一種低噪聲便攜式心電監測儀設計方案

引言

心血管疾病是威脅人類生命健康的主要疾病之一，而心電圖（ECG）信號是診斷心血管疾病的重要依據。設計一款低噪聲、便攜式的心電監測儀，能夠實時監測患者的心電活動，對于疾病的預防和診斷具有重要意義。本文將詳細闡述一種低噪聲便攜式心電監測儀的設計方案，包括主控芯片的選型及其在設計方案中的作用。

一、總體設計方案

1.1 設計目標

設計一款能夠實時、準確地監測并記錄心電信號的低噪聲便攜式心電監測儀，具有以下特點：

• 低噪聲：通過優化的電路設計和濾波技術，減少心電信號中的噪聲干擾。

• 便攜性：設備小巧輕便，便于攜帶和使用。

• 實時監測：能夠連續監測并記錄心電信號，便于后續分析和診斷。

• 高精度：確保心電信號的準確采集和傳輸。

1.2 系統架構

整個系統由心電信號采集模塊、信號處理模塊、數據傳輸模塊和顯示模塊組成。具體架構如下：

• 心電信號采集模塊：通過導聯電極從人體表面采集心電信號。

• 信號處理模塊：對采集到的心電信號進行放大、濾波和降噪處理。

• 數據傳輸模塊：將處理后的心電信號傳輸至計算機或移動設備進行進一步分析。

• 顯示模塊：實時顯示心電波形和關鍵參數。

二、主控芯片選型及作用

2.1 主控芯片選型

在便攜式心電監測儀的設計中，主控芯片的選擇至關重要。考慮到設備的便攜性、低功耗、高性能以及成本等因素，我們選擇了MSP430單片機作為主控芯片。MSP430單片機是TI（德州儀器）公司生產的一種16位超低功耗混合信號處理器，具有以下幾個優點：

• 超低功耗：特別適合電池供電的便攜式設備。

• 高性能：具有強大的處理能力，能夠滿足心電信號實時處理的需求。

• 豐富的外設：集成多種外設接口，便于與其他模塊進行連接和通信。

• 易于開發：擁有豐富的開發資源和開發工具，便于快速開發和調試。

2.2 主控芯片在設計方案中的作用

MSP430單片機在便攜式心電監測儀中主要承擔以下任務：

• 信號采集控制：控制心電信號采集模塊的工作狀態，實現心電信號的實時采集。

• 信號處理：對采集到的心電信號進行初步的數字處理，如濾波、降噪等。

• 數據傳輸：通過串行通信接口（如UART、SPI等）將處理后的心電信號傳輸至計算機或移動設備。

• 顯示控制：控制顯示模塊顯示心電波形和關鍵參數。

• 電源管理：管理設備的電源供應，確保設備在低功耗狀態下運行。

三、詳細設計

3.1 心電信號采集模塊

心電信號采集模塊采用標準的三電極導聯系統，包括右胸上電極、左腹下電極和右腿驅動電極。為了獲得高質量的心電信號，需要選用貼附力強、透氣性好、吸汗、電極導電性能好、極化電壓低的優質電極。同時，為了減小電極與皮膚之間的接觸電阻，可以在電極上涂有優質導電膏。

心電信號經過導聯電極采集后，首先進入前置放大電路進行放大。前置放大電路的設計是關鍵，需要具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、高增益且可調、低功耗和抗干擾能力強的特點。我們選用Analog Device公司的醫用放大器AD620作為前置放大器的核心芯片。AD620是一款低噪聲、高精度儀表放大器，非常適合用于生物醫學信號的放大。

3.2 信號處理模塊

信號處理模塊包括濾波電路和降噪電路。濾波電路采用高通和低通兩級濾波，以消除心電信號中的高頻干擾和低頻噪聲。同時，為了抑制50 Hz工頻干擾，我們設計了50 Hz帶阻濾波器。降噪電路則采用先進的數字信號處理技術，對采集到的心電信號進行進一步處理，以提高信號的信噪比。

在濾波和降噪處理過程中，MSP430單片機通過控制濾波電路和降噪電路的工作狀態，實現心電信號的實時處理。同時，MSP430單片機還負責將處理后的心電信號進行數字化轉換，并存儲到內部存儲器中供后續分析使用。

3.3 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊負責將處理后的心電信號傳輸至計算機或移動設備進行進一步分析。我們采用GPRS通信方式實現數據的無線傳輸。被檢查者將某一時段的動態心電信號由監護儀記錄下來后，通過GPRS通信方式將數據傳送到醫院的心電圖處理診斷系統中。這種方式不僅方便快捷，而且能夠實現遠程監測和診斷。

3.4 顯示模塊

顯示模塊用于實時顯示心電波形和關鍵參數。我們采用液晶顯示屏作為顯示設備，通過MSP430單片機的控制實現心電波形和參數的實時顯示。同時，為了方便用戶操作和使用，我們還設計了簡潔明了的用戶界面和操作流程。

四、電路設計與優化

4.1 電路結構描述

整個電路由前置放大電路、濾波電路、降噪電路、A/D轉換電路、數據傳輸電路和顯示電路組成。其中，前置放大電路是關鍵部分，它直接影響心電信號的采集質量。濾波電路和降噪電路則用于提高信號的信噪比和抗干擾能力。A/D轉換電路負責將模擬信號轉換為數字信號以供后續處理。數據傳輸電路和顯示電路則分別負責數據的傳輸和顯示。

4.2 濾波與降噪優化

為了提高心電信號的信噪比和抗干擾能力，我們采用了多種濾波和降噪技術。在濾波方面，我們采用了高通和低通兩級濾波以及50 Hz帶阻濾波器相結合的方式。在降噪方面，我們則采用了數字信號處理技術對信號進行進一步處理。同時，我們還設計了導聯電極脫落檢測電路以防止運動過程中電極脫落導致的信號中斷或失真。

4.3 電源設計

為了確保設備的低功耗和穩定運行，我們采用了高效的電源管理方案。電源電路包括電池供電電路和穩壓電路兩部分。電池供電電路采用可充電鋰電池作為電源供應設備；穩壓電路則采用低噪聲的LDO穩壓器SP6205進行穩壓處理。SP6205具有低壓差、低靜態電流等特點非常適合用于便攜式設備中。

五、測試與驗證

在完成電路設計后我們進行了詳細的測試和驗證工作。首先我們對電路的各個部分進行了單元測試以確保其正常工作；然后我們進行了整體聯調以測試整個系統的性能。測試結果表明該心電監測儀能夠準確采集并處理心電信號實時顯示心電波形和關鍵參數；同時其低功耗和便攜性也滿足了設計要求。

六、結論與展望

本文設計了一種低噪聲便攜式心電監測儀該設備采用MSP430單片機作為主控芯片通過優化的電路設計和濾波降噪技術實現了對心電信號的準確采集和實時處理。該設備具有低功耗、便攜性高、精度高等優點能夠滿足不同用戶的需求。未來我們將繼續優化電路設計提高設備的性能并開發更多的功能以滿足更廣泛的應用場景。

通過以上詳細的設計方案我們可以看到在便攜式心電監測儀的設計中主控芯片的選型及其在系統中的作用至關重要。MSP430單片機憑借其超低功耗、高性能和豐富的外設接口成為了我們的首選芯片。在未來的設計中我們將繼續探索和應用新技術以提高設備的性能和用戶體驗。