精選文檔心電信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)課程設(shè)計(jì)

信息學(xué)院電科專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：心電信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：摘要針對(duì)心電信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行心電信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。本文設(shè)計(jì)一種用于心電信號(hào)采集的電路，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使得心電信號(hào)的頻率達(dá)到采樣要求。人體的心電信號(hào)是一種低頻率的微弱信號(hào)，由于心電信號(hào)直接取自人體，所以在心電采集的過(guò)程中不可避免會(huì)混入各種干擾信號(hào)。為獲得含有較小噪聲的心電信號(hào)，需要對(duì)采集到的心電信號(hào)做降噪處理。本文通過(guò)濾波的方法將噪聲從信號(hào)中分離。并將采集到的小信號(hào)放大約1000倍，送入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，讓單片機(jī)處理。關(guān)鍵詞：心電信號(hào)采集，降噪，A/D轉(zhuǎn)換放大目錄160631.課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1268071.1設(shè)計(jì)任務(wù) 1265051.2設(shè)計(jì)要求 164182.理論設(shè)計(jì) 1199492.1方案論證 163132.2電路原理框圖說(shuō)明 2275122.3單元電路設(shè)計(jì) 2197622.3.1前置放大及反饋電路 2277272.3.2帶通濾波電路 3130872.3.350Hz陷波電路 4117072.3.4電壓放大電路 491082.3.5電平抬升電路 546352.4整體電路圖仿真 6291943.硬件調(diào)試 6108593.1焊接及調(diào)試過(guò)程 6145063.2心電信號(hào)采集 7266133.3故障分析 737774.嵌入式軟件設(shè)計(jì) 7303564.1開(kāi)發(fā)軟件CCS簡(jiǎn)介 7224764.2軟件總體設(shè)計(jì)框圖 847834.3軟件分步配置: 9327064.3.1配置ADC12： 9116504.3.2配置LCD： 968624.4軟件主程序 9120215.整體效果 14243986.結(jié)論 15176747.參考文獻(xiàn) 16課程設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)任務(wù)⑴了解心電信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)心電信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理電路包括前端放大和右腿驅(qū)動(dòng)電路、帶通濾波和50Hz陷波電路、主放大和電平抬高電路等。⑵學(xué)習(xí)MPS430單片機(jī)原理，通過(guò)對(duì)心電信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏率的測(cè)量及顯示。⑶焊接相應(yīng)電路，完成調(diào)試。設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)中了解心電信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)心電信號(hào)調(diào)理電路，調(diào)理電路包括前端放大和右腿驅(qū)動(dòng)電路、帶通濾波和50Hz陷波電路、主放大和電平抬高電路等。理論設(shè)計(jì)方案論證將整個(gè)設(shè)計(jì)分成硬件部分和軟件部分，在硬件設(shè)計(jì)部分又可細(xì)分為如下幾個(gè)部分：前置放大、帶通濾波、陷波、電壓放大、電平抬升以及反饋。根據(jù)已有的器件，本設(shè)計(jì)使用AD620作為前置放大級(jí)。帶通濾波部分，分成了高通與低通兩部分，為了提高濾波的效果，高通部分采低通部分采用了二階切比雪夫低通濾波器，帶通紋波為3dB。50Hz濾波陷波電路考慮了Fliege結(jié)構(gòu)點(diǎn)阻濾波器和“雙T”型陷波電路，實(shí)際焊接后發(fā)現(xiàn)后者的效果明顯更穩(wěn)定，故改為采用了“雙T”型陷波電路。電路原理框圖說(shuō)明圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示，本系統(tǒng)硬件部分主要由前置放大、帶通濾波、陷波、電壓放大、電平抬升等電路構(gòu)成；軟件部分由基于Msp430Launchpad的AD采集和液晶顯示等程序編寫(xiě)構(gòu)成。單元電路設(shè)計(jì)前置放大及反饋電路由于人體心電信號(hào)的特點(diǎn)，加上背景噪聲較強(qiáng)，采集信號(hào)時(shí)電極與皮膚間的阻抗大且變化范圍也較大，要求前級(jí)放大電路應(yīng)滿(mǎn)足高輸入阻抗；高共模抑制比；低噪聲、低漂移、非線性度小；合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。

