心电波显示基础实验平台的简单实现

伊春职业学院机电工程系 张 旭

1.概述

现在的大学涉电专业所学的电路、模拟电子、数字电子、单片机等课程相对比较独立，同学们普遍缺乏面对实际工程问题、设计制作较大规模应用电路的工作经验。

生物机体内蕴藏着大量的生物电信息，它包括心电、脑电、肌电、胃电等。其中，心电是心脏跳动产生的电信号，使身体不同部位的表面发生电位变化，将其记录下来即可得到心电图(ECG)，心电信息与其他生物信息相比，更易于检测并具有较直观的规律性。

本文设计了一种简单的心电波显示基础实验平台，通过对该平台的制作、调试，学生能在示波器和液晶屏上观察到本人的心电信号，使同学们能学到一些测量微弱生物信号的方法和技术，同时把电子电路和单片机技术方面的知识应用于实际，让学生彻底了解一个电子系统实现的全过程，强化了系统工程的概念，真正学以致用，进而激发学生学习的积极性。

2.基础实验平台电路设计

平台的原理框图如图1所示。

图1 平台的原理框图

实验平台的输入信号可由模拟心电发生器提供，也可由放在人体左腿(LL)和右臂(RA)的心电电极直接拾取。心电信号频谱范围是0.05～100Hz，电压幅值为20μV～5mV，典型值为1mV，信号源的阻抗为数千欧到数百千欧，此外在信号的提取过程中还混杂有其他生物电信号，以及体外电源50Hz工频干扰(主要是以共模形式存在，幅值可达几V甚至几十V)、肌电干扰(由于人体运动、肌肉收缩引起，频率为2Hz～2000Hz)、基线漂移(呼吸和电极极化电压引起，幅值通常可达到几十毫伏，频率集中在0.015～0.3Hz)等，致使心电信号的背景噪声很强，如何在强干扰环境下提取非常弱的的有用信号，是系统设计的关键和难点。因此，本平台心电采集部分电路要求一级放大电路具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、高稳定性及强抗干扰能力等性能，而且增益不能过大；心电信号经一级放大后幅值仍然较小，再经过二级放大使心电信号放大到相应的幅值，便于用示波器观察；为了消除低频噪声，在一级放大之后加入高通滤波电路；为了消除50Hz工频干扰及高频干扰，加入了低通滤波器；经过前面处理的心电信号为交变信号，而本平台AD转换输入电压范围为0V～5V，因此，在送入AD之前还需进行电平抬升，使心电信号变成单极性信号。

本设计的模拟电路部分如图2所示。

图2 平台的模拟电路图

选用仪表放大器AD620进行一级放大，AD620的核心是传统的三运放放大器电路，具有高输入阻抗(109Ω)、高共模抑制比(可达100dB)、低噪声等优点，AD620只需外接一个电阻就能设置1—1000的放大倍数，调节方便，其运放增益精确地被外接电阻Rg确定：G1=49.4kΩ/Rg+1

实验中通过调节相应的可变电阻，可以适当改变一、二级放大的增益，可以使高通滤波器的截止频率设在0.03～0.05Hz，可以使低通滤波器的截止频率小于50Hz，可以适当改变电平抬升电压的大小，可以测量共模抑制比KCMR。计算公式如下：

二级放大增益G2=UB/UA=1+R3/R2

下限截止频率f01=1/(2πR1C1)

上限截止频率f02=1/(2πR4C2)

总的增益为G=G1×G2

电平抬升至Uc=R6/（R5+R6）

由于P波、R波和T波的频谱范围远低于50Hz，因此加入低通滤波器对P波、R波和T波无影响，QRS波中含有50Hz以上的成分，因此加入低通滤波器将会引起QRS波失真，我们可以设置不同的截止频率让学生观察分析滤波器对心电信号的影响。电路中增加了简单的右腿驱动电路(右腿心电电极(RL)接地)，以消除工频干扰。图3、4为电平抬升前后示波器显示的心电波形，其中Umin（1）从-40.0mV抬升至160mV。

图3 电平抬升前的心电波形

通过上面电路的安装、调试，同学们可以熟练掌握集成运算放大器的使用方法，减少模拟电路教学中过多地研究分立器件带来的负面影响(分立元件电路设计公式繁多，计算复杂，调试费时费力，降低了学生学习的兴趣)。

本设计数字电路部分选用带中文字库的JM12864M液晶屏来显示心电波形，它采用ST7920作为控制芯片；选用低价位、高性能8位串行A/D转换芯片TLC549和学生熟悉的AT89S52单片机来处理模拟心电信号。具体的电路如图5所示。

图5 平台的数字电路图

3.软件设计

从人体体表获取的心电信号经过放大、滤波、升压处理后，即可送到A/D转换芯片TLC549输入端口进行A/D转换。根据Nyquist采样定理，采样频率应大于等于被采样信号最高频率的两倍，即200Hz以上，以免采样后的信号发生频谱的混叠。但是，考虑到平台选用的是学生常用的AT89S52单片机和JM12864M液晶屏以及工作速度问题，我们将采样频率设置为50Hz，转换结果为：ADC=(VIN*256)/VREF，数据范围是0x0000～0x00FF。选用原因如下：一般人的心率按75次/分钟算，LCD的X轴是128个像素点(去除坐标占用剩下115个像素点可用)，如果选用200Hz采样且一个像素点采样一次的话，一屏仅能显示不到一个心电波形周期，为了方便观察，采用50Hz采样，液晶屏上大约40个像素点一个心电周期，保证任何时刻都有2个心电波形能够显示在LCD屏上。

