心電波顯示基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

伊春職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系 張 旭

1.概述

現(xiàn)在的大學(xué)涉電專業(yè)所學(xué)的電路、模擬電子、數(shù)字電子、單片機(jī)等課程相對(duì)比較獨(dú)立，同學(xué)們普遍缺乏面對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題、設(shè)計(jì)制作較大規(guī)模應(yīng)用電路的工作經(jīng)驗(yàn)。

生物機(jī)體內(nèi)蘊(yùn)藏著大量的生物電信息，它包括心電、腦電、肌電、胃電等。其中，心電是心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)，使身體不同部位的表面發(fā)生電位變化，將其記錄下來(lái)即可得到心電圖(ECG)，心電信息與其他生物信息相比，更易于檢測(cè)并具有較直觀的規(guī)律性。

本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的心電波顯示基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)該平臺(tái)的制作、調(diào)試，學(xué)生能在示波器和液晶屏上觀察到本人的心電信號(hào)，使同學(xué)們能學(xué)到一些測(cè)量微弱生物信號(hào)的方法和技術(shù)，同時(shí)把電子電路和單片機(jī)技術(shù)方面的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，讓學(xué)生徹底了解一個(gè)電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程，強(qiáng)化了系統(tǒng)工程的概念，真正學(xué)以致用，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

2.基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路設(shè)計(jì)

平臺(tái)的原理框圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)的原理框圖

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的輸入信號(hào)可由模擬心電發(fā)生器提供，也可由放在人體左腿(LL)和右臂(RA)的心電電極直接拾取。心電信號(hào)頻譜范圍是0.05～100Hz，電壓幅值為20μV～5mV，典型值為1mV，信號(hào)源的阻抗為數(shù)千歐到數(shù)百千歐，此外在信號(hào)的提取過(guò)程中還混雜有其他生物電信號(hào)，以及體外電源50Hz工頻干擾(主要是以共模形式存在，幅值可達(dá)幾V甚至幾十V)、肌電干擾(由于人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮引起，頻率為2Hz～2000Hz)、基線漂移(呼吸和電極極化電壓引起，幅值通常可達(dá)到幾十毫伏，頻率集中在0.015～0.3Hz)等，致使心電信號(hào)的背景噪聲很強(qiáng)，如何在強(qiáng)干擾環(huán)境下提取非常弱的的有用信號(hào)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。因此，本平臺(tái)心電采集部分電路要求一級(jí)放大電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、高穩(wěn)定性及強(qiáng)抗干擾能力等性能，而且增益不能過(guò)大；心電信號(hào)經(jīng)一級(jí)放大后幅值仍然較小，再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大使心電信號(hào)放大到相應(yīng)的幅值，便于用示波器觀察；為了消除低頻噪聲，在一級(jí)放大之后加入高通濾波電路；為了消除50Hz工頻干擾及高頻干擾，加入了低通濾波器；經(jīng)過(guò)前面處理的心電信號(hào)為交變信號(hào)，而本平臺(tái)AD轉(zhuǎn)換輸入電壓范圍為0V～5V，因此，在送入AD之前還需進(jìn)行電平抬升，使心電信號(hào)變成單極性信號(hào)。

本設(shè)計(jì)的模擬電路部分如圖2所示。

圖2 平臺(tái)的模擬電路圖

選用儀表放大器AD620進(jìn)行一級(jí)放大，AD620的核心是傳統(tǒng)的三運(yùn)放放大器電路，具有高輸入阻抗(109Ω)、高共模抑制比(可達(dá)100dB)、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，AD620只需外接一個(gè)電阻就能設(shè)置1—1000的放大倍數(shù)，調(diào)節(jié)方便，其運(yùn)放增益精確地被外接電阻Rg確定：G1=49.4kΩ/Rg+1

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的可變電阻，可以適當(dāng)改變一、二級(jí)放大的增益，可以使高通濾波器的截止頻率設(shè)在0.03～0.05Hz，可以使低通濾波器的截止頻率小于50Hz，可以適當(dāng)改變電平抬升電壓的大小，可以測(cè)量共模抑制比KCMR。計(jì)算公式如下：

二級(jí)放大增益G2=UB/UA=1+R3/R2

下限截止頻率f01=1/(2πR1C1)

上限截止頻率f02=1/(2πR4C2)

