基于TDMI核的MCU ADuC7020的單電源心電檢測系統(tǒng)設(shè)計
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本文給出的設(shè)計采用單電源供電，可以解決上述問題并降低產(chǎn)品成本，同時該設(shè)計還在基于ARM核的嵌入式系統(tǒng)中采用了簡單實用的算法，能快速準(zhǔn)確定位QRS復(fù)波(即計算人的心率)。該設(shè)計面向廣大家庭用戶而設(shè)計，體積較小，只需要一臺個人電腦與之連接，便可實時地操作、觀測心電信號。
心電信號采集系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。人體的心電信號經(jīng)電極和專用導(dǎo)聯(lián)線從人體送至系統(tǒng)。通過濾波和放大調(diào)節(jié)電路，微弱的心電信號被放大到合適的幅值，并處于A/D轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)。
系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)的處理由ADI公司基于ARM7 TDMI核的MCU ADuC7020來完成。這款芯片有豐富的片內(nèi)外圍電路，處理速度高達(dá)40MIPS，A/D轉(zhuǎn)換速度可達(dá)1MSPS，具有很高的性價比。最后將結(jié)果由 ADuC7020通過UART口送至計算機(jī)，由計算機(jī)通過由LabVIEW編寫的界面將結(jié)果直觀地顯示出來或存儲下來。圖2是基本的硬件電路圖。
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| 圖1：心電信號采集系統(tǒng)的基本架構(gòu)。 |
從人體或是心電信號發(fā)生器上采集到的心電信號幅值在0.05～5mV之間(一般為2mV)，頻率在0.05Hz～75Hz之間。心電信號要經(jīng)過緩沖、匹配電阻網(wǎng)絡(luò)、電壓放大和濾波等幾級電路。
心電信號首先經(jīng)過一個兩級的RC低通濾波電路，進(jìn)入緩沖級。信號進(jìn)入系統(tǒng)之前，需要除去高頻分量，因此這里設(shè)計了一個截止頻率為300Hz的低通濾波器，以保證0.05～75Hz的微弱心電信號不會被衰減。緩沖級由電壓跟隨器組成，它可以提高整個放大電路的輸入阻抗，降低輸出阻抗。為保證差分信號的一致性，應(yīng)選用集成在芯片上的放大器。匹配電阻網(wǎng)絡(luò)通常采用威爾遜電中心端網(wǎng)絡(luò)，它通過特定的電阻網(wǎng)絡(luò)獲得威爾遜電中心端作為整個ECG系統(tǒng)的參考點。
濾波放大電路的前級采用負(fù)反饋差分放大電路，這里使用ADI公司可調(diào)增益高共模抑制比的儀表放大器AD8221作為前級放大器。放大倍數(shù)設(shè)為8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1計算得到，其中RG是AD8221兩個RG管腳之間的電阻值。
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| 圖2：基本的硬件電路。 |
這個電阻應(yīng)當(dāng)選用高精度、低溫漂的金屬膜電阻，以保證AD8221的低噪聲性能。AD8221的REF管腳沒有接地，而是和一個低通濾波器構(gòu)成負(fù)反饋回路，以便能有效地濾除直流分量，從而使U1處的電壓始終箝位在1.25V。因為是單電源供電，而不同導(dǎo)聯(lián)的心電信號電壓有正有負(fù)，所以一定要提供一個合適的箝位電壓。ADuC7020的AD轉(zhuǎn)換模式下電壓輸入范圍是0-2.5V，這里就選擇中間值1.25V作為箝位電壓。
AD8221輸出的單端信號幅值非常小，其中還混有大量干擾，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。后級濾波放大電路由一個增益較大的有源低通組成，增益可調(diào)。不同人的心電信號強(qiáng)弱不一樣，考慮到有衰減，一般將該增益設(shè)為150倍。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：
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