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摘要：心电信号是一种生物电信号，它是心脏的电活动在体表综合的体现，因为心电信号从不同层次上反映了体内心脏工作的状态，所以在心脏疾病的诊断和治疗中具有特别重大的参考意义。本文介绍了一种基于DSP的心电信号检测系统。该系统在设计数字系统的时候主要是采用具有一定复杂性的可编程的逻辑器件。采用这种系统存在较多优势，经济便宜，且测量的精度高，功耗要求低，符合医疗仪器设计的相关要求。
关键词：心电信号 可编程逻辑器件 数字信号处理器
中图分类号：TH77 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（c）-0139-01
心电信号能被放置于体表的电极通过一定的联接方式检测出来，心电信号的检测是心脏疾病临床诊断的关键。随着家庭保健意识的增强，心电检测仪器逐渐开始进入普通家庭。DSP技术的发展，也为心电检测仪器的便携化与小型化提供了技术保证。本文对基于DSP芯片的心电信号检测系统进行了介绍。
1 人体心电信号的产生机理
心电综合反映了众多的心肌细胞的心电活动，心肌细胞受到刺激的过程导致了心电的产生。当一端心肌细胞的细胞膜受到刺激，它对钠、钾等离子的通透性改变，导致膜内外产生离子流动，并使心肌细胞复极化与除极化，这个过程中和尚处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电偶，这个变化过程可以被放置于体表的电极检测出来，这就是心电信号的生成机制。
2 基于DSP的心电信号检测系统
2.1 系统整体结构
基于DSP的心电信号检测系统包括信号模拟与数字这两部分，图1为该系统的总体设计框图。心电信号检测系统电路包括前端放大电路与右腿驱动电路、滤波电路、电平抬高电路与主放大电路等。心电信号检测系统电路包括电源管理模块、模数转换模块、存储器模块电路、TMS320VC5509处理器模块电路、液晶显示接口电路、键盘模块等。其处理过程如图1所示：首先利用传感器来将心电信号获取，然后处理信号，包括滤波处理以及模拟放大。再通过DSP进行模数转换，将心电的数字信号进行处理得到平滑准确的心电信号数据， 最后将经过滤波的心电信号与计算机实时通信。本系统由复杂可编程逻辑器件作为外部控制电路， 控制LCD与多通道异步串行通信。
2.2 模拟部分
前置放大器在经过电极收集的心电信号时，会将其初步进行放大，一般放大十倍左右，当干扰信号被抑制，再送往低通滤波器中，将0.05～100Hz之外的一些干扰信号滤除掉。而主放大器则可以将心电信号的电压放大到约一百倍的范围。
2.2.1 前置放大
前置放大作为最关键的一步， 直接影响整个系统数据采集是否成功。前置放大器要求具有高共模抑制比、低漂移、高输入阻抗、低噪声等性能，通常采用差模输入设计。
2.2.2 主放大电路以及带通滤波
心电信号的频率在0.05～100 Hz范围内，可采用LM324的2个运放设计成低通滤波电路与二阶有源高通组合成带通滤波。模数转换的输入要求为0～3.3V，而心电信号的幅度大概在0～5mV之间，这就需要把心电信号放大一千倍左右，由于前置放大了十倍，从理论计算，主运放将信号应放大一百倍。
2.3 数字部分
数字部分主要任务是对心电模拟信号进行模数转换以及信号处理，然后与计算机进行通信，完成其存储和显示。
2.3.1 模数转换
该系统使用的TMS320VC5509模数转换器是十位连续逼近型模数转换器，用户通过其内部可编程分频器设置不同参数以产生不同的采样率，该ADC在模拟输入中采用的是十位的采样位宽，同时具有四路的输入，其心电信号的频率在0.05～100Hz范围内，它能够满足采样的要求，因此，得到的心电信号也很准确。
2.3.2 设计复杂可编程逻辑器件控制电路
本系统对LCD及多通道的异步串行通信系统控制是和DSP一起实现的。该系统通过功能强大的复杂可编程逻辑器件扩展了异步串行通信口，使DSP能与多台主机进行实时通讯。复杂可编程逻辑器件通过地址译码，选择通信端口与串行通信功能，以特定的比特率同计算机进行通信。
3 软件部分
软件部分采取的是模块化编程方式， 主程序的主要功能是对各个子程序进行组织、调用、协调工作。子程序包括模数转换模块子程序、数字信号处理程序、系统初始化程序、LCD显示程序、计算机应用程序、键盘扫描程序等。系统充分利用了MATLAB的仿真功能，针对实验数据进行仿真。
4 测试结果和分析
利用DSP开发软件，对比了数字滤波前后的心电信号仿真图，通过对比我们发现， 虽然原始心电信号经过了滤波设计， 但是受到噪声的影响导致效果仍然比较差。由于设备的电气特性以及电磁兼容等方面的原因，并因为模拟部分并没有对50Hz工频干扰进行滤波，在经过模数转换采样后的心电图可识别性依然比较差，导致心电信号的主要波形受到影响。经过多阶带通滤波后，可以得到十分平滑的心电图像，能够基本上消除掉信号中的一些毛刺，也消除了50Hz工频的干扰。经调试，本检测系统成功过滤掉了各种干扰与噪声，使心电图放大了一千倍，得到的心电图形完全符合医学要求，并且在上位机显示了一个健康的心电信号。
5 结语
目前，家庭保健是当前社会发展的一大趋势和热点。基于DSP的心电信号检测系统的设计也为心电检测仪器的便携化与小型化提供了技术保证，并提高了其经济性，相信心电信号检测设备不久之后也将进入普通家庭。
参考文献
[1] 高秉新.心电向量图图谱[M].北京：北京医科大学中国协和医科大学联合社，1995.
