和存储的优点.
患者电缆是个屏蔽电缆,携带电信号到前端放大器,插座和电极的有效性对ECG设计是非常重要的,脏的,出汗和其他污染物会导致读取到低劣信号,所以接触区要用外用酒精处理下.
应该仔细选择电极和导联线来满足相关标准的要求 (ANSI/AAMI EC12:2000/(R)2005 --Disposable ECG electrodes; ANSI/AAMI EC53:1995/(R)2001 --ECG cables and leadwires ). 为了使系统更稳定,加一个导联线电缆插座到
PCB板上.
2.2. 导联选择
这个系统是 7 导联的 ECG 模块,7 导是:
Lead I: VI = ΦL - ΦR
Lead II: VII = ΦF - ΦR
Lead III: VIII = ΦF - ΦL
aVR: L+F (-) to RA(+)
aVL: R+F(-) to LA(+)
aVF: R+L(-) to LL(+)
V: R+L+F(-) to C(+); 胸导
由于来自患者的电极是4个,为了得到7对不同的信号,需要用到导联选择,Wilson网络和模拟复用开关用于实现导联选择
Wilson 网络
Wilson 网络用于导联选择的现代 ECG 监测中，Wilson 网络和患者之间用 OP4177 创建的缓冲用作信号隔离，9 个电阻形成三角 Wilson 网络(见图 7)，该三角网络的三点对应RA,LA,和 LL，而从 RA,LA 和 LL 信号平均值导出的 Wilson 网络中心，提供电压到单导联的负输入端，Wilson 网络中心的电压是 0V，所以在 Wilson 网络中的所有电阻是 1%偏差的 0603 封装。
对缓冲来说，低噪声和端到端的匹配是最重要的事，所以 OP4177 电源使用±3.3V。
其他标准导联升级也可以从这网络导出,导联连接点的数学关系式可从简单推演中导出
多路复用器
与1mV校准信号一起，需要使用到四对信号通道，模拟开关应该是个好的选择。
因其低阻抗(100Ω max)这里使用两个复用器(ADG658YRU)，低漏电流(±5nA)和低功耗,典型的，它<0.1μW。他们由±3.3V供电，详细的导联线选择见表1。
两个 ADG658 由 AduC7020 控制，ADG658 的真值表见表 2，导联线选择真值表见表 3,从系统健壮性和方便调试考虑，控制引脚缺省的接一个下拉 10KΩ电阻,所以默认设置是 Vx导联，激活 ADG658的/ENABLE 使能总是低的。
2.3. 1mV 校准
1mV校准信号从微处理器AduC7020的嵌入式参考源导出，它是2.5V的，参考源有±10mV最大初始精度和±10ppm/℃漂移。
对 1mV 精度来说，初始精度可校，所以温飘对患者监测来说是最重要的因素，周围环境温度应为 15~35℃，所以温飘是：
(±10/1000000)*20*2.5=±0.5mV (最坏场合,满量程)
考虑到放大器的漂移 (Xmv/℃), 方程式应为：
所以 X ≤ 2.45mv/℃. 如选用 AD8541AKS, 其飘移是 4uV/℃, 然后再用 1MΩ 电阻和可调电位器,总电阻为10KΩ得到1mV信号,精度为:
使用 ADG719BRM模拟开关来产生 1mV 方波，ADG719是一个带最大5Ω电阻的SPDT开关，方波频率是 2Hz。
从系统健壮性和易于调试出发, 加一个 10KΩ下拉电阻设置 GND 为缺省地。
2.4. IA & DRL
仪器放大器 (IA)
仪器放大器对 ECG 模块的性能是很重要的，选用 AD8221
ARM/AD8220ARM 做为仪器放大器的理由是：
CMRR>100dB 接近 1kHz,50µV 最大偏置电压，1nA 最大输入偏置电流和 0.28µV 的输入电压噪声(0.1Hz 到 10Hz)。
仪器放大器的增益由下面因素决定：
仪器放大器输出电压摆动范围。
设置增益下的放大器 CMRR。
