微功耗IC免除心率監(jiān)護(hù)儀的后顧之憂

　　計(jì)便攜式心率監(jiān)護(hù)儀時的嚴(yán)格要求足以令任何人頭疼不已。首先，心臟監(jiān)護(hù)儀必須符合最高安全性、可靠性和精度標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)師還必須應(yīng)對紐扣電池有限的電量。一方面，要滿足市場對更多功能的需求，另一方面，又不能增大空間、功率或成本，令人頭疼的問題接踵而來。

　　幸運(yùn)的是，解決辦法是存在的。運(yùn)用多種最新微功耗、高精度IC芯片，可以設(shè)計(jì)出一款功能更加齊全的低功耗心率監(jiān)護(hù)儀（HRM）。

　　低功耗IC最重要的功能是延長HRM所用電池的壽命，HRM用于實(shí)時測量病人的心率，或者把心率記錄下來供以后研究使用。便攜式HRM需要依靠電池長時間工作，因此，需要功耗低。數(shù)十年以來，動態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀和其他便攜式ECG系統(tǒng)一直采用低電壓電池供電，以確保安全。心臟病病人或敏感設(shè)備最不需要的是突然涌現(xiàn)的“熱”線電壓。微功耗IC采用低電壓和電流工作，因此能節(jié)省電池電量。

　　HRM的模擬前端

　　HRM的主要目的是計(jì)算心率和顯示ECG波形，同時還應(yīng)提供導(dǎo)聯(lián)脫落檢測功能。圖1顯示了HRM設(shè)計(jì)的框圖。模擬前端利用下列器件構(gòu)建：微功耗儀表放大器、運(yùn)算放大器以及一個內(nèi)置12位ADC、采樣保持放大器和數(shù)字處理器的微型轉(zhuǎn)換器。處理后的數(shù)據(jù)送往PC進(jìn)行顯示。

　　微功耗儀表放大器構(gòu)成出色的輸入放大器， 其低功耗、小尺寸、整個頻率范圍內(nèi)的高共模抑制比（CMMR）、軌到軌輸入和輸出等特性非常適合這種電池供電型應(yīng)用。高性能微功耗儀表放大器可解決許多常見的人體皮膚電位（范圍為0.2 mV至2 mV）測量難題。對于這種應(yīng)用，最佳儀表放大器應(yīng)當(dāng)具有高CMMR以便抑制共模信號，例如手術(shù)室設(shè)備的線路噪聲或高頻EMI等。軌到軌輸出特性提供寬動態(tài)范圍，支持比典型儀表放大器更高的增益。此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)利用微功耗儀表放大器來實(shí)現(xiàn)自然RC濾波器；當(dāng)放大器之前使用串聯(lián)輸入電阻時，該RC濾波器可以降低高頻噪聲。

　　在主信號鏈中，微功耗儀表放大器后接一個積分器反饋網(wǎng)絡(luò)，利用4.7 μF電容和100 kΩ電阻實(shí)現(xiàn)，用以設(shè)置高通濾波器的?3 dB截止頻率。它抑制電極的半電池超電勢可能產(chǎn)生的差分直流失調(diào)。微功耗運(yùn)算放大器提供13倍的額外增益以便放大弱信號。一個有源二階低通貝塞爾濾波器消除約50 Hz以上的信號。

　　由于電路采用電池供電，因此將電路的基準(zhǔn)電壓連接到病人時，就能用作基準(zhǔn)電壓，從而提高共模抑制性能。這對于測量ECG信號很重要。注意，有些機(jī)器是從踩踏板獲得電源，因此不使用隔離。

　　基準(zhǔn)電壓

　　本設(shè)計(jì)假設(shè)ECG信號范圍為0.2 mV至2 mV。為防止信號被箝位并使ADC的動態(tài)范圍最大（0 V至1.25 V），設(shè)計(jì)中增加0.625 V偏置。如圖2所示，電阻分壓器和緩沖器產(chǎn)生0.625 V基準(zhǔn)電壓，它也用于偏置ECG信號（見圖1）。

　　導(dǎo)聯(lián)脫落檢測

　　如果電極接觸不良，HRM應(yīng)提供警示信號。當(dāng)電極脫離病人時，這些電阻與微功耗儀表放大器輸入端的兩個20 MΩ電阻（見圖1）一起使輸入發(fā)生偏移。正常工作時，微功耗儀表放大器的輸出是基準(zhǔn)電壓；如果一個電極脫落，輸出將變?yōu)? V。圖3所示為導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，微功耗儀表放大器的輸出端連接到檢測電路的輸入端。

