基于ARM的十二导同步心电图机设计

摘要：采用ADuC7026微控制器芯片和新的电路设计方法，实现了高性能、低成本、操作简单的微型心电图机。

关键词：心电图机；生物电放大电路；ARM7TDMI

引言

根据世界卫生组织统计，心脏疾病是造成人类死亡的三大疾病之一，而且发病率呈上升趋势。在我国，随着人们的物质生活水平不断提高，生活节奏不断加快，心脏疾病的发病率也在相应增高，社会对心脏疾病的诊断和治疗也比以往更加关注，提出了新的要求。本文研究了一种既具有技术方面的先进性，又造价低廉，适合中国国情的微型12导同步心电图机。该心电图机操作简单，功能强大，可提供标准12导联心电同步监测和快速心电监测，适用于医院常规门诊，也可用于外出急救。

本设计的12导同步心电图机采用ADI公司的ARM7TDMI内核的模拟微控制器ADuC7026作为核心，它具有16通道高达1000ksps采样速率的12位ADC，整合了片内参考电平、温度传感器与4通道12BIT高精度DAC，支持JTAG方式调试与下载，外接32KHz晶振，通过锁相环可工作在45MHz下。片内还集成有62k字节的FLASH与8k字节的SRAM，片上外设资源包含有UART、SPI、双IzC串行接口、4个定时器、看门狗、电源监测模块、3相16位PWM输出和可编程逻辑阵列(PLA)等。心电图机系统框图如图l所示。

在设计时利用模拟微控制器内嵌的ADC对经过前级处理的心电信号进行监测。系统功能在液晶显示的菜单下通过按键选择完成，能够提供友好的人机交互操作提示，使用方便。ADuC7026微处理器可通过UART串口在线刷新系统固件，提供了系统升级的廉价解决方案。

心电图机的模拟电路设计

模拟电路是心电图机中直接与人体连接的电路，主要负责原始信号的调理。在处理过程中要保证原始信号不能失真，由前级模拟电路导致的失真将无法由后级的数字处理方法恢复。并且因为前级模拟电路与人体直接接触，所以在电路中还要加入保护电路防止静电、电除颤对器件的损坏。

放大电路和抗混叠滤波器

针对心电信号常混有基线漂移和50Hz工频干扰的特点，本心电图机设计了图2(图中只画出3路，实际为9路)所示的新型生物电放大滤波电路构成心电信号的放大器滤波电路，该电路可独立获得各导联心电模拟信号，模拟信号经ADC变换后在数字处理部分根据需要合成标准12导联心电信号。该心电放大器滤波电路具有结构简单、跟踪快、共模抑制比高等优点。

心电信号经前级低通滤波处理后可采用较大的放大率。提高放大率的同时，可提高仪表放大器(AD627)的共模抑制比。根据心电信号的特点(幅值0．5~4mV)后级采用100倍放大率，最后再经一阶低通滤波器去除高频噪声。电路整体设计可使共模抑制比达到70dB以上，能明显抑制50Hz工频干扰于基线漂移，并且所有器件均可工作在3．3V电压下，保证了系统的低功耗设计。

为了防止静电、电除颤等外部电击导致电路损坏，可在前级运放的正负输入端并入放电管加以保护。

右腿驱动电路

工频(50Hz)干扰是心电测量中最重要的干扰。仅靠前置放大器的高共模抑制比还不足以抑制工频干扰。右腿驱动电路也是抑制工频干扰的有效方法。本机采用人体共模电平信号(cOM)与ADuC7026 DAC的输出信号通过运算放大器做差动放大，把放大后信号作为右腿驱动信号。该方法不仅可以抑制50Hz工频干扰，还可根据ADuC7026检测到的心电信号适当调整人体电平，便于ADC采样。右腿驱动电路如图3所示。

心电图机的数字电路

数字部分是心电图机的核心，主要包含嵌入式处理小系统、液晶模块与电源。心电图机各功能在ARM7TDMI内核模拟微控制器ADuC7026下控制完成。

ADuC7026小系统设计

ADuC7026作为ARM7TDMI内核处理器的一个实现不但具有丰富的数字资源可提供高达45MIPS的运算速度，还具有良好的模拟接口，极大的简化了心电图机电路设计的工作，为心电信号的实时监控和后期的快速处理提供了保障。心电数据的采集采用ADuC7026自带的多路12位ADC，各通道采样率可达200Hz，可提供波形实时显示与心率计算。后期可提供等多项参数分析，还可打印输出波形及参数报表。ADuC7026采用串行口与外部热敏打印机通讯。

心电数据存储系统采用SRAM与NandFlash结合的方式。ADuC7026提供4个外部存储扩展区，它们分别映射为SRAM、NandFlash、USB控制器与液晶控制器。其中sRAM访问速度快可作为数据的高速缓存，NandFlash具有容量大、数据掉电不丢失的特点可作为心电数据的永久存储。

心电图机采用USB接口与PC机进行数据传输。PC机采用专用软件接收数据，并可进行数据的高级处理及远程传输，以提供心电图机的扩展功能。

液晶显示及控制

为了能提供良好的波形显示与友好的人机界面，本心电图机采用了240X160点阵的液晶显示屏。作为波形显示时，可提供240X128的波形显示窗，保证医生有足够高的精度用于心电特征波形的识别。主机通过液晶控制器S1D13305控制显示屏的输出，为了能兼顾文字与心电波形显示的双重需要，S1D13305设置为两屏混合的显示方式，一屏设为文本方式，另一屏设为图形方式，根据操作的需要进行功能切换。

电源与快速检测的实现

为了实现户外急救快速监测功能，在主放大器输入处设有拨断开关，可把主放大器直接连至心电图机背板上的快速监测输入端，此时心电图机可直接放至病人胸口，实现无需连接导联线直接在线监测。心电图机系统采用3节干电池供电，低功耗设计，外形小巧，便于携带并可在户外长时间使用。

心电图机的软件设计

心电图机软件主要划分为心电信号监测、心电数据打印、心电数据传送、心电信号回放及用户接口五个模块，系统根据用户信息与功能选择参数调用各模块，用UML工具划分数据流图如图4所示，各模块之间通过全局信号进行通讯。系统基于时间触发式模式设计以同时保证系统的可预测性与实时性。软件开发在KEIL IDE下采用GNU编译器完成。

结语

心电图机数据流图

与硬件设计相结合，在软件设计中采用了各种信号处理新成果，包括信号合成、滤波及自动增益调节，心电信号特征值检测等。本机不仅实现了12导心电信号同步采集，还实现了基线校正和增益可调等功能，同时还具有很强的抗干扰能力。微型12导同步心电图机提供了良好的人机接口，使用方便，是医务人员进行常规心电图测量、查房、出诊、身体普查的理想仪器。