介紹了一種采用C8051F206設計的心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了它的詳細軟硬件構成。該系統(tǒng)具有精度高、噪聲低、共摸抑制比高、抗干擾能力強等特點，具有一定的實用性。 心電圖是臨床疾病診斷中常用的輔助手段。心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是心電圖檢查儀的關鍵部件。人體心電信號的主要頻率范圍為０．０５～１００Ｈｚ，幅度約為０～４ｍＶ，信號十分微弱。由于心電信號中通常混雜有其它生物電信號，加之體外以５０Ｈｚ工頻干擾為主的電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復雜。為了不失真地檢出有臨床價值的干凈心電信號，往往要求心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能。本文利用Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上Ａ／Ｄ轉換和多路模擬開關設計了一種符合上述要求的多路心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 １ 系統(tǒng)結構及信號調理 圖１所示是一個心電數(shù)據(jù)系統(tǒng)的組成框圖，其中心電信號由專用電極拾取后送入前置放大器初步放大，并在對各干擾信號進行一定抑制后送入帶通濾波器，以濾除心電頻率范圍以外的干擾信號。主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合適范圍后，再經(jīng)５０Ｈｚ和３５Ｈｚ陷波器濾除工頻和肌電干擾，然后將符合要求的心電模擬信號由模擬輸入端送入Ｃ８０５１Ｆ２０６的片上ＡＤＣ，以進行高精度Ａ／Ｄ轉換和數(shù)據(jù)的采集存儲。 １．１ 前置放大電路 前置放大是心電數(shù)據(jù)采集的關鍵環(huán)節(jié)，具體電路如圖２所示。由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態(tài)范圍等性能，設計時一般都采用差分放大電路。本設計選用儀用放大器ＡＤ６２０作為前置放大器。ＡＤ６２０輸入端采用超β處理技術，具有低輸入偏置電流、低噪音、高精度、較高建立時間、低功耗等特性，共模抑制比可達１３０ｄＢ，非常適合作為醫(yī)療儀器前置放大器使用。其增益可調（范圍約１～１０００倍），并可由公式 Ｇ＝１＋４９．４ｋΩ／Ｒｇ 來確定。為防止前置放大器工作于飽區(qū)和或截止區(qū)，其增益不能過大。試驗表明：１０倍左右效果較好。通過Ｕ３可將Ｒ２、Ｒ３上的人體共模信號檢測出來用于驅動導線屏蔽層，以消除分布電容，提高輸入阻抗和共模抑制比。Ｕ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｃ１構成的“浮地”驅動電路可將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，從而降低甚至抵消共模電壓，以達到較強抑制５０Ｈｚ工頻干擾之目的。Ｕ１、Ｕ２主要用于穩(wěn)定輸入信號和提高輸入阻抗，進一步提高共模抑制比。 １．２ 帶通濾波及主放大電路 如圖３所示，帶通濾波由雙運放集成電路ＯＰ２１７７構成。ＯＰ２１７７具有高精度、低偏置、低功耗等特性，片內集成了兩個運放，可靈活組成各類放大和濾波電路。由于心電信號頻帶主要集中在０．０５～１００Ｈｚ左右，頻帶較寬，為此，采用ＯＰ２１７７的兩個運放分別設計二階壓控有源高通和低通濾波器并組合成帶通濾波。其中，Ｕ６Ａ、Ｃ６、Ｃ７、Ｒ８、Ｒ９構成高通濾波器，為不損失心電信號的低頻成分，其截止頻率設計為ｆ＝１／２πＣ６Ｃ７Ｒ８Ｒ９?。保菠牐剑埃埃常龋?。Ｕ６Ｂ、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｃ８、Ｃ９構成低通濾波器，同樣，為不損失其高頻成分，截止頻率設計為ｆ＝１／２πＣ８Ｃ９Ｒ１０Ｒ１１?。保菠牐剑保常埃龋?。主放大電路由ＯＰ１１７７（Ｕ７）、Ｒ１２、Ｒ１３構成。考慮到心電信號幅度約為０～４ｍＶ，而Ａ／Ｄ轉換輸入信號要求１Ｖ左右，因此，整個信號電路的放大倍數(shù)需１０００倍左右。而前置放大約１０倍左右，因此本級放大倍數(shù)設計為１００倍左右，即Ｇ＝１＋Ｒ１２／Ｒ１３≈１００。 １．３ 陷波和電平抬升電路工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，所以必須專門濾除。