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基于USB接口的心电信号数据采集系统

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:介绍了基于USB接口的心电信号数据采集系统,给出了该系统的硬件组成原理及软件设计方法。由于该系统使用了高性能的USB专用芯片CY7C64613,因而具有使用方便、即插即用等特点。与笔记本电脑相连即可构成移动式心电信号检测分析仪器,具有较高的实用推广价值。
  关键词:USB;心电;数据采集
  
  1引言
  
  心电信号是最广泛的临床检查项目之一。心电信号数据采集系统是心电信号检查的关键部件,它能在较强的噪声背景下,通过电极将0.05~100Hz的微弱心电信号检测出来,然后经放大、A/D转换后送入计算机进行处理。计算机的使用使得该系统在信号分析、储存、打印等方面比传统的心电图机具有明显的优势。但采集系统与计算机的通讯接口都存在插卡插拔麻烦,安全性差,且扩展槽数目有限等不足。为此本文提出的基于USB接口的心电信号数据采集系统使用了目前最为先进的USB接口技术,能够支持即插即用和热插拔功能。这是其它非USB接口无法比拟的。同时也可以与笔记本电脑相连以构成移动式心电检测分析仪。
  
  2系统的硬件组成
  
  2.1系统组成
  
  图1所示为基于USB接口的心电信号数据采集系统的组成框图。图中电极传感器检测到的心电信号经输入保护电路进行电压限幅、高频滤波后,再进行前置放大,然后经光电隔离后,再次进行电压放大,最后经干扰抑制电路消除干扰后,在多路模拟开关的控制下将其中某一路信号接入A/D。CY7C64613是带智能USB接口的单片机,通过它可以把A/D转接后的数字信号经USB接口传输到计算机。
  
  下面就数据采集系统的抗干扰措施、信号放大及USB通信等问题进行重点论述。
  
  2.2系统抗干扰
  
  作为医疗器械的心电信号数据采集系统,由于其检测对象是低频、微弱的心电信号,干扰较大,因此系统的抗干扰能力及安全可靠性至关重要。针对这种情况,本系统采取了多方面措施。图2所示为输入保护电路和高频滤波电路。其中输入保护电路是在每个电极和地之间加入两个并联的硅二极管以进行电压限幅,从而限制输入电压不超过±600mv,确保病人和仪器的安全。高频滤波电路用于阻止高频干扰信号进入数据采集系统。本设计使用以FX101芯片为核心的低通滤波器。滤波截止频率为:
  
  fc=1/[2p(R1R2C1C2)1/2]
  
  使用光电隔离电路和干扰抑制电路可进一步提高抗干扰能力。干扰抑制电路包括50Hz干扰抑制电路和肌电干扰抑制电路。前者用来滤掉50Hz工频干扰(这是心电信号的主要干扰源),它是一个无源RC双T网络。后者用来抑制电极与皮肤接触时引进的肌电信号,它是一个高载RC滤波器。
  
  此外,还可采用软件滤波的方法。可通过在软件中设置50Hz干扰滤波和漂移滤波等程序来进一步提高系统的抗干扰能力。
  
  2.3放大电路
  
  放大电路也是设计重点之一。一般情况下,心电信号必须进行放大才能送往计算机进行处理。由于极化电压的影响,放大器的增益不能太高,因而本系统采用了前置放大电路和电压放大电路两级放大的方法。对前置放大电路的要求是:输入阻抗高、失调温漂小、共模抑制比高、输入噪声小。为此笔者选用了INA121芯片。INA121是TexasInstrumen

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