C8051F020在心电监护仪数据采集前端的应用

　　心电(Electrocardiogram)信号记录了心脏产生的身体表面的电活动。通过放置在身体特定部位的体表电极,就可以采集到心电信号。心电信号可以用6个连续的字母P、Q、R、S、T、U分别表示6个连续的波峰和波谷[1],如图1所示.

　　心电信号是一种微弱、低频的电压信号,其有用成分幅值在0. 5~5. 0mV,并且混有高达300mV的直流电压;同时应该考虑,由于电极和皮肤接触引起的电压,由于电极和地之间的电位差引起的的高达1. 5V的电压成分。所以心电采集前端电路设计必须将这些因素考虑进去。标准临床应用中,心电信号一般带宽在0. 05~100Hz之间,电压幅值在0. 05~2. 5 mV。心电信号可能被以下各种噪声信号所干扰。这些噪声源主要是:

　　1)电源线干扰: 50~60 Hz的工频干扰和电网产生的谐频;

　　2)电极接触噪声:由于电极和皮肤之间接触的变化产生的基线漂移;

　　3)人体运动:电极和皮肤之间电阻变化产生的基线漂移;

　　4)肌肉收缩:产生的肌电信号会混入心电信号中;

　　5)呼吸引起基线漂移;

　　6)由于其他电子设备产生的电磁干扰;

　　7)由电极线引起的天线效应;

　　8)由于其他电子设备引起的耦合噪声,通常是高频设备。

　　为了得到有用的和准确的心电信号,必须采取滤波或者去除所有这些噪声源等措施。这些措施可以在模拟通道中采用,也可以用数字滤波器的方法。图2显示了单通道心电图的整体实现框图。

　　如图2中所示,心电信号经过仪用放大器的前级放大、隔离放大、低通滤波、高通滤波、陷波、模数转换,最后送入到MPU、MCU或者DSP,通过串行总线送往后端。模拟端采用了各种放大和滤波措施,而MPU、MCU或者DSP主要用来通信,这些具有强大处理能力的处理器没有充分发挥其应有的性能。从总体来说,这个系统的成本、体积以及功耗都不是很理想。

　　作者提出了一种低成本的心电监护仪的实现思路。改进的方法是用低功耗混合信号控制器C8051F020替代了图2中的通用DSP、MCU或者MPU。在硬件上只采用一个仪用放大器AD620作为初级信号放大模块, OP07用作右腿驱动放大器,MAX3223实现与PC机的通信。用软件方法进行工频滤波和基线漂移抑制。这样,从硬件上大大简化了系统设计,如图3所示。

　　2　硬件设计

　　2. 1　C8051F020功能特性概述

　　C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统芯片,具有与8051兼容的微控制器内核,与MCS-51指令集完全兼容[2]。

　　MCU中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列(PCA)、定时器、数字I/O端口、电源监视器、看门狗定时器(WDT)和时钟振荡器等,如图4。所有器件都有内置的FLASH程序存储器和256字节的内部RAM,有些器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM,即XRAM。