總的增益為G=G1×G2

電平抬升至Uc=R6/（R5+R6）

由于P波、R波和T波的頻譜范圍遠(yuǎn)低于50Hz，因此加入低通濾波器對(duì)P波、R波和T波無(wú)影響，QRS波中含有50Hz以上的成分，因此加入低通濾波器將會(huì)引起QRS波失真，我們可以設(shè)置不同的截止頻率讓學(xué)生觀察分析濾波器對(duì)心電信號(hào)的影響。電路中增加了簡(jiǎn)單的右腿驅(qū)動(dòng)電路(右腿心電電極(RL)接地)，以消除工頻干擾。圖3、4為電平抬升前后示波器顯示的心電波形，其中Umin（1）從-40.0mV抬升至160mV。

圖3 電平抬升前的心電波形

通過(guò)上面電路的安裝、調(diào)試，同學(xué)們可以熟練掌握集成運(yùn)算放大器的使用方法，減少模擬電路教學(xué)中過(guò)多地研究分立器件帶來(lái)的負(fù)面影響(分立元件電路設(shè)計(jì)公式繁多，計(jì)算復(fù)雜，調(diào)試費(fèi)時(shí)費(fèi)力，降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣)。

本設(shè)計(jì)數(shù)字電路部分選用帶中文字庫(kù)的JM12864M液晶屏來(lái)顯示心電波形，它采用ST7920作為控制芯片；選用低價(jià)位、高性能8位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549和學(xué)生熟悉的AT89S52單片機(jī)來(lái)處理模擬心電信號(hào)。具體的電路如圖5所示。

圖5 平臺(tái)的數(shù)字電路圖

3.軟件設(shè)計(jì)

從人體體表獲取的心電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、升壓處理后，即可送到A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549輸入端口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于等于被采樣信號(hào)最高頻率的兩倍，即200Hz以上，以免采樣后的信號(hào)發(fā)生頻譜的混疊。但是，考慮到平臺(tái)選用的是學(xué)生常用的AT89S52單片機(jī)和JM12864M液晶屏以及工作速度問(wèn)題，我們將采樣頻率設(shè)置為50Hz，轉(zhuǎn)換結(jié)果為：ADC=(VIN*256)/VREF，數(shù)據(jù)范圍是0x0000～0x00FF。選用原因如下：一般人的心率按75次/分鐘算，LCD的X軸是128個(gè)像素點(diǎn)(去除坐標(biāo)占用剩下115個(gè)像素點(diǎn)可用)，如果選用200Hz采樣且一個(gè)像素點(diǎn)采樣一次的話，一屏僅能顯示不到一個(gè)心電波形周期，為了方便觀察，采用50Hz采樣，液晶屏上大約40個(gè)像素點(diǎn)一個(gè)心電周期，保證任何時(shí)刻都有2個(gè)心電波形能夠顯示在LCD屏上。

采用定時(shí)中斷進(jìn)行采樣，A/D轉(zhuǎn)換周期由T0定時(shí)控制，采樣周期是20ms，定時(shí)初值TH0=0XB1，TL0=0XE0，A/D轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)入顯示數(shù)據(jù)子程序。

LCD液晶控制：

JM12864M無(wú)論顯示字符或圖形，都是通過(guò)對(duì)顯示RAM（文本顯示DDRAM和繪圖顯示GDRAM）寫(xiě)入不同數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

(1)波形顯示方法

采用逐點(diǎn)推移的方法在LCD上顯示波形，方法簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，軟件設(shè)計(jì)難點(diǎn)也在于此，它包括：

1)建立坐標(biāo)系：在LCD上通過(guò)地址變換關(guān)系建立坐標(biāo)系，LCD上縱坐標(biāo)Y(LCD行數(shù))表示顯示幅值，與顯示數(shù)據(jù)大小相對(duì)應(yīng)；LCD上橫坐標(biāo)X(LCD水平位址，即列數(shù))代表時(shí)間序列，按所采集數(shù)據(jù)的先后次序確定，也就是說(shuō)，水平方向一個(gè)像素點(diǎn)代表一個(gè)時(shí)間單位，垂直方向一個(gè)像素點(diǎn)代表一個(gè)幅值單位。JM12864M的GDRAM坐標(biāo)如圖6所示，水平坐標(biāo)X以字節(jié)為單位(2字節(jié)16位)、垂直坐標(biāo)Y以位為單位寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

圖6 JM12864M繪圖顯示坐標(biāo)

屏幕分上下兩屏，垂直坐標(biāo)上下屏都為Y：00—1F(也即0X80+Y)；水平坐標(biāo)上半屏為X1：00—07(也即0X80+X1)，下半屏為X2：08—0F(也即0X80+X2)。

