一種心電信號采集系統設計

摘 要：介紹了一種心電信號采集系統設計，給出了系統總體設計方案，并針對設計中的重點電路，運放電路、A/D轉換器電路、FPGA及外圍電路、DSP及外圍電路以及USB接口電路進行了詳細介紹。該心電信號采集系統由于采用了FPGA和DSP相結合的結構，具有在線可編程和特征分析精確性高的特點。

關鍵詞：心電信號A/D轉換器FPGAUSB接口

中圖分類號：TP29文獻標識碼：A文章編號：1674-098X(2011)06(b)-0025-01

Design of ECG Acquisition System

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Abstract：Design of the ECG signal acquisition system is introduced and the scheme of system design is proposed in the paper. According to key parts， the operational circuit， A/D converter circuit， FPGA circuit， DSP circuit and USB interface circuit are described in detail. The ECG signal acquisition system has online programmable and accurate characteristics analysis because of the application of FPGA and DSP.

Key words：ECG signal;A/ D converter;Field Programmable Gate Array;USB interface

1 引言

心血管疾病一直以來便是威脅人類健康和生命安全的主要疾病之一。心電圖作為一種診斷和檢測心臟疾病的療傷手段，可以反映心臟電生理活動，體現有關心臟狀態的信息。同時，心電信號可以從體表無損傷地檢測到。目前，市面上對于監護心電信號的產品種類繁多，一般采用單片機和DSP處理器的實現結構。

本文設計了一種心電信號采集系統，該采集系統主要由FPGA器件和DSP器件為核心，同時采用了USB接口解決了心電信號采集系統與PC機之間的數據傳輸。由于FPGA具有可編程的特點，因此該系統具有持續可開發的特點。

2 心電信號采集系統結構

心電信號屬于強噪聲背景下的一種非常微弱的非正弦低頻信號，一般都是由P、QRS、T、U波及P-R間期、S-T段、Q-T間期等組成。同時，心電信號頻率范圍在0.05-100Hz，幅度不超過5mV，主要頻譜分量集中在0.5-20Hz。因此，對于此種微弱信號首先需要進行放大處理，然后采用A/D轉換器實現采樣，將采樣后的數字量送入FPGA中，在FPGA中可以實現濾波處理，濾波后數據送入DSP中進行心電信號的特征分析，分析后的數據可通過USB接口送達到PC機中，具體的心電信號采集系統結構如圖1所示。

3 系統各部分組成設計

3.1 運放電路

本系統中運放電路采用了Analog Devices公司生產的新型儀用放大芯片AD620，該芯片在0.1～l0Hz范圍內噪聲電平不大于0.28μVp-p，通過外接一只可調電阻，其放大倍數即可從1～1000倍連續可調。

3.2 A/D轉換器電路

由于心電信號頻率范圍在0.05～100Hz，即對A/D轉換器的采樣速率要求不高，本系統A/D轉換器采用了ADC0809。工作中，當心電信號采集結束后，高電平表示ADC0809轉換器轉換完畢，數據等待FPGA讀取。

3.3 FPGA及外圍電路

FPGA是現場可編程陣列(FieldProgrammable Gate Array )的簡稱，用戶根據所設計的數字電路系統的要求，在現場由自己配置、定義的高密度專用數字集成電路。本系統采用的是Stratix系列FPGA，其內部資源較多，可提供高達11萬門的邏輯電路，可滿足本系統中的濾波算法的實現。

3.4 DSP及外圍電路

本設計中的DSP選擇的是TI公司的芯片TMS320C6713。該芯片是一款32位浮點DSP，運行速度快較快，最高可達到1.8GSPS；采用VLIW體系結構及流水線技術設計而成。其優勢在于可以采用浮點運算，具有較高的精確度。

3.5 USB接口電路

本設計中USB接口電路采用了CY7C68013芯片，該芯片是Cypress公司的USB2.0的集成微控制器，該芯片內部具有增強性8051內核，其標準與8051兼容。同時，內部集成了1個USB數據收發器、3個8位I／O口、1個智能USB串行接口引擎、16位地址線、4K的BFIFO等。

4 FIR濾波處理技術

本系統中FIR濾波處理在FPGA內部實現，主要完成心電信號的濾波處理。FIR濾波器設計主要采用IP核設計，即采用Altera公司提供的IP核完成參數設置。通過 “MegaWizard Plug-In Manager”工具，選擇“create a new custom megafunction”，展開DSP>Filters，選擇FIR Compiler。根據心電信號特性，本設計中采樣速率選擇為120Hz，帶寬60Hz，濾波器結構為FIR低通結構，阻帶衰減60dB。

5 結語

本文設計的一種心電信號采集系統，采用了FPGA和DSP相結合的結構，使得系統具有了在線可編程的特點，同時對于心電信號的濾波可在FPGA內部實現數字式濾波，濾波性能得到提升。采用了浮點DSP對后續心電信號進行特征分析，可以達到較高的精確度，較高的工作速率極大地提升了心電信號特征分析的計算效率。

參考文獻

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