基于TDMI核的MCU ADuC7020的单电源心电检测系统设计

本文给出的设计采用单电源供电，可以解决上述问题并降低产品成本，同时该设计还在基于ARM核的嵌入式系统中采用了简单实用的算法，能快速准确定位QRS复波(即计算人的心率)。该设计面向广大家庭用户而设计，体积较小，只需要一台个人电脑与之连接，便可实时地操作、观测心电信号。  

心电信号采集系统的基本架构如图1所示。人体的心电信号经电极和专用导联线从人体送至系统。通过滤波和放大调节电路，微弱的心电信号被放大到合适的幅值，并处于A/D转换范围之内。  

系统的控制和数据的处理由ADI公司基于ARM7 TDMI核的MCU ADuC7020来完成。这款芯片有丰富的片内外围电路，处理速度高达40MIPS，A/D转换速度可达1MSPS，具有很高的性价比。最后将结果由 ADuC7020通过UART口送至计算机，由计算机通过由LabVIEW编写的界面将结果直观地显示出来或存储下来。图2是基本的硬件电路图。  

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这两个低通滤波器都要求具有低电压偏移、低温漂和低噪声特性，ADI公司的轨到轨输入输出双运放AD8607能够很好地满足这些要求。由于第二级放大器是反相端输入，所以最后得到的信号是反相的，这可以在软件中再作处理。  

从保护病人和提高系统的共模抑制比两方面考虑，必须将共模信号反相并放大后，再反馈给人体，这样系统和人体就共同构成了一个电压并联负反馈网络，即通常所说的右腿驱动电路。由ADuC7020对处理后的心电信号进行AD转换，选择定时器控制的ADC采样模式。一次A/D转换结束，触发ADC中断，在中断服务程序中对数字信号进行处理。  

 

   
处理心电数字信号的关键是对心电信号中QRS复波的精确识别。正常人的QRS波群的宽度为0.06至0.10秒，且不受心律变化的影响。针对R波很尖锐的特点，我们通过一个滑动时间窗判断信号峰、谷是否满足要求，同时确认其是否在时间窗内。对信号幅值的阈值采用双可变阈值法，即对波形设置波峰阈值和波谷阈值。如果峰阈值和谷阈值在一段适当时间内有较大变化，则重新设置峰阈值和谷阈值。下面我们将对QRS复波定位和心律计算进行讨论。对起始一段时间的信号只进行反相和滤波处理，这是为了将倒置的心电信号恢复过来，并避免信号初期的波动影响阈值。然后在一定的时期内，根据采样得到的数据设置峰阈值Thpeak 和谷阈值THtrough，然后对QRS波进行定位。最后，按以下步骤(见图3)进行数据处理。  

读取新采样点Ni：

1)判断采样的信号点幅值是否大于峰阈值Thpeak。如果不满足，则回到第1)步。
2)如果满足条件，则开始计数n＝1，并记录n值为peaktime1。将时间窗的起始边滑至此处。
3)继续采样Ni+1，每采样一次则n＋1。
4)判断新的采样点Ni+1是否小于谷阈值。如果不满足，则回到第4)步。
5)如果满足采样点小于谷阈值Thtrough，则记录该点的n值为troughtime1。
6判断这两次满足幅值要求的信号点时刻troughtime1和peaktime1之差是否在时间窗内，即是否小于窗宽度THtime。如果不小于THtime，则回到第1)步。
7)如果满足，则这段信号被认为是一个QRS波群。Peaktime1就被定位为一个R波。  

有了定位的R波，就可以在此基础上按以下步骤统计心率：1)找到第一个R波，并记录n值为peaktime1；2)找到第二个R波，并记录n值为peaktime2；3)按照以下公式计算心律。  

实践证明，采用这种算法计算得到的心律准确率高、计算简便、易于实现，并最终在PC机上观察到心电信号波形和心律值。