基于双极性采样技术的心率信号采集系统设计

2023-10-24郑春强杨艳云

装备制造技术 2023年8期

郑春强，丁欣，杨艳云，甘文

（广西水利电力职业技术学院，广西南宁 530023）

0 引言

为了满足人们对健康的要求，在穿戴式设备中基本上都配有心率检测功能。心率信号是人体中最重要的体征信号之一，通过测量心脏的跳动频率，能够准确判断出一个人的心脏功能情况，可以根据心率快慢、变异度、整齐程度等方面判断人的心脏健康程度。

目前，穿戴式产品检测心率的方法有光电法[1]、心电信号法[2]、压力振荡法、图像信号分析法[3]等几类。其中心电信号法其实就是医疗级别常用的最准确的测量心率的方法，配备的传感器可以通过测量心肌收缩的电信号来判断使用者的心率情况，原理和心电图类似，这种方法的准确度非常高。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着无数心肌细胞动作电位变化，这些生物电的变化称为心电，而通过心电的周期性变化便可以检测到心率。对于智能穿戴设备来说，心电信号法的缺点是电路比较复杂，占PCB 空间比较大，小型化设计难[4]；易受电磁干扰，同时传感器必须紧贴皮肤，放置位置相对固定。

心电信号采集系统通过心电信号法采集人体心率信号，因其容易受电磁辐射信号的干扰，在硬件设计过程中采用独立电源供电的低噪声前置放大器及采用双极性采样技术为核心技术；在软件设计方面采用零点识别技术实现相位正反信号的相位叠加。

1 硬件设计及功能框图

心电信号采集系统采用32 位单片机STM32 为控制芯片，控制整个采集系统的工作流程[5]；系统采集人体的心电信号，并将结果显示在液晶屏中，同时通过WiFi 模块将数据上传到云端服务器供用户查看[6]；系统提供一组触控按钮，方便用户进行模式及报警设置。心率采集系统设计的硬件如图1 所示。

图1 硬件设计

整个采集系统的主要功能模块包括：心电信号输入探头用于采集微弱的心电信号，由于心电信号很弱小，容易受外界的干扰，采用医学用低噪声三导联线为信号传输线[7]；前置放大电路对探头输入的微弱电信号进行放大处理，抗噪性能是其最重要的考量标准，也是后续电路进行信号处理的基础；低通滤波电路对前置放大电路输出进行噪声滤波，滤除信号中的高频成分，正常心率信号的频率为60 ～100 Hz，低通滤波电路的带宽为200 Hz，将300 Hz 以上的高频信号进行滤波处理；极性转换电路通过将心电信号分成两部分进行处理，这两部分信号相位差180°，这样能够提高系统的共模信号抑制比，该部分电路的设计是硬件设计的核心部分；AD 采样电路对信号进行采样，便于STM32 进行数据处理，采集系统提供两个AD采样电路分别对双极性输出信号进行数据采集；WiFi模块为心率信号采集系统提供远程通讯功能，采集系统通过WiFi 通信模块将采集到的心电信号上传到云服务器供用户查阅；液晶屏模块和触控按键为心率信号采集系统提供人机交互功能，用户可以设置系统的工作方式及报警信息，同时采集系统的采集结果通过LCD 液晶屏反馈给用户。

2 关键硬件设计

2.1 小信号前置放大电路的设计

人体产生的心电信号及其微弱，直接采样难度较大，需要对心电信号进行放大处理。同时在心电信号的放大过程中容易受电磁辐射及各种电信号的干扰，降低系统输入信号的信噪比，所以在前置放大电路中，其抗噪性能要求非常高[8-10]。同时，心率信号包含R波、P 波、PR 间期等众多有用信息，每个参数具有不同的电压值，为了满足不同信号的采集要求，采用自适应3 级信号放大处理技术，设计电路图如图2 所示。

图2 前置放大电路设计

2.1.1 前置放大电路的信噪比设计

小信号放大电路中，运放的选择至关重要，心率采集系统的运放要求具有高信噪比、低失调电压及高带宽的要求。高信噪比可以有效降低噪声，低失调电压能够提供良好的线性关系，高带宽可以有效降低信号的失真。低噪声运放的选择，选用低噪声运放OP27作为心电信号的放大器，OP27 是一款极低噪声放大器，电压低至80 nVpp；同时OP27 具有良好的失调电压，失调电压低至25 μV。

低噪声放大电路中，通过对噪声的来源分析可以发现，高斯噪声在噪声中占有很大的比重，需要对电源纹波电压进行处理。在心率采集系统中，控制板通过DC-DC 模块供电，DC-DC 供电模块具有较大的电源纹波，如果该电源直接给前置放大器进行供电，这样会将微弱的心电信号淹没在电源纹波当中，难以提取心电信号。由于电池的电压纹波非常小，所以在前置放大器中采用独立的充电电池进行供电，以降低供电电源电压纹波对信号的影响。普通开关电源的电压纹波都有几十mV，会对mV 级的心电信号造成干扰，无法满足mV 级或者μV 级心电信号放大电路的要求。所以采用对前置放大电路进行单独电池供电的方法来减小后级电源产生的噪声干扰。