2)基本畫(huà)圖子程序：畫(huà)波形依靠畫(huà)點(diǎn)、畫(huà)線兩個(gè)子程序。

①畫(huà)點(diǎn)子程序：首先對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在這里，我們定義的坐標(biāo)系如圖7所示，(0,0)代表屏幕的左上角，(27,63)代表屏幕的右下角。

圖7 定義坐標(biāo)系

如圖7的坐標(biāo)值要轉(zhuǎn)換成液晶屏如圖6的顯示坐標(biāo)值，方法如下：

數(shù)據(jù)寫(xiě)入GDRAM的步驟如下：a)關(guān)閉繪圖顯示功能；b)先將垂直的坐標(biāo)(Y)寫(xiě)入GDRAM地址；再將水平的位元組坐標(biāo)(X)寫(xiě)入GDRAM地址；c)將D15——D8寫(xiě)入到GDRAM中；將D7-D0寫(xiě)入到GDRAM中；d)打開(kāi)繪圖顯示功能。

每顯示一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)都是將相應(yīng)列的像素點(diǎn)置位，但是位元組坐標(biāo)(X)是按照16位寫(xiě)入的，寫(xiě)入新點(diǎn)的時(shí)候，會(huì)覆蓋掉16個(gè)點(diǎn)中的其他點(diǎn)，所以先將顯示中的點(diǎn)讀出來(lái)，再或上要顯示的點(diǎn)，后再寫(xiě)入GDRAM。

注意：讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候要先進(jìn)行一次空讀(dummy read)；水平坐標(biāo)一個(gè)單位兩字節(jié)(即16位D15～D0)寫(xiě)入或者讀完后，X地址會(huì)自動(dòng)加1，加到0FH時(shí)會(huì)重新設(shè)為00H，所以，讀取數(shù)據(jù)之前要先寫(xiě)入你要讀取數(shù)據(jù)的地址，讀取數(shù)據(jù)之后的寫(xiě)入數(shù)據(jù)還要重新寫(xiě)入地址，否則，地址會(huì)發(fā)生改變。

②逐點(diǎn)推移畫(huà)線子程序：這是用來(lái)在液晶上形成連續(xù)曲線的程序。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)畫(huà)完后，自動(dòng)向右移動(dòng)一列，并將下一列的數(shù)據(jù)與該點(diǎn)比較，若相同則畫(huà)一個(gè)點(diǎn)，不同則采用布蘭森漢姆(Bresenham)算法(請(qǐng)參閱相關(guān)資料)在兩點(diǎn)差值點(diǎn)間補(bǔ)點(diǎn)，由此方法逐點(diǎn)推移形成連續(xù)的圖形。

心電曲線從左向右移動(dòng)繪制，波形到達(dá)右邊界后，整個(gè)液晶屏上的數(shù)據(jù)被清空，新曲線將從左邊界向右重新掃描，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)波形刷新顯示。為了使顯示更加精確，在LCD顯示時(shí)加入坐標(biāo)系(橫軸代表時(shí)間(t)、縱軸代表幅值(U))和位于屏幕中心的中心線，用來(lái)區(qū)分心電波正負(fù)值。實(shí)際LCD顯示波形如圖8所示。其中坐標(biāo)系與刻度的顯示采用LCD取模軟件取出圖形數(shù)據(jù)后送顯。

圖8 LCD上顯示的心電波形

(2)文本顯示方法

JM12864M的DDRAM提供8個(gè)×4行的漢字空間地址，DDRAM坐標(biāo)（請(qǐng)參閱相關(guān)資料）。設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，不再詳述。

4.總結(jié)

以此基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為起點(diǎn)，可以開(kāi)展數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、菜單及心率等生理參數(shù)顯示、波形的回放和顯示靜止等功能的研究，可以考慮把無(wú)源濾波電路改成有源濾波電路、采用速度更快的微控制器、刷新速度更快和點(diǎn)陣數(shù)更多的液晶屏以及分辨率更高的A/D轉(zhuǎn)換芯片以提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)性能。

通過(guò)以上基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)，使同學(xué)們逐漸從單純模仿到個(gè)人創(chuàng)造，提高了同學(xué)們的硬件軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試的能力，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，理論應(yīng)用于實(shí)際的能力。為學(xué)生即將畢業(yè)走向工作崗位和繼續(xù)深造打下了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，開(kāi)闊了視野。隨著實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的進(jìn)一步完善，相信學(xué)生學(xué)到的知識(shí)會(huì)更多，收獲也會(huì)更大，極大地彌補(bǔ)了目前驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多而自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)少、單科性實(shí)驗(yàn)多而綜合性實(shí)驗(yàn)少的不足，全面地把握自己的專業(yè)定位。

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