　　事實(shí)上，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路是一個比較器，遲滯利用一個放大器實(shí)現(xiàn)。用一個高增益比較器來確定輸入電壓是高于還是低于基準(zhǔn)電壓，并輸出一個代表凈差符號的電壓。遲滯通過少量正反饋消除噪聲導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。單電源供電時，需要偏移基準(zhǔn)電壓，使電路完全在第一象限工作。圖4顯示了實(shí)現(xiàn)方法。電阻分壓器 （R2和R1）產(chǎn)生一個正基準(zhǔn)電壓，用以與輸入電壓進(jìn)行比較。圖4中給出了設(shè)計(jì)直流閾值所用的公式。

　　正常工作時，微功耗儀表放大器的輸出應(yīng)是 ；如果導(dǎo)聯(lián)脫落，比較器的輸出將變?yōu)? V。當(dāng)比較器的輸出上升到3.3 V時，微功耗儀表放大器的輸出也是0 V。根據(jù)微控制器的中斷模式不同，上升沿或高電平可以觸發(fā)微控制器的中斷。當(dāng)導(dǎo)聯(lián)再次接上時，比較器的輸出降至0 V，下降沿或低電平可以觸發(fā)中斷。

　　微型轉(zhuǎn)換器中的信號處理

　　圖5顯示了HRM的模擬輸出。我們可以看到從220 V電力線耦合而來的50 Hz噪聲。采集到的信號可以通過微型轉(zhuǎn)換器中的數(shù)字陷波濾波器處理。為此，我們根據(jù)200 Hz的采樣頻率，設(shè)計(jì)了一個二階FIR濾波器。陷波濾波器采用極點(diǎn)零點(diǎn)放置方法，用于抑制50 Hz干擾。

　　MATLAB提供的FDATool工具（如圖6所示）用于設(shè)計(jì)陷波濾波器。在極點(diǎn)零點(diǎn)圖中，將兩個零點(diǎn)處于±π/2相位。對于200 Hz采樣速率，50 Hz成分將被消除。

　　零點(diǎn)處于單位圓中—FIR的系數(shù)為整數(shù)—因此微型轉(zhuǎn)換器的計(jì)算負(fù)擔(dān)大為減輕。傳遞函數(shù)為：

　　可以將該傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為可編程遞歸算法，

　　其中：

　　n表示當(dāng)前值

　　n-1表示前一時刻的值，依此類推。

　　根據(jù)系數(shù)，C代碼如圖7所示。

　　圖8所示為數(shù)字陷波濾波器之后的ECG波形。50 Hz噪聲已被消除。

　　心率計(jì)算的精度

　　根據(jù)“心臟監(jiān)護(hù)儀、心率儀和警報系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AAMIEC13:2002，容許的心率儀最小范圍應(yīng)為30 bpm至200 bpm，容許的讀數(shù)誤差“不得大于輸入速率的±10%或±5 bpm，以較大者為準(zhǔn)?！?/p>

　　該HRM設(shè)計(jì)利用Fluke MPS450多參數(shù)ECG仿真器以不同心率在HRM板的輸入端產(chǎn)生ECG信號。微型轉(zhuǎn)換器對電路板的輸出進(jìn)行采樣并計(jì)算心率值，然后傳輸至PC顯示出來。

　　功耗

　　HRM設(shè)計(jì)采用鋰電池或紐扣電池供電，以便可以長時間用在便攜應(yīng)用中，例如運(yùn)動監(jiān)護(hù)。應(yīng)保證模擬前端能夠采用1.8 V到5 V的電壓工作。

　　采用3.3 V電源時，模擬前端板的功耗為300 μA，微型轉(zhuǎn)換器的功耗為330 μA（使用1 MHz系統(tǒng)內(nèi)部時鐘）。HRM的總功耗為660 μA。假設(shè)紐扣電池容量為50 mA，則可確保工作約75小時—對便攜式監(jiān)護(hù)儀來說，這一續(xù)航時間已經(jīng)非常了不起—這在很大程度上要?dú)w功于低功耗IC。