為此，選用儀用放大器AD620作為前級(jí)放大。該放大器有較高的共模抑制比(CMRR)，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小且具有調(diào)節(jié)方便的特點(diǎn)，是生物醫(yī)學(xué)信號(hào)放大的理想選擇。根據(jù)小信號(hào)放大器的設(shè)計(jì)原則，前級(jí)的增益不能設(shè)置太高，因?yàn)榍凹?jí)增益過(guò)高將不利于后續(xù)電路對(duì)噪聲的處理。

仿真過(guò)程采用O．5MV，1．2Hz的差分信號(hào)源為模擬心電輸入來(lái)模擬電路的放大過(guò)程，結(jié)果滿(mǎn)足要求，如圖2-2所示。圖2-2前置放大及反饋電路帶通濾波電路心電信號(hào)頻帶主要集中在0．05--100Hz，因此帶通濾波器用高低通濾波器來(lái)構(gòu)成，以濾除干擾信號(hào)。經(jīng)過(guò)高通濾波后，可以大大削弱0．1Hz以下因呼吸等引起的基線漂移程度，經(jīng)過(guò)低通濾波后，也可以較好的削弱100Hz以上的干擾信號(hào)。圖2-3帶通濾波電路50Hz陷波電路在我國(guó)采用的是50hz頻率的交流電，所以在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集處理和分析時(shí)，會(huì)存在50hz的工頻干擾，對(duì)我們的信號(hào)處理造成很大干擾，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)50hz雙T陷波器來(lái)濾除工頻干擾。濾波器的中心頻率和抑制帶寬BW之間的關(guān)系為：

中心頻率：圖2-450Hz陷波電路電壓放大電路心電信號(hào)通常比較微弱，至多為mV量級(jí)，需要用較大增益的放大電路將信號(hào)放大到方便分析和采集的量級(jí)。該放大電路放大倍數(shù)為：圖2-5電壓放大電路電平抬升電路由于Msp430Launchpad不能采集負(fù)電壓，直接采集放大后的心電信號(hào)將會(huì)使液晶屏上波形失真，因此設(shè)計(jì)該電壓抬升電路并通過(guò)電位器調(diào)節(jié)信號(hào)整體電平。圖2-6電平抬升電路整體電路圖仿真圖2-7整體電路圖仿真硬件調(diào)試焊接及調(diào)試過(guò)程為了使作品更加具備實(shí)用性和觀賞性，焊接電路時(shí)采用雙面面包板并在不影響電路性能前提下盡可能減小電路面積。考慮“飛線”過(guò)多過(guò)長(zhǎng)可能降低電路穩(wěn)定性、增加干擾，焊接過(guò)程盡量少使用引線，縮短導(dǎo)線長(zhǎng)度。將VCC,VEE,GND及各級(jí)輸入輸出用一定量排針引出，方便調(diào)試，降低出錯(cuò)率。圖3-1硬件部分心電信號(hào)采集經(jīng)過(guò)采集電路在示波器顯示的心電信號(hào)如圖3-2所示，信號(hào)無(wú)明顯失真，經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，該同學(xué)心率此時(shí)約為1.4Hz。圖3-2成功采集的心電信號(hào)故障分析心電信號(hào)因人而異，不同的人測(cè)量，效果可能會(huì)出現(xiàn)較大差異，可以選擇信號(hào)明顯波形較好的人做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用了3種運(yùn)放，都采用雙電源接法，焊接時(shí)要注意不要短路，焊接完畢，應(yīng)先檢查后通電。Msp430Launchpad采集電壓范圍為0至5V，需調(diào)節(jié)抬升電路電位器使其輸出電壓值合適的心電信號(hào)。嵌入式軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件部分的設(shè)計(jì)用Msp430Launchpad來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)發(fā)軟件CCS簡(jiǎn)介CCS是一種針對(duì)TMS320系列DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,在Windows操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供有環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具。

