便携式心电信号测量仪的研制

【摘　要】利用单片机MCS－8098和液晶显示模块TM12864A设计一个实用电路，采集心电信号并储存后，分多屏幕显示（并可重新显示）。实现了测量仪器的低功耗化和微型化。
　　关键词：单片机　液晶显示器　心电信号　数字式测量仪器
　　
1　引　言
　　早期，心电信号先记录在感光胶片上，经冲洗、显影等步骤才可以看到。后来，把心电信号描绘在一种特制的纸——心电图纸上。这两种心电信号记录法，其相应的描记设备体积庞大，功耗也大，且控制机构复杂。随着微电子技术的飞速发展，现代的测量仪器、仪表都向智能化、微型化、低功耗化方向发展。对此，本文设计了一个单片机控制系统，用液晶显示器（LCD）来显示心电信号，并且可实现一次采集后，多次重复显示，实现了心电信号记录设备的智能化、微型化、低功耗化。
2　硬件选型及设计
　　单片机以其优异的性价比，在我国已得到了普遍的应用。在选取单片机芯片时，考虑了下面两个因素：电路系统需A／D转换电路；为了显示采集到的心电信号，要求系统有高速的数据处理能力。
　　MCS－51系列单片机除80C51GA有不带采样－保持的8位ADC外，其它型号的都没有ADC；而MCS－8098则内含带采样－保持功能的四路模拟输入10位ADC，且运算速度快，数据处理能力强。因此，本系统采用MCS－8098芯片。
　　MCS－8098的ADC采用逐次比较方式来完成模拟／数字信号的转换。当ADC被启动后，需88个状态周期（若时钟频率为12 MHz，则需22μs）才能得到转换结果，即转换时间tA／D为88个状态周期，而采样时间tS为4个状态周期，所以8098模拟输入通道输入信号的最高频率为：〔1〕
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
为保证信号恢复时的不失真，取N＝6～8，则
　　　　　　　　　　　　　
8098模拟输入端的外部接口电路的好坏直接影响ADC的性能。模入端的等效电路如图1所示，V为外加信号源，R源为信号源内阻，外部输入信号必须通过电阻R才能对采样电容CS充电，输入端的泄漏电流为I漏，CS≈2pF，R≈5kΩ，I漏≤3μA〔2〕。当外加信号阻抗为1kΩ或更小时，若直流漏电流一定，那么输入电压的误差大约为±0．6LSB（1kΩ×3μA＝3mV）（设8098中ADC的Vref＝5V）；当R漏增加到2kΩ以上时，由于3μA的漏电流引起的外部误差至少为1LSB（5mV）；此外，若R源大于15kΩ，将大大降低ADC的精度。为此，要求接入8098模入端的信号源的内阻应足够小（Rs漏＜2kΩ）。
　　　　　　　　　　　　　
　　为降低ADC对噪声的灵敏度，在模入端加接一个外部电容（漏电流应小），并在电容之前串接一个小电阻。外接电容和外加信号源内阻R源一起构成一个低通滤波器。串接的小电阻的作用是限制过压状态下的输入电流。设R源＝1kΩ，低通滤波器的截止频率f0为100Hz，则由

得C≈1．6μF。
　　综上所述，采用的具体接口电路如图2所示。其中，二极管D1、D2的作用是限制过压状态下的输入电流。如图2所示，可将输入电流限制在0．7／270Ω≈2．6mA以下。
　　　　　　　　　　　　　
　　LCD有段式和点阵式两种。点阵式LCD又可分为字符点阵和图形点阵。由于本文在LCD上要显示的是图形信息，故采用图形点阵LCD—TM12864A。TM12864A把LCD、LCD控制器HD61202、LCD驱动器HD61203制作在一块印制电路板上，构成一个LCD模块，其LCD为128×64点阵。从印制电路板上引出信号线，以便和微控制器相连。每片HD61202带有512字节的显示RAM，RAM内的数据与显示屏上的像素相对应。TM12864A采用两片HD61202分别控制左右半屏的显示。TM12864A可直接同微控制器连接，HD61202通过数据总线来接收微控制器的指令和数据，共有指令口和数据口两个通道用来接收微控制器发送的指令码以及与微控制器进行数据交换；它的片选信号线（CS1、CS2、）、口选信号线（D／I）、读写信号线（R／W），直接受微控制器控制。TM12864A内部不带字符发生器，所以只适用于图形工作方式。TM12864A的内部框图、工作特性及指令说明，见参考文献〔3〕。
　　完整的硬件电路原理图如图3所示。
　　　　　　　　
　　　　　　　　
3　软件设计
　　心电信号属于低频信号（其有效频谱为50Hz以下）〔4〕，典型心电图如图4所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　其中QRS波群的时间短，波的幅值变化大（成人0．06～0．1秒；儿童0．04～0．08秒）〔5〕，这就决定采样频率不能太低。另外，液晶显示屏（128×64点阵）中用124列来显示心电信号（其余4列用来显示纵坐标轴），为了在一屏上得到一个完整的心电信号，采样频率又不能太高（一个采样数据对应显示屏上一点，一屏可显示124个采样数据）。综合上述两方面因素，确定采样频率为200次／秒。这样，采样间隔为0．005秒，一屏可显示0．005×124＝0．62秒。一个人的心率若按75次／分计，则其心电周期为60／75＝0．80秒。
　　系统采用16kRAM来存贮采集到的数据，则能存贮的时间长度为：
　　　　　　　　　　　　　　　
存贮的采样点数为：
　　　　　　　　　　　　　　　
　　系统采用HSO命令来启动A／D转换，利用A／D中断来读入转换结果并重复启动A／D转换，直
到采集时间（40．96秒）到为止。　
  　限于篇幅，这里不再提供系统流程图。
4 结束语
　　采用本文所述的方法，液晶显示屏纵轴（幅值轴）分辨能力可达5／40＝0．125V（按输入8098模入通道的最大模拟量为5V，液晶显示屏用0～40行来显示ECG信息）。横轴（时间轴）的分辨能力可达0．005秒。由于本系统采样频率最高可达7．2kHz，所以也可用于对一般的低频信号进行采集、贮存和显示。如能改进软件编程算法，或提高单片机运算速度，来实现实时显示采集到的心电信号，则将进一步提高系统的实用性。

　　参考文献
　 1　何立民主编．单片机应用技术选编（二）．北京：北京航空航天大学出版社，1994
2　赵依军等编．8098单片机原理及系统设计技术．武汉：华中理工大学出版社，1990
3　深圳天马微电子公司．How To Use LCD DOT MAX－TRIX MODULE．1995
4　宗贤钧编著．现代生物医学仪器．原子能出版社，1985　　
5　洛阳卫生学校．临床心电图手册．1974