便攜式心電信號(hào)測(cè)量?jī)x的研制

【摘　要】利用單片機(jī)MCS－8098和液晶顯示模塊TM12864A設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用電路，采集心電信號(hào)并儲(chǔ)存后，分多屏幕顯示（并可重新顯示）。實(shí)現(xiàn)了測(cè)量?jī)x器的低功耗化和微型化。
　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)　液晶顯示器　心電信號(hào)　數(shù)字式測(cè)量?jī)x器
　　
1　引　言
　　早期，心電信號(hào)先記錄在感光膠片上，經(jīng)沖洗、顯影等步驟才可以看到。后來，把心電信號(hào)描繪在一種特制的紙——心電圖紙上。這兩種心電信號(hào)記錄法，其相應(yīng)的描記設(shè)備體積龐大，功耗也大，且控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜。隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代的測(cè)量?jī)x器、儀表都向智能化、微型化、低功耗化方向發(fā)展。對(duì)此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)，用液晶顯示器（LCD）來顯示心電信號(hào)，并且可實(shí)現(xiàn)一次采集后，多次重復(fù)顯示，實(shí)現(xiàn)了心電信號(hào)記錄設(shè)備的智能化、微型化、低功耗化。
2　硬件選型及設(shè)計(jì)
　　單片機(jī)以其優(yōu)異的性價(jià)比，在我國(guó)已得到了普遍的應(yīng)用。在選取單片機(jī)芯片時(shí)，考慮了下面兩個(gè)因素：電路系統(tǒng)需A／D轉(zhuǎn)換電路；為了顯示采集到的心電信號(hào)，要求系統(tǒng)有高速的數(shù)據(jù)處理能力。
　　MCS－51系列單片機(jī)除80C51GA有不帶采樣－保持的8位ADC外，其它型號(hào)的都沒有ADC；而MCS－8098則內(nèi)含帶采樣－保持功能的四路模擬輸入10位ADC，且運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。因此，本系統(tǒng)采用MCS－8098芯片。
　　MCS－8098的ADC采用逐次比較方式來完成模擬／數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)ADC被啟動(dòng)后，需88個(gè)狀態(tài)周期（若時(shí)鐘頻率為12 MHz，則需22μs）才能得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，即轉(zhuǎn)換時(shí)間tA／D為88個(gè)狀態(tài)周期，而采樣時(shí)間tS為4個(gè)狀態(tài)周期，所以8098模擬輸入通道輸入信號(hào)的最高頻率為：〔1〕
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
為保證信號(hào)恢復(fù)時(shí)的不失真，取N＝6～8，則
　　　　　　　　　　　　　
8098模擬輸入端的外部接口電路的好壞直接影響ADC的性能。模入端的等效電路如圖1所示，V為外加信號(hào)源，R源為信號(hào)源內(nèi)阻，外部輸入信號(hào)必須通過電阻R才能對(duì)采樣電容CS充電，輸入端的泄漏電流為I漏，CS≈2pF，R≈5kΩ，I漏≤3μA〔2〕。當(dāng)外加信號(hào)阻抗為1kΩ或更小時(shí)，若直流漏電流一定，那么輸入電壓的誤差大約為±0．6LSB（1kΩ×3μA＝3mV）（設(shè)8098中ADC的Vref＝5V）；當(dāng)R漏增加到2kΩ以上時(shí)，由于3μA的漏電流引起的外部誤差至少為1LSB（5mV）；此外，若R源大于15kΩ，將大大降低ADC的精度。為此，要求接入8098模入端的信號(hào)源的內(nèi)阻應(yīng)足夠小（Rs漏＜2kΩ）。
　　　　　　　　　　　　　
　　為降低ADC對(duì)噪聲的靈敏度，在模入端加接一個(gè)外部電容（漏電流應(yīng)?。?，并在電容之前串接一個(gè)小電阻。外接電容和外加信號(hào)源內(nèi)阻R源一起構(gòu)成一個(gè)低通濾波器。串接的小電阻的作用是限制過壓狀態(tài)下的輸入電流。設(shè)R源＝1kΩ，低通濾波器的截止頻率f0為100Hz，則由

