心电信号与脉搏波信号同步采集系统的研制

程超

中南民族大学生物医学工程学院信号检测与处理实验室 (武汉 430074)

心电信号与脉搏波信号同步采集系统的研制

程超

中南民族大学生物医学工程学院信号检测与处理实验室 (武汉 430074)

心电信号和脉搏波信号都蕴藏有人体丰富的生理信息，它们可以很好地反映出人体内一些子系统的生理状态和病理变化。研究两者之间的变化关系，对于揭示心电和脉搏在生命过程中所存在的某些规律很有意义，为此本文设计了一种动态采集系统，用于对脉搏波信号和心电信号进行24h的同步采集，从而为揭示脉搏波信号与心电信号之间对应关系的研究做好准备。系统选用以ARM处理器S3C2440为核心来构造控制电路，用读写速度快、功耗低的低电压外部数据存储器SD卡存储采集完的信号。通过实验测试表明系统的信号采集效果较好，为后期工作奠定了基础。

心电 脉搏 ARM S3C2440 SD卡

0 引言

研究表明，心电和脉搏波信号中包含着人体重要和基本的生理参数[1]。这些生理参数的日常监护与检测，对于慢性病患者和老年人的健康以及心脏疾病的治疗都有着重要的临床意义[2]。除此之外，对这些生理参数进行长期监测，还可以了解人体健康状态的变化趋势，从而掌握一些疾病对人体健康产生的影响。因此，国内外的学者近几十年来一直致力于心电信号和脉搏信号的分析，特别是计算机辅助诊断与分析，涉及到的领域包括：多种噪声干扰下的微弱心电信号和脉搏信号的信息提取、心电信号和脉搏信号的模式识别与分类、心电数据库、计算机辅助诊断等[3]。

由于已有的一些监护仪系统大多采用个人电脑或是工控机作为波形显示和数据处理的控制器，它们体积大，不易携带[4]。与此同时，一些检测系统直接采用单片机做处理器监护系统，功能较为单一，数据存储量小，使用不是很方便[5]。

随着微处理技术和电子技术的发展，这就为医疗技术提供了新的平台，促使家庭化医疗成为医疗发展史上的一个新的方向。因此，在现有心电和脉搏信号的检测和诊断的基础上，开发具有家庭化特点的心电、脉搏信号采集和分析系统是一个很现实而且有意义的课题。我们以ARM处理器S3C2440为核心，设计并实现了心电与脉搏信号同步数据采集系统装置。该系统对脉搏信号和心电信号进行长时间同步采集，并通过液晶屏对脉搏信号和心电信号波形进行实时显示。利用该系统采集到的数据，可以进一步探讨研究心电和脉搏之间的变化关系，用于揭示在生命过程中二者所存在的某些规律。同时，它具有体积小，功能多，操作方便的特点，可以方便地在日常生活中使用。

1 系统整体结构

设计了一种基于S3C2440处理器和uC/OS-II操作系统的心电与脉搏信号同步数据采集系统。系统主要由心电放大及滤波电路、32位ARM微处理器S3C2440、存储器、液晶显示模块等组成。心电信号与脉搏波信号采集系统中硬件主要包括模拟和数字两大部分，首先将来自电极的模拟信号进行放大、滤波处理；然后通过S3C2440处理器内部的10位A/D转换器进行数模转换。转换完的数字信号一方面经过无损压缩后存储到SD卡，另一方面传送到液晶屏LCD上显示心电和脉搏波波形。S3C2440处理器作为外围控制电路的核心，控制液晶和数据信号的输入与输出。其中系统的硬件框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 心电采集模块设计

心电采集过程：来自AgCl电极的心电信号送入前置放大器进行放大，为了增强电路的耐直流极化的能力，避免进入截止和饱和状态，前置放大增益不宜过大，所以让前置放大器放大5倍。然后将信号送入低通滤波器和高通滤波器，以滤除0.05Hz～100Hz以外的干扰信号，同时分别对输入的信号进行放大。低通滤波器放大2倍，高通滤波器放大4倍。当信号进入50Hz的陷波电路后，滤除掉50Hz的工频干扰信号。最后进入后置放大器，将心电信号电压进一步放大25倍。因此，整个心电信号采集电路对输入的模拟信号放大了1000倍左右。心电采集电路结构框图如图2所示。