2.1.2 前置放大器自适应增益设计

采用多级放大技术，实现自适应增益放大。为了满足对不同电压幅度的心电信号的采样，设计了3 级放大电路对心电信号进行放大。U1、U2、U3 为3 个OP27 实现3 级差分放大器：

第1 级放大倍数：Au1= R8/R5

在心率采集系统中，R8=100K，R5=2K，Au1设计为50，同时精密可调电阻R1 对U1 的放大输出进行调零，减小零偏造成的电压误差。

第2 级放大倍数：Au2= R13/R10

在心率采集系统中，R13=100K，R10=5K，Au2设计为20，同时精密可调电阻R2 对U2 的放大输出进行调零，减小零偏造成的电压误差。

第3 级放大倍数：Au3= R18/R15

在心率采集系统中，R18=100K，R15=5K，Au2设计为20，同时精密可调电阻R3 对U3 的放大输出进行调零，减小零偏造成的电压误差。

STM32 分别采集3 个放大电路的输出信号的电压大小，通过软件自动选取合适的电压大小作为系统的输出信号。

2.2 双极性采样技术的实现

正常人的心率跳动范围为30 ～300 Hz，所以低通滤波器的截止频率为300 Hz，同时我国市电的频率为50 Hz，处于低通滤波器的滤波范围之外，不能对市电信号进行有效滤波，所以市电带来的频率响应会叠加在心电信号上，成为心电信号采集的又一个重要干扰源。

一般情况下心电信号的频率计算方法是通过采集信号的两个最大值（如波峰或者波谷），计算这两个最大值之间的时间差得到信号周期大小，从而得到心率大小[11，12]。一旦心电信号受到干扰，那么在判断信号的幅值就会出现问题，从而影响对心电信号的检测。以正弦波为例，在受到噪声干扰后，波形最大值出现误判现象，如图3 所示。

图3 波形干扰

为了减小传输过程电磁辐射信号的干扰，采用双极性采样技术可以有效降低干扰信号对心电信号的影响[13，14]。其工作原理如图4 所示。

图4 双极性采样

步骤1：通过极性变换芯片ADG412 将原始信号实现相位翻转，将翻转后的信号称为反信号。

步骤2：在信号采集过程中，原始信号与反信号会同时受到相同电压的噪声干扰。

步骤3：通过运放的差分放大器LT1028 将受干扰后的反信号实现相位翻转。

步骤4：STM32 通过两路ADC 将原始信号及反信号进行数据采集，在STM32 内部将两个信号的数据进行叠加，由于原始信号与反信号的相位差180°，叠加后可以去除噪声的影响。

3 软件设计

心率采集系统的软件流程如图5 所示。

图5 系统流程

用户可以通过触摸按键设置心率采集系统的工作方式，包括设置运动模式、设置心率信号报警阈值等信息等等；STM32 采集心电信号，计算心率大小；将得到数据显示在LCD 液晶屏上，同时通过WiFi 模块将数据上传到云端服务器；同时STM32 会对比用户设置的报警阈值，一旦到达报警条件，STM32 启动报警功能。其中心率信号采集模块为软件设计的核心内容，其流程图如图6 所示。

图6 心率信号采集模块流程

心率信号采集模块采用512 个数据组成一个数据窗口，轮流对两通道的信号进行AD 采样。由于反信号通过由ADG412 芯片组成的极性变换电路及由LT1028 组成的差分放大电路进行信号处理，会引入一定的相位延迟，所以在做叠加运算时不能直接相加，否则会导致结果不正确[15]。为了避免相位误差导致的结果不准确，采用过零检测技术来进行相位修正。分别对原始信号及反信号进行零点检测，记录两个信号过零点的时间差，在进行数据叠加时进行零点对齐，这样可以减小相位误差引起的结果偏差。

4 实验结果及分析

心率信号采集系统的测试环境，包括测试板、测试电脑及心率信号模拟发生器（型号SKX-2000），其中测试电脑用于结果的显示，心率信号模拟发生器用来产生稳定心电信号，便于实验的可重复性。

4.1 电源高斯噪声测试

4.1.1 测试步骤

（1）将心率信号模拟发生器设置在1mV@60Hz；

（2）利用开关电源进行供电，并记录测试结果；

（3）利用电池进行供电，并记录测试结果。

4.1.2 开关电源和电池测试结果及分析

心率测试系统在电源供电的情况下测试结果如图7 所示，心电信号的电压纹波为1.4 mV；心率测试系统在电池供电的情况下测试结果如图8 所示，心电信号的电压纹波为0.1 mV；可以得到在电池供电的情况下电压纹波明显小于普通电源的测试结果。

图7 电源供电测试波形

图8 电池供电测试波形

电压纹波会对病情判断造成影响，在实际应用中需要降低噪声干扰。在图7 的测试结果中，由于电压纹波小，心电信号R 值（最大值）在不同周期内电压大小比较平稳；而在图8 中的心电信号R 值在不同周期电压大小存在波动，这种波动现象是由电源噪声造成的，所以在实际应用中如果不降低电源噪声就会有误判（如心颤测试）。