CCS有兩種工作模式，即

軟件仿真器模式：可以脫離DSP芯片，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集和工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。

硬件在線編程模式：可以實(shí)時(shí)運(yùn)行在DSP芯片上,與硬件開(kāi)發(fā)板相結(jié)合在線編程和調(diào)試應(yīng)用程序。

CCS的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)主要由以下組件構(gòu)成：

①TMS320C54x集成代碼產(chǎn)生工具；

②CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境；

③DSP/BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核插件及其應(yīng)用程序接口API；

④實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換的RTDX插件以及相應(yīng)的程序接口API；

⑤由TI公司以外的第三方提供的各種應(yīng)用模塊插件。

CCS的功能十分強(qiáng)大，它集成了代碼的編輯、編譯、鏈接和調(diào)試等諸多功能，而且支持C/C++和匯編的混合編程。軟件總體設(shè)計(jì)框圖F5529ADC12LCD模擬信號(hào)數(shù)據(jù)處理顯示logo顯示工程相關(guān)信息軟件分步配置:配置ADC12：F5529內(nèi)部ADC為8位12通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)中將P6.4作為模擬信號(hào)的輸入端口。時(shí)鐘源為MCLK的3分頻。ADC12CTL0=ADC12SHT02+ADC12ON;//Samplingtime,ADC12onADC12CTL1|=ADC12SSEL0+ADC12DIV2; //ADC12SSEL0:mclk1:smclkADC12CTL1|=ADC12SHP;//Usesamplingtimer,0clockADC12IE=0x01;//EnableinterruptADC12CTL0|=ADC12ENC;P6SEL|=0x10;//P6.4ADCoptionselect配置LCD1602：采用F5529內(nèi)置的點(diǎn)陣屏，相關(guān)詳細(xì)配置參見(jiàn)F5529官方“HAL_Dogs102x6.c”軟件主程序//******************************************************************************//MSP430F552x/////|\||//|||//--|RST|//||//Vin-->|P6.4/CB0/A0|////******************************************************************************#include<msp430.h>#include"HAL_Dogs102x6.h"#include"info.h"#include<math.h>intread;volatileunsignedintx=0;volatileunsignedintflag=0;volatileunsignedintvalue=0;volatileunsignedintcount=0;volatilefloatfreq=1.4;volatileunsignedinti;#defineNum_of_Results2volatileunsignedintresults[Num_of_Results];//Needstobeglobalinthis//example.Otherwise,the//compilerremovesitbecauseit//isnotusedforanything.uint16_ttimeoutCounter;voidinit_lcd(){ uint8_tcontrast=*((unsignedchar*)contrastSetpointAddress);//讀取FLASH中對(duì)比度值 uint8_tbrightness=*((unsignedchar*)brightnessSetpointAddress);//讀取FLASH中背光值 //SetupLCD Dogs102x6_init();//初始化LCD Dogs102x6_backlightInit();//背光初始化 //ContrastnotprogramedinFlashYet if(contrast==0xFF)//若當(dāng)前FLASH中無(wú)對(duì)比度值，則將對(duì)比度值設(shè)為11（默認(rèn)） //SetDefaultContrast contrast=11; //BrightnessnotprogramedinFlashYet if(brightness==0xFF)//若當(dāng)前FLASH中無(wú)背光值，則將背光值設(shè)為11（默認(rèn)） //SetDefaultBrightness brightness=0x11;// Dogs102x6_setBacklight(brightness);//設(shè)置初始背光值// Dogs102x6_setContrast(contrast);//設(shè)置初始對(duì)比度值 