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详解AD8221单电源心电信号采集
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2017-10-27
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随着心电图技术的临床应用和电子技术的发展，心电图作为生物医学测量中一项较成熟、应用较广泛的技术，已逐渐成为一种常规临床检查的手段，并在心脏疾病的诊断、监护以及药效分析等方面发挥着十分重要的作用。
目前常用的心电检测电路多为双电源供电，这种方案需要很多的电源器件和较大面积的布局布线，而这些都将增加产品的成本。
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。
图1：心电信号采集系统的基本架构
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。
图2：基本的硬件电路
从人体或是心电信号发生器上采集到的心电信号幅值在0.05～5mV之间（一般为2mV），频率在0.05Hz～75Hz之间。心电信号要经过缓冲、匹配电阻网络、电压放大和滤波等几级电路。
心电信号首先经过一个两级的RC低通滤波电路，进入缓冲级。信号进入系统之前，需要除去高频分量，因此这里设计了一个截止频率为300Hz的低 通滤波器，以保证0.05～75Hz的微弱心电信号不会被衰减。缓冲级由电压跟随器组成，它可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。为保证差分信 号的一致性，应选用集成在芯片上的放大器。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络获得威尔逊电中心端作为整个ECG系统的参考 点。
滤波放大电路的前级采用负反馈差分放大电路，这里使用ADI公司可调增益高共模抑制比的仪表放大器AD8221作为前级放大器。放大倍数设为8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1计算得到，其中RG是AD8221两个RG管脚之间的电阻值。
这个电阻应当选用高精度、低温漂的金属膜电阻，以保证AD8221的低噪声性能。AD8221的REF管脚没有接地，而是和一个低通滤波器构成 负反馈回路，以便能有效地滤除直流分量，从而使U1处的电压始终箝位在1.25V。因为是单电源供电，而不同导联的心电信号电压有正有负，所以一定要提供一个合适的箝位电压。ADuC7020的AD转换模式下电压输入范围是0-2.5V，这里就选择中间值1.25V作为箝位电压。
目前常用的心电检测电路多为双电源供电，这种方案需要很多的电源器件和较大面积的布局布线，而这些都将增加产品的成本。
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。
图1：心电信号采集系统的基本架构
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。
图2：基本的硬件电路
从人体或是心电信号发生器上采集到的心电信号幅值在0.05～5mV之间（一般为2mV），频率在0.05Hz～75Hz之间。心电信号要经过缓冲、匹配电阻网络、电压放大和滤波等几级电路。
心电信号首先经过一个两级的RC低通滤波电路，进入缓冲级。信号进入系统之前，需要除去高频分量，因此这里设计了一个截止频率为300Hz的低 通滤波器，以保证0.05～75Hz的微弱心电信号不会被衰减。缓冲级由电压跟随器组成，它可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。为保证差分信 号的一致性，应选用集成在芯片上的放大器。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络获得威尔逊电中心端作为整个ECG系统的参考 点。
滤波放大电路的前级采用负反馈差分放大电路，这里使用ADI公司可调增益高共模抑制比的仪表放大器AD8221作为前级放大器。放大倍数设为8倍，由公式G=49.4kΩ/RG+1计算得到，其中RG是AD8221两个RG管脚之间的电阻值。
这个电阻应当选用高精度、低温漂的金属膜电阻，以保证AD8221的低噪声性能。AD8221的REF管脚没有接地，而是和一个低通滤波器构成 负反馈回路，以便能有效地滤除直流分量，从而使U1处的电压始终箝位在1.25V。因为是单电源供电，而不同导联的心电信号电压有正有负，所以一定要提供一个合适的箝位电压。ADuC7020的AD转换模式下电压输入范围是0-2.5V，这里就选择中间值1.25V作为箝位电压。
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