下面简单介绍各自的功能电路：(1)前置放大电路

由于人体心电信号比较微弱，其噪声背景却较强，故测试条件比较复杂。为不失真地检测出有临床价值的心电信号，往往要求心电采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。其中前置放大电路是心电数据采集的关键环节，本设计采用AD公司仪用放大器AD623作为前置放大的核心器件。AD623具有低输入偏置电流、低噪声、高精度、较高建立时间、低功耗等特性，共模抑制比可达130dB，非常适用于医疗仪器放大器使用，其增益(范围约1～1000倍)可通过一只连接在1管脚和8管脚之间的外接可调电阻Rg设置，其增益方程为：

图2 心电信号采集电路结构框图

(2)压控电压源二阶低通滤波电路

C35、C37、R51、R68、R70、R71、UP2B 构成压控电压源二阶低通滤波器，由于心电信号的频率范围在0.05Hz～100Hz，为此，将低通滤波器的截止频率设计为100Hz左右。

(3)压控电压源二阶高通滤波电路

C39、C41、C43、R52、R53、R76、R78、UP2A构成压控电压源二阶高通滤波器，设计其截止频率为0.05Hz左右。

(4) 50 Hz陷波电路

R54和R55为可调电阻。其中 R54调整陷波器的中心频率，R55调整Q值。有源带阻滤波器的带宽B越窄，品质因数Q越高，则滤波器的抑制选择性就越好。取C45＝C46＝C47＝C，Rc＝R83+ R54a，Rd＝R84＋R54b，R82＝3(2Rc＋2Rd)，可证明其陷波频率为：

(5)后置放大电路

心电信号的幅度一般在0.05mV～4mV左右，因此整个放大电路放大倍数1000倍左右。在前置放大电路和高低通滤波电路中，心电信号已经放大了40倍左右，所以在后级放大电路中，放大倍数大概为25倍。

图1 硬件系统框图

(6)电平整定电路

由于放大电路输出的是双极性信号会产生负的电压值，为满足S3C2440处理器内的A/D转换电压需求，信号放大滤波后输出的信号需进行电平调整，使之变化范围在0～3.3V之间，以满足A/D转换输入信号的要求。

图3 心电采集原理图

2.2 脉搏波信号采集模块设计

由传感器所采集到的人体脉搏波，其相应的电信号幅度大小为毫伏级，而S3C2440处理器的A/D转换器的输入电压范围是0V～+3.3V。因此，为了满足脉搏波信号A/D转换的要求，脉搏波放大器就必须具有千倍左右的放大倍数。另外，脉搏波信号的频率范围在0.1Hz～5Hz，属于低频信号，所以电路中采用一个低通滤波器，这样可以抑制其它的高频噪声。由于脉搏波信号极易受到运动伪迹等低频干扰，所以电路中设计了截止频率为0.1Hz的高通滤波器来抑制低频干扰。

根据以上要求，电路总体由前置放大电路、低通滤波器、高通滤波器和后置放大电路4部分组成。我们所设计的电路结构框图如图4所示。

图4 脉搏波放大、滤波电路结构框图

各部分电路的工作原理及相关原理图介绍如下：(1)前置放大电路

脉搏波前置放大电路如图5所示。它是由一片集成运放芯片TL084组成的三运放电路，其增益可通过可调电阻R42来调节。该放大电路具有较高的抑制共模干扰能力，它因具有高输入阻抗、低失调电压、稳定放大倍数和低输出阻抗等优点，被广泛应用于生物医学测量以及那些提供微弱信号而共模干扰较大的场合。

(2)低通滤波电路和高通滤波电路

低通滤波电路和高通滤波电路的原理图如图5所示，它是由TL084以及RF1、RF2、RF3、RF4、CF1、CF2组成的二阶低通滤波器，其放大器的增益由RF4、RF3来控制。

由运放 TL084、CF3、CF4、RF5、RF6、RF7、RF8组成一个二阶高通滤波器，其放大器的增益由RF7、RF8来控制。

另外，在高通滤波器后又设计了一个后置放大器，该放大器的放大倍数为6。

2.3 S3C2440为核心的控制模块

2.3.1 以ARM处理器S3C2440为核心的控制电路设计

系统通过ARM处理器S3C2440来完成液晶控制，多通道异步串行通信。S3C2440处理器专为便携式设备提供的高性能和高性价比的微控制器解决方案，在16/32位的低功耗RISC内核ARM920T核的基础上，扩展了一系列完整的通用外围器件，使系统成本及外围器件数目降至最低，这些功能部件分为数据传输单元、系统时钟管理单元、存储单元和系统功能接口单元等。如图6所示。

图5 脉搏波采集原理图

图6 控制模块功能图

2.3.2 数据存储单元设计

SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性，已广泛应用于数据采集系统和许多便携式装置的消息类电子产品中。

