便攜式心電信號測量儀的研制

【摘　要】利用單片機MCS－8098和液晶顯示模塊TM12864A設計一個實用電路，采集心電信號并儲存后，分多屏幕顯示（并可重新顯示）。實現了測量儀器的低功耗化和微型化。
　　關鍵詞：單片機　液晶顯示器　心電信號　數字式測量儀器
　　
1　引　言
　　早期，心電信號先記錄在感光膠片上，經沖洗、顯影等步驟才可以看到。后來，把心電信號描繪在一種特制的紙——心電圖紙上。這兩種心電信號記錄法，其相應的描記設備體積龐大，功耗也大，且控制機構復雜。隨著微電子技術的飛速發(fā)展，現代的測量儀器、儀表都向智能化、微型化、低功耗化方向發(fā)展。對此，本文設計了一個單片機控制系統(tǒng)，用液晶顯示器（LCD）來顯示心電信號，并且可實現一次采集后，多次重復顯示，實現了心電信號記錄設備的智能化、微型化、低功耗化。
2　硬件選型及設計
　　單片機以其優(yōu)異的性價比，在我國已得到了普遍的應用。在選取單片機芯片時，考慮了下面兩個因素：電路系統(tǒng)需A／D轉換電路；為了顯示采集到的心電信號，要求系統(tǒng)有高速的數據處理能力。
　　MCS－51系列單片機除80C51GA有不帶采樣－保持的8位ADC外，其它型號的都沒有ADC；而MCS－8098則內含帶采樣－保持功能的四路模擬輸入10位ADC，且運算速度快，數據處理能力強。因此，本系統(tǒng)采用MCS－8098芯片。
　　MCS－8098的ADC采用逐次比較方式來完成模擬／數字信號的轉換。當ADC被啟動后，需88個狀態(tài)周期（若時鐘頻率為12 MHz，則需22μs）才能得到轉換結果，即轉換時間tA／D為88個狀態(tài)周期，而采樣時間tS為4個狀態(tài)周期，所以8098模擬輸入通道輸入信號的最高頻率為：〔1〕
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
為保證信號恢復時的不失真，取N＝6～8，則
　　　　　　　　　　　　　
8098模擬輸入端的外部接口電路的好壞直接影響ADC的性能。模入端的等效電路如圖1所示，V為外加信號源，R源為信號源內阻，外部輸入信號必須通過電阻R才能對采樣電容CS充電，輸入端的泄漏電流為I漏，CS≈2pF，R≈5kΩ，I漏≤3μA〔2〕。當外加信號阻抗為1kΩ或更小時，若直流漏電流一定，那么輸入電壓的誤差大約為±0．6LSB（1kΩ×3μA＝3mV）（設8098中ADC的Vref＝5V）；當R漏增加到2kΩ以上時，由于3μA的漏電流引起的外部誤差至少為1LSB（5mV）；此外，若R源大于15kΩ，將大大降低ADC的精度。為此，要求接入8098模入端的信號源的內阻應足夠?。?a href="http://srfitnesspt.com/tags/rs/" target="_blank">Rs漏＜2kΩ）。
　　　　　　　　　　　　　
　　為降低ADC對噪聲的靈敏度，在模入端加接一個外部電容（漏電流應?。?，并在電容之前串接一個小電阻。外接電容和外加信號源內阻R源一起構成一個低通濾波器。串接的小電阻的作用是限制過壓狀態(tài)下的輸入電流。設R源＝1kΩ，低通濾波器的截止頻率f0為100Hz，則由

得C≈1．6μF。
　　綜上所述，采用的具體接口電路如圖2所示。其中，二極管D1、D2的作用是限制過壓狀態(tài)下的輸入電流。如圖2所示，可將輸入電流限制在0．7／270Ω≈2．6mA以下。
　　　　　　　　　　　　　
　　LCD有段式和點陣式兩種。點陣式LCD又可分為字符點陣和圖形點陣。由于本文在LCD上要顯示的是圖形信息，故采用圖形點陣LCD—TM12864A。TM12864A把LCD、LCD控制器HD61202、LCD驅動器HD61203制作在一塊印制電路板上，構成一個LCD模塊，其LCD為128×64點陣。從印制電路板上引出信號線，以便和微控制器相連。每片HD61202帶有512字節(jié)的顯示RAM，RAM內的數據與顯示屏上的像素相對應。TM12864A采用兩片HD61202分別控制左右半屏的顯示。TM12864A可直接同微控制器連接，HD61202通過數據總線來接收微控制器的指令和數據，共有指令口和數據口兩個通道用來接收微控制器發(fā)送的指令碼以及與微控制器進行數據交換；它的片選信號線（CS1、CS2、）、口選信號線（D／I）、讀寫信號線（R／W），直接受微控制器控制。TM12864A內部不帶字符發(fā)生器，所以只適用于圖形工作方式。TM12864A的內部框圖、工作特性及指令說明，見參考文獻〔3〕。
　　完整的硬件電路原理圖如圖3所示。
　　　　　　　　
　　　　　　　　
3　軟件設計
　　心電信號屬于低頻信號（其有效頻譜為50Hz以下）〔4〕，典型心電圖如圖4所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　其中QRS波群的時間短，波的幅值變化大（成人0．06～0．1秒；兒童0．04～0．08秒）〔5〕，這就決定采樣頻率不能太低。另外，液晶顯示屏（128×64點陣）中用124列來顯示心電信號（其余4列用來顯示縱坐標軸），為了在一屏上得到一個完整的心電信號，采樣頻率又不能太高（一個采樣數據對應顯示屏上一點，一屏可顯示124個采樣數據）。綜合上述兩方面因素，確定采樣頻率為200次／秒。這樣，采樣間隔為0．005秒，一屏可顯示0．005×124＝0．62秒。一個人的心率若按75次／分計，則其心電周期為60／75＝0．80秒。
　　系統(tǒng)采用16kRAM來存貯采集到的數據，則能存貯的時間長度為：
　　　　　　　　　　　　　　　
存貯的采樣點數為：
　　　　　　　　　　　　　　　
　　系統(tǒng)采用HSO命令來啟動A／D轉換，利用A／D中斷來讀入轉換結果并重復啟動A／D轉換，直
到采集時間（40．96秒）到為止。　
? 　限于篇幅，這里不再提供系統(tǒng)流程圖。
4 結束語
　　采用本文所述的方法，液晶顯示屏縱軸（幅值軸）分辨能力可達5／40＝0．125V（按輸入8098模入通道的最大模擬量為5V，液晶顯示屏用0～40行來顯示ECG信息）。橫軸（時間軸）的分辨能力可達0．005秒。由于本系統(tǒng)采樣頻率最高可達7．2kHz，所以也可用于對一般的低頻信號進行采集、貯存和顯示。如能改進軟件編程算法，或提高單片機運算速度，來實現實時顯示采集到的心電信號，則將進一步提高系統(tǒng)的實用性。

1　何立民主編．單片機應用技術選編（二）．北京：北京航空航天大學出版社，1994
2　趙依軍等編．8098單片機原理及系統(tǒng)設計技術．武漢：華中理工大學出版社，1990
3　深圳天馬微電子公司．How To Use LCD DOT MAX－TRIX MODULE．1995
4　宗賢鈞編著．現代生物醫(yī)學儀器．原子能出版社，1985　　
5　洛陽衛(wèi)生學校．臨床心電圖手冊．1974