得C≈1．6μF。
　　綜上所述，采用的具體接口電路如圖2所示。其中，二極管D1、D2的作用是限制過壓狀態(tài)下的輸入電流。如圖2所示，可將輸入電流限制在0．7／270Ω≈2．6mA以下。
　　　　　　　　　　　　　
　　LCD有段式和點(diǎn)陣式兩種。點(diǎn)陣式LCD又可分為字符點(diǎn)陣和圖形點(diǎn)陣。由于本文在LCD上要顯示的是圖形信息，故采用圖形點(diǎn)陣LCD—TM12864A。TM12864A把LCD、LCD控制器HD61202、LCD驅(qū)動(dòng)器HD61203制作在一塊印制電路板上，構(gòu)成一個(gè)LCD模塊，其LCD為128×64點(diǎn)陣。從印制電路板上引出信號(hào)線，以便和微控制器相連。每片HD61202帶有512字節(jié)的顯示RAM，RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)與顯示屏上的像素相對(duì)應(yīng)。TM12864A采用兩片HD61202分別控制左右半屏的顯示。TM12864A可直接同微控制器連接，HD61202通過數(shù)據(jù)總線來接收微控制器的指令和數(shù)據(jù)，共有指令口和數(shù)據(jù)口兩個(gè)通道用來接收微控制器發(fā)送的指令碼以及與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；它的片選信號(hào)線（CS1、CS2、）、口選信號(hào)線（D／I）、讀寫信號(hào)線（R／W），直接受微控制器控制。TM12864A內(nèi)部不帶字符發(fā)生器，所以只適用于圖形工作方式。TM12864A的內(nèi)部框圖、工作特性及指令說明，見參考文獻(xiàn)〔3〕。
　　完整的硬件電路原理圖如圖3所示。
　　　　　　　　
　　　　　　　　
3　軟件設(shè)計(jì)
　　心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)（其有效頻譜為50Hz以下）〔4〕，典型心電圖如圖4所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　其中QRS波群的時(shí)間短，波的幅值變化大（成人0．06～0．1秒；兒童0．04～0．08秒）〔5〕，這就決定采樣頻率不能太低。另外，液晶顯示屏（128×64點(diǎn)陣）中用124列來顯示心電信號(hào)（其余4列用來顯示縱坐標(biāo)軸），為了在一屏上得到一個(gè)完整的心電信號(hào)，采樣頻率又不能太高（一個(gè)采樣數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)顯示屏上一點(diǎn)，一屏可顯示124個(gè)采樣數(shù)據(jù)）。綜合上述兩方面因素，確定采樣頻率為200次／秒。這樣，采樣間隔為0．005秒，一屏可顯示0．005×124＝0．62秒。一個(gè)人的心率若按75次／分計(jì)，則其心電周期為60／75＝0．80秒。
　　系統(tǒng)采用16kRAM來存貯采集到的數(shù)據(jù)，則能存貯的時(shí)間長(zhǎng)度為：
　　　　　　　　　　　　　　　
存貯的采樣點(diǎn)數(shù)為：
　　　　　　　　　　　　　　　
　　系統(tǒng)采用HSO命令來啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，利用A／D中斷來讀入轉(zhuǎn)換結(jié)果并重復(fù)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，直
到采集時(shí)間（40．96秒）到為止?！?br>? 　限于篇幅，這里不再提供系統(tǒng)流程圖。
4 結(jié)束語
　　采用本文所述的方法，液晶顯示屏縱軸（幅值軸）分辨能力可達(dá)5／40＝0．125V（按輸入8098模入通道的最大模擬量為5V，液晶顯示屏用0～40行來顯示ECG信息）。橫軸（時(shí)間軸）的分辨能力可達(dá)0．005秒。由于本系統(tǒng)采樣頻率最高可達(dá)7．2kHz，所以也可用于對(duì)一般的低頻信號(hào)進(jìn)行采集、貯存和顯示。如能改進(jìn)軟件編程算法，或提高單片機(jī)運(yùn)算速度，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示采集到的心電信號(hào)，則將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

1　何立民主編．單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編（二）．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994
2　趙依軍等編．8098單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1990
3　深圳天馬微電子公司．How To Use LCD DOT MAX－TRIX MODULE．1995
4　宗賢鈞編著．現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)儀器．原子能出版社，1985　　
5　洛陽衛(wèi)生學(xué)校．臨床心電圖手冊(cè)．1974