常規(guī)有源陷波器的頻率特性對電路元件的參數(shù)比較敏感，因此難以精確調試，且電路穩(wěn)定性不高。而開關電容集成濾波器無需外接決定頻率的電阻或電容，濾波頻率僅由外接或片內時鐘頻率決定，且其頻率特性對時鐘和外圍電路的參數(shù)不敏感，因而性能較穩(wěn)定。凌特公司的ＬＴＣ１０６８－５０集成開關電容濾波器內部集成了四個獨立的二階開關電容濾波器，時鐘與中心頻率之比為５０：１，誤差為 ±０．３％可采用±５Ｖ、５Ｖ供電。因此，配合廠家提供的ＦｉｌｔｅｒＣＡＤ濾波器設計軟件，可靈活配置成各類濾波器（低通、高通、帶通、全通等）。為較好地濾除工頻干擾，本設計利用ＬＴＣ１０６８－５０的優(yōu)點專門設計了一個８階巴特沃斯５０Ｈｚ陷波器，采用的時鐘信號頻率為２．５ｋＨｚ設計電路如圖４所示。經(jīng)測試，陷波深度可達５０ｄＢ，可衰減１００倍左右，效果比較理想。 另外，人體肌電隨著個體的差異也會對心電信號造成不同程度的干擾，有時甚至淹沒心電信號，因而有必要加以抑制。研究表明，肌電干擾主要集中在３５Ｈｚ左右，為此，本系統(tǒng)還設計了圖５所示的３５Ｈｚ的無限增益多路反饋型二階陷波器。該二階陷波器由Ｕ１０Ａ、Ｕ１０Ｂ構成。其截止頻率約為３５Ｈｚ，Ｑ約為７，可符合實際要求。經(jīng)過一系列信號調理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而本系統(tǒng)中單片機內置ＡＤＣ轉換輸入電壓范圍為０～３．３Ｖ，因此，在送入ＡＤＣ之前還需進行電平抬升，在圖５中，電平抬升部分由Ｕ１１、Ｒ４２、Ｒ４３、Ｒ４４構成。 １２通道心電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各路心電信號可從人體體表不同部位獲取。由于各路信號頻率特性相同，僅波形的形狀不同，因此各路信號可采用相同的信號調理電路。 ２　單片機采集系統(tǒng)的設計 ２．１ 由Ｃ８０５１Ｆ２０６構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖６所示是單片機與信號調理電路連接框圖。其中Ｃ８０５１Ｆ２０６是Ｃｙｇｎａｌ公司出品的一種混合信號ＩＳＰ ＦＬＡＳＨ微控制器，該芯片內含與８０５１完全兼容的高速微控制器內核、８ｋ Ｆｌａｓｈ、４字節(jié)寬的Ｉ／Ｏ端口、硬件ＵＡＲＴ和ＳＰＩ總線、１２位高精度ＡＤＣ和多達３２通道的模擬輸入多路選擇器。每一個Ｉ／Ｏ引腳均可用軟件配置成模擬輸入端口，其轉換速率可達１００ｋｓｐｓ。這些特點使得Ｃ８０５１Ｆ２０６非常適合作為本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制器。根據(jù)系統(tǒng)需要，可將其端口Ｐ１．０～Ｐ１．７Ｐ３．０～Ｐ３．３配置成１２路心電模擬信號的輸入端。此外，Ｃ８０５１Ｆ２０６還為５０Ｈｚ陷波器提供２．５ｋＨｚ時鐘信號。 ２．２ 軟件設計 系統(tǒng)上電后，首先要進行初始化設置，包括系統(tǒng)復位方式、時鐘源、電壓基準、中斷、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＡＤＣ的設置以及用交叉開關對Ｉ／Ｏ端口進行配置，這些設置可通過設置相應特殊功能寄存器（ＳＦＲ）來進行，具體細節(jié)可參閱相關資料。本系統(tǒng)選擇內部時鐘源，頻率１６ＭＨｚ，并采用內部電壓基準ＶＤＤ。由于心電信號的主要頻率范圍為０．０５～１００Ｈｚ，根據(jù)采樣定理，為了不失真地采集信號，設計時將采樣頻率定為２００Ｈｚ，即１２通道的心電數(shù)據(jù)采樣周期為５ｍｓ。為此設置ＡＤＣ轉換時鐘為系統(tǒng)時鐘的１６分頻，啟動方式采用定時器２溢出和軟件寫ＡＤＢＵＳＹ位啟動相結合的方式；轉換采用查詢方式，并通過讀控制寄存器ＡＤＣ０ＣＯＮ的ＡＤＢＵＳＹ位來判斷一次Ａ／Ｄ轉換的完成與否；轉換數(shù)據(jù)結果采用右對齊，１２位數(shù)據(jù)結果字由數(shù)據(jù)字寄存器讀入ＦＬＡＳＨ。 ３　結束語 與常規(guī)設計相比，本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強等特點，特別是對５０Ｈｚ工頻干擾有較好的抑制能力，可獲取反應心電特征及其變化規(guī)律的高質量心電信號。設計中充分利用了高性能單片機Ｃ８０５１Ｆ２０６的片內１２位ＡＤＣ資源來使系統(tǒng)結構簡化，采集的數(shù)據(jù)可靈活方便地由Ｃ８０５１Ｆ２０６的ＳＰＩ端口送入心電處理中心進行后續(xù)分析處理。 編輯：何世平