S3C2440处理器的SDDATA0～SDDATA3连接SD卡的双向数据传输线DATO～DAT3；SD卡的CLK为主机与卡的同步时钟；CMD为双向的命令/反馈信号，其接口电路原理图如图7所示。

图7 S3C2440处理器与SD卡的连接

3 系统软件设计

系统的软件设计是此设计的重要组成部分。在软件设计中，文章对系统的软件需求按功能进行了严格划分，先将每一部分内容形成模块，然后将各个模块组合在一起。设计的系统软件总体结构如图8所示。

图8 软件设计控制模块

3.1 A/D转换的程序设计

S3C2440内置8路10位A/D转换器(AIN0-AIN7)，系统用2路A/D转换通道(AIN0-AIN1)，分别获得心电信号和脉搏信号的采样数据[6]。由于没有采样保持电路，仅在较窄的频带(0～100Hz)范围内的信号才可能获得正确的采样结果，根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须大于信号中最高频率的两倍[7]。因此，A/D的采样频率必须大于200Hz。由于ARM系统的最小采集频率远大于200Hz，所以我们取它的最小采集频率。令预分频值为255，那么采集频率将近0.2MHz，它的转换时间为25.6us。

系统的采集程序流程方框图如图9。

图9 采集程序流程图

4 实验结果

按照以上对该系统的详细描述，我们已完成了该系统硬件部分的调试，其硬件实物波形显示如图10所示：

图10 实物波形显示图

将A/D转换出来的数据进行存储，并通过MATLAB软件进行数据图形的还原，其显示的波形图像如图11所示：

实验结果表明，该心电脉搏采集系统能实现心电信号和脉搏信号的放大和实时采集与显示，达到了预定的设计要求。

图11 心电和脉搏波的波形显示图

5 总结

笔者所设计的结合生理参数检测技术、微电子技术、和信号处理技术研制出的心电与脉搏信号同步采集系统，具有便携性、易操作性等特点。具体如下：(1)两个采集模块的前置放大电路共模抑制比达到了90dB以上。我们用示波器观察采集志愿者的心电和脉搏信号，检测前置放大电路的效果，完全满足设计的要求。

(2)本系统采用了uC/OS-II实时嵌入式操作系统，它能够更好地帮助系统实现便携式的采集、显示和存储等任务，从而弥补了一些检测系统直接采用单片机做处理器监护系统，功能较为单一的不足。并且，作为本系统的嵌入式操作系统，其特有的优点及强实时性，能够很好地完成任务的调度和通信。

本系统可以方便地在家庭和社区使用，为实现社区护理提供了一种有效办法。与此同时，根据所记录的数据，我们可以建立心电信号与脉搏波之间的关联数据，进而探讨心电及其变化趋势对人体脉搏波的具体影响。

[1]何菊人，生理学，上海医科大学出版社，1988：10～15.

[2]沙宪政，尹勇，魏巍，基于USB的家庭健康监护系统数据采集的设计，电子技术，2003，(1).

[3]李泽君，基于心电与脉搏信息的心血管功能检测与监护系统的研究，北京工业大学硕士论文，2004：1～5.

[4]Liu Xiaodong The design of a home front system for ECG and blood pressure telemonitoring network [D].Beijing Tsinghua University.1999.

[5]Xie Hongtao, Zhang Yonghong, ZhangJupeng Development of portable home ECG and blood pressure monitoring device based on 80C196KC micro-controller[J]Beijing Biomedical Engineering.2001,20(4):271～274.

[6]王黎明，陈双桥，ARM9嵌入式系统开发与实践，北京：北京航空航天大学出版社，2008：153～161.

[7]郑君里，应启珩，杨为理，信号与系统(第二版)上册，高等教育出版社，2001：157～159.

A Development of the Simultaneous Acquisition System of ECG Signal and Pulse Wave

CHENG Chao
College of Bioengineering, South-Central University for Nationalities (Wuhan 430074)

Designed a dynamic electrocardiogram(ECG)and Pulse Wave acquisition system, and used to collect 24-hour ECG and Pulse Wave signals. Using this data,we can find dynamic relationship between EEG and Pulse Wave, which would be help for health care and treatment of disease. This system adopts ARM S3C2440 as main controlling chip SD card as Mass Storage Facility. Results from a series experiments show that, the performance of this system is well. This work will establish a foundation for late reseanch.

electrocardiogram,pulse wave,ARM,S3C2440,SD card

1006-6586(2011)02-0018-05

：R459.7

：A

2010-12-13

程超，研究生