多功能心电信号数据采样的研究

【摘要】目的：对多功能心电信号发生器产生出来的数据进行研究；方法：在研究过程中，先介绍用到工具Matlab进行了一定的介绍，再详细阐述了利用Matlab对其产生信号数据的采样，最后对各种波形信号采样数据一一列出来；结果：经过软件调试的结果完全达到要求；结论：为将来设计的多功能心电信号发生器程序部分有所使用。

【关键词】心电信号；Matlab；数据采样

Abstract：Objective：research the data generated from Multi-function ECG signal generator.Methods：During the research，first of all，introduced Matlab used in the research，and then detail the data sampling used Matlab.Finally，the various signals of the sample data were listed.Results：results fully meet the requirements after software debugging.Conclusion：the program can be used in the future design of Multi-function ECG signal generator.

Keywords：ECG；Matlab；data sampling

1.Matlab简介

MATLAB是美国的公司研发的一款商业数学软件，应用领域主要在算法的研究、数据的直观可视化、数据的分析以及数值的计算，其组成包括MATLAB和Simulink两个大的部分[1]。MATLAB能够进行矩阵的计算、制作函数计算数据、仿真算法、生成交互界面、能和其它编程语言综合等，其主要应用领域在工程计算控制、信号的处理、图像的压缩、信号的检测、金融建模的设计和分析。MATLAB由一系列工具组成。使用此类工具的用户能够方便的调用MATLAB中的函数，这些工具中多数是用户交互界面，该界面变得越来越精间，更加接近人们的使用习惯，使其便于操作与利用。现如今最新升级的软件让用户使用起来更加的便捷，而且还增加了许多的新任务新功能，使得软件的功能更为强大。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统，程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错误及进行出错原因分析[2]。

2.波形数据采样

多功能医学心电信号发生器要求输出心电图信号、正弦波、三角波、方波信号等，从系统设计原理中我们了解到，要想输出这些波形信号，就要对它们进行波形采样，在此，我们利用MATLAB对其进行抽样。

2.1 心电图信号采样数据

心电图指的是心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着心电图生物电的变化[3]，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。图1为正常的心电图信号波形，它是由一系列的心动周期组成的。一个心动周期包括P波、QRS波群、T波及U波。心电图仪和心电监视仪是临床广泛使用的仪器，而本模拟心电图发生器可有效地应用于他们的检修，调整和保证它们的高效和正常使用，因而有很大的实用意义[4]。

图1 心电图信号

图2 心电图信号数据

为了输出心电图信号，我们利用Matlab对上述信号采样后得到了一组数据如图2所示。

借助于输出其它波形同样的原理，利用这些数据来控制PWM信号的占空比，让其占空比按照心电图信号的幅度值大小，来变化，采样幅度值大，PWM信号的占空比就大，采样幅度值小，占空比就小，最后将调制后的PWM信号通过二阶的RC低通滤波器后，就能输出心电图信号。

2.2 正弦波数据采样

正弦波是频率成分最为单一的一种信号，根据采样定理：当采样频率fS大于信号中最高频率fmax的2倍时（fS>=2fmax），采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。在本设计中，对正弦信号进行了采样，其一个周期里的波形如图3所示，采样频率fS使用18KHz，由抽样原理可知，在一个正弦周期中能抽得256个样点，采样后的波形如图4所示。

图3 正弦波采样前波形

图4 正弦波采样后波形

图5 正弦波信号数据

导出的256个抽样数据如图5所示。

利用这些数据来控制PWM信号占空比的变化，然后将调制过的PWM信号通过一个二阶的RC低通滤波器，就能恢复出如上图所示的正弦波形。

2.3 三角波数据采样

三角波也是应用很广泛的波形，在本设计中我们对如图6的三角波进行了采样，采样频率fS使用18KHz，由抽样原理可知，在一个三角周期中能抽得256个样点，采样后的波形如图7所示。

图6 三角波采样前波形

图7 三角波采样后波形

通过Matlab导出了采样点数据如图8所示：

图8 三角波信号数据

利用和输出正弦信号同样的原理，将这些数据存入一组数组中，来控制PWM信号的占空比变化，最后将被调制过的PWM信号通过二阶的RC低通滤波器，就能输出信号完整的三角波。

2.4 方波信号

方波在我们日常应用中也是一种常见的波形。标准的方波的取值只有“高”和“低”。在本设计中，利用PWM信号，直接输出占空比为1/2的对称方波，无需对方波信号进行抽样，因此，实现简洁、稳定。

3.小结

本章首先对设计中用到的工具Matlab进行了一定的介绍，然后详细阐述了利用Matlab对心电图信号、正弦波、三角波、方波的采样，并将信号的采样数据一一列出，这些数据将被后面的程序设计所使用。

参考文献

[1]http：///view/10598.htm，Matlab的简介.

[2]周开利.MATLAB基础及其应用教程[M].2007：1-4.

[3]http：///view/20611.htm，心电图的产生原理.

[4]衷云来.单片机模拟心电图发生器的制作[J].上海生物医学工杂志，2001，20.

作者简介：黄育雁（1982―），男，硕士，实验师，主要研究方向：嵌入式系统。