Dogs102x6_clearScreen(); //顯示文字說(shuō)明： //Dogs102x6_stringDraw(3,0,"pan",DOGS102x6_DRAW_NORMAL);}intmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//StopWDT//Board_init();//初始化GPIO//GloballyenableinterruptsADC12CTL0=ADC12SHT02+ADC12ON;//Samplingtime,ADC12onADC12CTL1|=ADC12SSEL0+ADC12DIV2; //ADC12SSEL0:mclk1:smclkADC12CTL1|=ADC12SHP;//Usesamplingtimer,0clockADC12IE=0x01;//EnableinterruptADC12CTL0|=ADC12ENC;P7DIR|=0x01;//P7.0outputP6SEL|=0x10;//P6.4ADCoptionselectP1DIR|=0x01;//P1.0outputTA1CCTL0=CCIE;//CCR0interruptenabledTA1CCR0=2040;//(1/32768)*205=5ms??TA1CTL=TASSEL_1+MC_1+TACLR;//ACLK,upmode,clearTARinit_lcd();//logo_init();__enable_interrupt();//使能全局中斷//info_init();Dogs102x6_clearScreen();buttonsPressed=0;//__disable_interrupt();//關(guān)閉全局中斷while(1){ADC12CTL0|=ADC12SC;//Startsampling/conversion__bis_SR_register(LPM0_bits+GIE);//LPM0,ADC12_ISRwillforceexit__no_operation();//Fordebugger//Dogs102x6_stringDraw(8,0,"pan",DOGS102x6_DRAW_NORMAL);}}//Timer0_A5InterruptVector(TAIV)handler#pragmavector=TIMER1_A0_VECTOR__interruptvoidTIMER1_A0_ISR(void){P7OUT^=0x01;//ToggleP1.0}#pragmavector=ADC12_VECTOR__interruptvoidADC12_ISR(void){ staticunsignedcharindex=0; if(x<103){ x++; } else{if(buttonsPressed){ if(freq>1.0&&freq<1.5){ ADC12IE=0x00;//Enableinterrupt __bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits);//ExitactiveCPU }else{ flag=0; value=0; count=0; buttonsPressed=0; Dogs102x6_clearScreen(); x=0; }}else{ Dogs102x6_clearScreen(); x=0;} }switch(__even_in_range(ADC12IV,34)){case0:break;//Vector0:Nointerruptcase2:break;//Vector2:ADCoverflowcase4:break;//Vector4:ADCtimingoverflowcase6://Vector6:ADC12IFG0 read=ADC12MEM0; results[index]=ADC12MEM0;//Moveresults index++;//Incrementresultsindex,modulo;SetBreakpoint1here if(index==2) { index=0; } Dogs102x6_pixelDraw(x,41-ADC12MEM0/100+10,DOGS102x6_DRAW_NORMAL);if(x>1&&abs(results[0]-results[1])>200&&x<102/*thelastlinedon'tdraw*/) Dogs102x6_lineDraw(x,41-results[0]/100+10,x,41-results[1]/100+10,DOGS102x6_DRAW_NORMAL);if(abs(results[0]-results[1])>200&&flag==0){ flag=1;}if(flag==1){ value++; count++;}if(abs(results[0]-results[1])>200&&count>5){ flag=2; freq=(float)102/value/5*2; //buttonsPressed=1; /*Dogs102x6_stringDraw(7,0,"ECGFREQ:",DOGS102x6_DRAW_NORMAL); Dogs102x6_charDraw(7,60,0x30+(int)freq%10,DOGS102x6_DRAW_NORMAL); Dogs102x6_stringDraw(7,67,".",DOGS102x6_DRAW_NORMAL); Dogs102x6_charDraw(7,74,0x30+(int)(freq*10)%10,DOGS102x6_DRAW_NORMAL); Dogs102x6_stringDraw(7,90,"HZ",DOGS102x6_DRAW_NORMAL);*/}__bic_SR_register_on_exit(LPM0_bits);//ExitactiveCPUcase8:break;//Vector8:ADC12IFG1case10:break;//Vector10:ADC12IFG2case12:break;//Vector12:ADC12IFG3case14:break;