设计的便携式心电图仪，以SC2440A为控制芯片，以连接右腿的信号驱动与放大、导联屏蔽、带通滤波等构成心电信号采集电路，有效地从噪声背景中分离出完整的心电信号。系统便携、低功耗、大存储，心电图成像正确。
关键词：心电图仪;便携式;SC2440A
0 引言
在心脏的各心动周期，从发生起搏至心房与心室的陆续兴奋均对应着人体生理电信号的改变，这种生理电信号被专门的电子仪器记录下后，以时间为参变量绘成图形就被称为心电图。心电图反映了心脏兴奋的产生、扩散以及恢复过程的生理指标，是心脏病预防和诊断的重要手段。心电信号是一种低频、微弱（10？V～4mV）的电信号，之所以微弱不仅是其本身的电位较低，还因为它常受到被测者的身体状况和环境电场的干扰，以及采集装置和操作方法等因素的影响。因此，心电信号很容易被湮没在噪声之中，增大了对心电信号检测的难度。
1 系统设计原理
系统设计要考虑便携与数据处理能力，便携要求体积、能耗、穿戴都要能够适应正常人的工作与生活，而不给被测者带来额外的负担;数据处理要求控制核心能够具有一定的数学运算能力。因此控制芯片选用S3C2440。检测系统的性能指标[1]设计为：
（1）共模抑制比要大于80dB;（2）信号的放大倍数控制在400～1000;（3）滤波器带宽设计为0.05Hz～100Hz;（4）检测系统的工频干扰的幅值最高不得高于心电信号的6%;（5）与标准导联心电图仪所测得的心电信号误差不高于6%。系统工作原理如图1所示，由前置缓冲级完成提高输入阻抗和削弱工频干扰的工作;再经前置放大级对信号进行放大和削弱共模干扰;从前置放大级引出的共模信号接入导联屏蔽层及右腿驱动电路;同时将前置放大级的输出信号送至中间放大级，再送入带通滤波器。最后经电平抬升电路将心电信号电压升至0～3.3V之间，再送到S3C2440片内经A/D转换送存贮和显示。
2 信号采集电路设计
2.1 前置缓冲级与前置放大级
由于人体是高阻抗信源，对于输入信号而言，如果输入阻抗不够高，放大器的输入信号就非常弱，导致放大器的输入增益不足，信号损失较大。只有增大放大器的输入阻抗，才能使信号被不失真地方大。因此设计输入缓冲级来提高输入阻抗，两片低噪声单运放OP07连接为射随器，且对地对称，输出接到前置放大级，对信号进行初步放大。前置缓冲电路如图2左半部分所示。
前置放大级是整个信号放大的关键环节，且需要抑制共模干扰，因此采用低功耗超精密仪表放大器INA118P。虽然较高放大倍数有利于降低噪声并且发挥共模抑制能力，但考虑到极化电势的影响，增益不益过大。为了防止截止或饱和，设置增益为10倍。电路如图2右半部分所示。由R3、R4串联调节方大增益，并从R3、R4中间检测出共模电压，用于下一级导联屏蔽驱动和右腿驱动。
2.2 导联屏蔽驱动及右腿驱动电路
从前置放大级输出的共模电压，经射随器输入给导联屏蔽。导联屏蔽的作用是为了消除导联线与屏蔽层的分布电容，减少工频干扰[2]。心电电极和电力线之间的电容耦合产生的位移电流的大部分会经人体入地，所形成的共模电压对微弱的心电信号检测影响很大，因此，右腿接辅助运放的输出端，而不接地。从R3和R4之间检出共模电压，经过辅助反相运放放大后通过R10反馈到右腿。只要运放U5的开环增益足够大，即使有较大的位移电流流入人体，人体的电位基本可以保持在零电位[3]。电路如图3所示。
2.3 中间放大级
由中间放大级使用运放OP07对信号幅度做进一步方大，获得稳定的信号波形。由精密电位器R6调节放大倍数，使输出信号幅值在100～500mV左右，电路如图4所示。
2.4 滤波电路
在前置放大和中间放大的过程中，信号中的高、低频噪声也被同时放大，因此，带通滤波网络的作用就是保证心电信号完整地通过并尽可能多地滤除噪声，提高输出信噪比。心电信号的频率范围通常在0.05～100Hz内，且存在大量的直流成分，90%的频谱能量集中0.25～35Hz之间。根据美国心电学会确定的标准，滤波器的截止频率不得小于0.25～40Hz。
2.5 电平抬升及末级放大电路
控制芯片S3C2440的内部A/D模拟量输入范围为0～3.3V，但放大器为±5V供电，因此需要将信号动态范围调整到0V以上。电路如图4所示，由LM358构成同向加法器，通过调节输出端反馈电阻的比值调整电路的放大倍数。通过精密电位计R16调节输出波形的位置，通过R17调整放大倍数，使输出波形达到2V左右[4]。
3 软件开发与调试
软件环境选择了Real View MDK4.20版本，它融合了Vision集成开发环境与Real View编译器，支持ARM7/ARM9/Cortex-M3内核的大部分处理器。调试选择J-Link仿真调试器，它配合IAR EWAR/ADS/KEIL/WINARM/Real View等集成开发环境，支持ARM7/ARM9/ARM11内核芯片的仿真。由于软件编写因不同人对功能的安排具有较大的个性化成分。
4 结论
通过大量测量和观察不同人的心电波形，心电信号受到的干扰较小，各转折点清晰。与医院标准12导联心电图机检测得的心电图对比，证明本系统心电图有效。
参考文献：
[1] 孙宇舸;叶柠;于艳波.基于右腿驱动技术的脑电信号放大器的设计[J].东北大学学报（自然科学版）.2010（06）.
[2] 王硕;汪丰;周平.便携式无线十二导心电图仪的设计[J].中国医疗设备.2011（02）.
[3] 王波.心电图仪电路设计及仿真[J].科技创新导报.2012（13）.
[4] 谢建华;刘海波;刘瑞芳.基于ARM Cortex-M3的动态心电图机设计[J].吉林大学学报（信息科学版）.2012（03）.