关键词：心电信号 可编程逻辑器件 数字信号处理器
中图分类号：TH77 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）09（c）-0139-01
心电信号能被放置于体表的电极通过一定的联接方式检测出来，心电信号的检测是心脏疾病临床诊断的关键。随着家庭保健意识的增强，心电检测仪器逐渐开始进入普通家庭。DSP技术的发展，也为心电检测仪器的便携化与小型化提供了技术保证。本文对基于DSP芯片的心电信号检测系统进行了介绍。
1 人体心电信号的产生机理
心电综合反映了众多的心肌细胞的心电活动，心肌细胞受到刺激的过程导致了心电的产生。当一端心肌细胞的细胞膜受到刺激，它对钠、钾等离子的通透性改变，导致膜内外产生离子流动，并使心肌细胞复极化与除极化，这个过程中和尚处于静止状态的邻近细胞膜构成一对电偶，这个变化过程可以被放置于体表的电极检测出来，这就是心电信号的生成机制。
2 基于DSP的心电信号检测系统
2.1 系统整体结构
基于DSP的心电信号检测系统包括信号模拟与数字这两部分，图1为该系统的总体设计框图。心电信号检测系统电路包括前端放大电路与右腿驱动电路、滤波电路、电平抬高电路与主放大电路等。心电信号检测系统电路包括电源管理模块、模数转换模块、存储器模块电路、TMS320VC5509处理器模块电路、液晶显示接口电路、键盘模块等。其处理过程如图1所示：首先利用传感器来将心电信号获取，然后处理信号，包括滤波处理以及模拟放大。再通过DSP进行模数转换，将心电的数字信号进行处理得到平滑准确的心电信号数据， 最后将经过滤波的心电信号与计算机实时通信。本系统由复杂可编程逻辑器件作为外部控制电路， 控制LCD与多通道异步串行通信。
2.2 模拟部分
前置放大器在经过电极收集的心电信号时，会将其初步进行放大，一般放大十倍左右，当干扰信号被抑制，再送往低通滤波器中，将0.05～100Hz之外的一些干扰信号滤除掉。而主放大器则可以将心电信号的电压放大到约一百倍的范围。
2.2.1 前置放大
前置放大作为最关键的一步， 直接影响整个系统数据采集是否成功。前置放大器要求具有高共模抑制比、低漂移、高输入阻抗、低噪声等性能，通常采用差模输入设计。
2.2.2 主放大电路以及带通滤波
心电信号的频率在0.05～100 Hz范围内，可采用LM324的2个运放设计成低通滤波电路与二阶有源高通组合成带通滤波。模数转换的输入要求为0～3.3V，而心电信号的幅度大概在0～5mV之间，这就需要把心电信号放大一千倍左右，由于前置放大了十倍，从理论计算，主运放将信号应放大一百倍。
2.3 数字部分
数字部分主要任务是对心电模拟信号进行模数转换以及信号处理，然后与计算机进行通信，完成其存储和显示。
2.3.1 模数转换
该系统使用的TMS320VC5509模数转换器是十位连续逼近型模数转换器，用户通过其内部可编程分频器设置不同参数以产生不同的采样率，该ADC在模拟输入中采用的是十位的采样位宽，同时具有四路的输入，其心电信号的频率在0.05～100Hz范围内，它能够满足采样的要求，因此，得到的心电信号也很准确。
2.3.2 设计复杂可编程逻辑器件控制电路
本系统对LCD及多通道的异步串行通信系统控制是和DSP一起实现的。该系统通过功能强大的复杂可编程逻辑器件扩展了异步串行通信口，使DSP能与多台主机进行实时通讯。复杂可编程逻辑器件通过地址译码，选择通信端口与串行通信功能，以特定的比特率同计算机进行通信。
3 软件部分
软件部分采取的是模块化编程方式， 主程序的主要功能是对各个子程序进行组织、调用、协调工作。子程序包括模数转换模块子程序、数字信号处理程序、系统初始化程序、LCD显示程序、计算机应用程序、键盘扫描程序等。系统充分利用了MATLAB的仿真功能，针对实验数据进行仿真。
4 测试结果和分析
利用DSP开发软件，对比了数字滤波前后的心电信号仿真图，通过对比我们发现， 虽然原始心电信号经过了滤波设计， 但是受到噪声的影响导致效果仍然比较差。由于设备的电气特性以及电磁兼容等方面的原因，并因为模拟部分并没有对50Hz工频干扰进行滤波，在经过模数转换采样后的心电图可识别性依然比较差，导致心电信号的主要波形受到影响。经过多阶带通滤波后，可以得到十分平滑的心电图像，能够基本上消除掉信号中的一些毛刺，也消除了50Hz工频的干扰。经调试，本检测系统成功过滤掉了各种干扰与噪声，使心电图放大了一千倍，得到的心电图形完全符合医学要求，并且在上位机显示了一个健康的心电信号。
5 结语
目前，家庭保健是当前社会发展的一大趋势和热点。基于DSP的心电信号检测系统的设计也为心电检测仪器的便携化与小型化提供了技术保证，并提高了其经济性，相信心电信号检测设备不久之后也将进入普通家庭。
参考文献
[1] 高秉新.心电向量图图谱[M].北京：北京医科大学中国协和医科大学联合社，1995.