基于低功耗MCU的心电信号采集系统

叶敢 李惠浩 王龙辉 杨锐

摘 要：本文针对现状提出并设计一种超低功耗便携式的心电信号采集系统，使用TI模拟前端芯片ADS1292实现两路心电信号的采集、存储，以STC8C2K64为控制核心板，将采集来的信息送至主控单片机通过无线传输模块发至上位机绘制心电图，分析计算心率。设计采用右腿驱动电路和低通滤波及软件IIR滤波抑制干扰措施，提高放大器共模抑制比。通过NRF24L01将数据传输PC上位机显示动态心电图。各个模块功能完整，测量精度误差不大于各自要求其误差不大于2%。

关键词：心电信号，低功耗，滤波，无线传输

1.前言

1.1设计背景

如何设计高精度、便携式及低功耗的心电采集模拟前端电路成为“智慧医疗”发展的重要组成部分之一。因采集个体、采集环境和采集电极的变化，心电信号的幅值將发生改变，所以为了更加有效的采集心电信号，不同结构类型的心电采集电路被广泛的研究与应用。

1.2设计目的及意义

本课题的主要工作是设计出心电信号采集无线传输系统。我们在单片机环境下开发的心电实时检测与分析系统能够对各种心电监护算法做出评估，是一件有重要意义的工作。具体包括以下几个方面的工作：

1、熟悉研究课题所需的STC8C2K64单片机和无线通信协议，了解WIFI通讯流程以及通讯指令、事件和数据分组格式。

2、基于IIR滤波，过滤掉采样中的干扰信号。

3、提出了一种新的心电信号采集装置。

4、最后在PC平台上，实现了对心电信号的实时采集、无线传输和数据保存的功能。

本文的创新点：提出了一种心电信号放滤波;实现了心电信号的实时采集，无线传输至PC平台上。

2.总体方案设计

2.1总方案提出与论证

2.1.1总方案

本系统可实现实时采集心电信息。使用ADS1292作为采集心电模块主要芯片，通过IIR滤波滤去多余信号。通过单片机控制各个模块，采集分析数据绘制并计算得出心率。通过NRF24L01无线传输通信传送运动节点数据到上位机实时显示心电图等信息。

2.1.2滤波方案

方案一：通过二阶的50Hz双T陷波器对人体内产生的50Hz的天线噪声和电源供电引入的工频干扰进行滤波。

方案二：使用数字滤波器同样对人体噪声和工频干扰进行滤波，在matlab做出IIR四阶滤波器对心电数据进行滤波。

对比以上两种方案通过陷波器后仍有较大工频干扰，且陷波器自带噪声也夹杂在所需ECG信号中。而数字滤波设计更方便，可及时纠错从而成本降低，效率更高。

2.2方案论证选择

分析可知，低功耗MCU心电采集系统主要包括前置输入回路模块放大模块、滤波网络模块、无线传输模块等模块。设计重点在于选择满足功能实现的低功耗MCU，前端模拟放大模块和滤波网络模块。方案论证主要围绕滤波部分展开。

2.2.1滤波方案

工频干扰：工频干扰是由电力系统引起的一种干扰，由50hz及其谐波构成的一种干扰，幅值约为ECG（心电信号）的50%。

基线漂移：呼吸作用引起的，源于被测对象在测试过程中呼吸时电机与人体皮肤间的阻抗仪器放大的热噪声等干扰引起的，频率约为0.15-0.3hz。呼吸作用时ECG幅值有15%的变化。

肌电干扰：来源于人体的肌肉颤抖，肌电干扰产生毫伏级电势，可视为瞬间发生的高斯零均值带限噪声。

工频干扰可以用先波器进行处理，过滤50hz信号，而基线漂移则通过高通滤波器消除0.5hz以下的频率。常用固定频率的设计有IIR滤波器和FIR滤波器两种，其中FIR滤波器具有良好的线性相位。

但是在同等性能条件下阶数比IIR滤波器高，运算量大。故本设计的工频陷波和高通滤波均采用IIR滤波器来设计IIR滤波器的设计方法有脉冲响应不变法和双线性变换法，但过程比较复杂，借助Matlab的fdatool工具包可以直接生成相关参数。再通过直接II型翻译成c语言形式应用于STC8C平台

导出滤波系数得到转移函数：

再根据滤波器直接II型实现框图，翻译成c语言代码并烧录到主控芯片中运行

参考文献

[1]郑忠楷，蒋学程，罗志灶.基于QT的串口通信程序设计[J].电子技术与软件工程，2019（24）：236-238.

[2] 岳蜀华， 王美涵， 郭飞， 等. 可穿戴式无线心电监测仪的研究现状[J]. 生物医学工程与临床， 2006（4）： 262-266.

[3] 康薇. 基于无线蓝牙心电监护系统方案设计[J]. 建筑工程技术与设计， 2017（7）： 2182.

作者简介：

叶敢（2001-）汉族 四川成都，本科，研究方向：电气工程及其自动化

李惠浩（2001-）汉族 河南平顶山，本科，研究方向：电气工程及其自动化

王龙辉（2000-）汉族 四川简阳，本科，研究方向：电气工程及其自动化

杨锐（2001-）汉族 四川遂宁，本科，研究方向：电气工程及其自动化