采用定时中断进行采样，A/D转换周期由T0定时控制，采样周期是20ms，定时初值TH0=0XB1，TL0=0XE0，A/D转换完成后进入显示数据子程序。

LCD液晶控制：

JM12864M无论显示字符或图形，都是通过对显示RAM（文本显示DDRAM和绘图显示GDRAM）写入不同数据来实现的。

(1)波形显示方法

采用逐点推移的方法在LCD上显示波形，方法简单，运行速度快，软件设计难点也在于此，它包括：

1)建立坐标系：在LCD上通过地址变换关系建立坐标系，LCD上纵坐标Y(LCD行数)表示显示幅值，与显示数据大小相对应；LCD上横坐标X(LCD水平位址，即列数)代表时间序列，按所采集数据的先后次序确定，也就是说，水平方向一个像素点代表一个时间单位，垂直方向一个像素点代表一个幅值单位。JM12864M的GDRAM坐标如图6所示，水平坐标X以字节为单位(2字节16位)、垂直坐标Y以位为单位写入数据。

图6 JM12864M绘图显示坐标

屏幕分上下两屏，垂直坐标上下屏都为Y：00—1F(也即0X80+Y)；水平坐标上半屏为X1：00—07(也即0X80+X1)，下半屏为X2：08—0F(也即0X80+X2)。

2)基本画图子程序：画波形依靠画点、画线两个子程序。

①画点子程序：首先对AD转换后的原始波形数据进行处理，在这里，我们定义的坐标系如图7所示，(0,0)代表屏幕的左上角，(27,63)代表屏幕的右下角。

图7 定义坐标系

如图7的坐标值要转换成液晶屏如图6的显示坐标值，方法如下：

数据写入GDRAM的步骤如下：a)关闭绘图显示功能；b)先将垂直的坐标(Y)写入GDRAM地址；再将水平的位元组坐标(X)写入GDRAM地址；c)将D15——D8写入到GDRAM中；将D7-D0写入到GDRAM中；d)打开绘图显示功能。

每显示一个时间点的数据时都是将相应列的像素点置位，但是位元组坐标(X)是按照16位写入的，写入新点的时候，会覆盖掉16个点中的其他点，所以先将显示中的点读出来，再或上要显示的点，后再写入GDRAM。

注意：读取数据的时候要先进行一次空读(dummy read)；水平坐标一个单位两字节(即16位D15～D0)写入或者读完后，X地址会自动加1，加到0FH时会重新设为00H，所以，读取数据之前要先写入你要读取数据的地址，读取数据之后的写入数据还要重新写入地址，否则，地址会发生改变。

②逐点推移画线子程序：这是用来在液晶上形成连续曲线的程序。当一个点画完后，自动向右移动一列，并将下一列的数据与该点比较，若相同则画一个点，不同则采用布兰森汉姆(Bresenham)算法(请参阅相关资料)在两点差值点间补点，由此方法逐点推移形成连续的图形。

心电曲线从左向右移动绘制，波形到达右边界后，整个液晶屏上的数据被清空，新曲线将从左边界向右重新扫描，如此循环，实现波形刷新显示。为了使显示更加精确，在LCD显示时加入坐标系(横轴代表时间(t)、纵轴代表幅值(U))和位于屏幕中心的中心线，用来区分心电波正负值。实际LCD显示波形如图8所示。其中坐标系与刻度的显示采用LCD取模软件取出图形数据后送显。

图8 LCD上显示的心电波形

(2)文本显示方法

JM12864M的DDRAM提供8个×4行的汉字空间地址，DDRAM坐标（请参阅相关资料）。设计比较简单，不再详述。

4.总结

以此基础实验平台作为起点，可以开展数字滤波、数据存储、菜单及心率等生理参数显示、波形的回放和显示静止等功能的研究，可以考虑把无源滤波电路改成有源滤波电路、采用速度更快的微控制器、刷新速度更快和点阵数更多的液晶屏以及分辨率更高的A/D转换芯片以提高实验平台性能。

通过以上基础实验平台的实验，使同学们逐渐从单纯模仿到个人创造，提高了同学们的硬件软件系统设计、调试的能力，分析问题、解决问题的能力，理论应用于实际的能力。为学生即将毕业走向工作岗位和继续深造打下了坚实的实验基础，开阔了视野。随着实验平台的进一步完善，相信学生学到的知识会更多，收获也会更大，极大地弥补了目前验证性实验多而自主设计实验少、单科性实验多而综合性实验少的不足，全面地把握自己的专业定位。

[1]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程模拟电子线路设计[M].电子工业出版社,2007,5.

[2]王保华.生物医学测量与仪器[M].复旦大学出版社,2003,1.

[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础第三版[M].高等教育出版社,2004,4.

[4]张旭.便携式远程实时动态心电监护系统的研究[D].东北农业大学硕士学位论文,2010,6.

[5]万隆,巴奉丽.单片机原理及应用技术[M].清华大学出版社,2010,3.