IA 的最大挑战在于电极电位差高达±300µV，强度远超 ECG 信号，所以为了系统简洁和更高的 CMRR，最好选择端到端的 IA。
Gain = 1 + 49.4 k/(RG // 44 k)
RG= 2173.6 / (44*(G-1)-49.4) KΩ
44KΩ电阻来自 IA 中的 DRL 右腿驱动电路，IA 和 DRL 的电路见下图 9，为了精度，选择 RG 的误差在 1%。
右腿驱动 (DRL)
基于两点考虑，右腿驱动电路 DRL 对 ECG 系统是必须的：
消除 50/60Hz 工频干扰。
患者保护。
右腿共模反馈电路中用的运算放大器是 OP2177,双极放大器，电路发送反向共模干扰到患者右腿，它的意图是消除干扰，保护来自导联线的电极信号，运算放大器有一个 20 倍的共模电压增益[从 R2/R1 = 220kΩ/11kΩ导出]，带 70Hz 带宽。
20*log|G(S)|=20*log20-10*log[1+(R2*C*2*Pi*f)]
所以 10*log[1+(R2*C*2*Pi*f)] = 3dB
10*log[1+(220K*C*2*Pi*70)] = 3, C≈0.010286 uF
10KΩ 电阻串在 C 上是为了处理反馈循环时的稳定考虑。
2.5. 信号过滤
ECG 信号频率范围大致在 0.1 to 100 Hz。需要用低波滤通器来删除 100Hz 以上的高频噪声。
设计者使用单电源放大器来做信号过滤是可能的，所以IA后面的所有器件使用3.3V供电，它也是处理器的额定电源。
按照检测系统的要求，它支持三种模式：诊断，检测和手术模式。这些模式的频率范围在表6中给出：
频率范围使用HPF和LPF来建立，HPF设置成一级处理，LPF设置成2级处理，信号过滤电路见下表：
高通滤波部分包括 C1 和 R1。C1做为 AC直流连接和高通电容功能。R1的值取决于HPF的截止频率。对每一模式的R1值见表7。
第一个 AD8609 建立 LPF。增益是 70.8 (1+R3/R2=70.8)。即，激活LPF是由R2，R3和C2来建立的，LPF的迁移功能是：
G(S) = 1+R3/R2*1/(1+R3*C2*S)
所以C2值选择决定了LPF的截止频率。对每一模式的C2值见表7。
ADG704 用来选择不同模式下的 R1 和 C2，默认的 HPF/LPF 截止频率见表7。
一个第二级 Sallen-Key Butterworth LPF用作对高频进一步滤波。其增益是1.57，截止频率是234Hz。LPF也由AD8608建立。
为了更好的排除 50/60Hz 干扰，使用陷波过滤器，这由下表中的双T滤波器实现。
过滤器增益是1.5，所以R2是5.1 KΩ，R1是10KΩ，50/60Hz下的R,C值见下面，你会看到只有电阻变化,电容保持不变。
BPF 带通滤波器和 50/60Hz 陷波过滤后的信号影响效果见图 12。
2.6. 微处理器
微处理器选择上，主要考虑控制能力，外围接口和信号处理能力，
STM32F407用作微处理器，STM32F407有ARM-M4 内核，12-bit 1MSPS ADC以及片内flash存储。
数据采样由嵌入式12位ADC完成，ADC采样率是250Hz。
处理器控制功能还有：导联选择和模式选择。用户接口控制部分由HMI接口完成，接收从RS-232口或UART口发来的命令。
外围接口包括 UART 和 JTAG，UART 用作代码下载和与 HMI 通讯，JTAG 用做在线调试。
2.7. 串口屏
迪文 COF 智能屏，是基于迪文低功耗双核 T5L0 ASIC，将整个智能屏核心电路放到液晶模组 FPC 上，集成整合触摸屏，并把用户 CPU 核的 IO、UART、CAN、AD、PWM 等接口引出到 FPC接口上的产品。本次使用型号为 7 吋触摸版。
3.主要部件列表
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