鄭春強(qiáng)，丁 欣，楊艷云，甘 文

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引言

為了滿足人們對(duì)健康的要求，在穿戴式設(shè)備中基本上都配有心率檢測(cè)功能。心率信號(hào)是人體中最重要的體征信號(hào)之一，通過(guò)測(cè)量心臟的跳動(dòng)頻率，能夠準(zhǔn)確判斷出一個(gè)人的心臟功能情況，可以根據(jù)心率快慢、變異度、整齊程度等方面判斷人的心臟健康程度。

目前，穿戴式產(chǎn)品檢測(cè)心率的方法有光電法[1]、心電信號(hào)法[2]、壓力振蕩法、圖像信號(hào)分析法[3]等幾類。其中心電信號(hào)法其實(shí)就是醫(yī)療級(jí)別常用的最準(zhǔn)確的測(cè)量心率的方法，配備的傳感器可以通過(guò)測(cè)量心肌收縮的電信號(hào)來(lái)判斷使用者的心率情況，原理和心電圖類似，這種方法的準(zhǔn)確度非常高。心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)、心房、心室相繼興奮，伴隨著無(wú)數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化，這些生物電的變化稱為心電，而通過(guò)心電的周期性變化便可以檢測(cè)到心率。對(duì)于智能穿戴設(shè)備來(lái)說(shuō)，心電信號(hào)法的缺點(diǎn)是電路比較復(fù)雜，占PCB 空間比較大，小型化設(shè)計(jì)難[4]；易受電磁干擾，同時(shí)傳感器必須緊貼皮膚，放置位置相對(duì)固定。

心電信號(hào)采集系統(tǒng)通過(guò)心電信號(hào)法采集人體心率信號(hào)，因其容易受電磁輻射信號(hào)的干擾，在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中采用獨(dú)立電源供電的低噪聲前置放大器及采用雙極性采樣技術(shù)為核心技術(shù)；在軟件設(shè)計(jì)方面采用零點(diǎn)識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位正反信號(hào)的相位疊加。

1 硬件設(shè)計(jì)及功能框圖

心電信號(hào)采集系統(tǒng)采用32 位單片機(jī)STM32 為控制芯片，控制整個(gè)采集系統(tǒng)的工作流程[5]；系統(tǒng)采集人體的心電信號(hào)，并將結(jié)果顯示在液晶屏中，同時(shí)通過(guò)WiFi 模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器供用戶查看[6]；系統(tǒng)提供一組觸控按鈕，方便用戶進(jìn)行模式及報(bào)警設(shè)置。心率采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)采集系統(tǒng)的主要功能模塊包括：心電信號(hào)輸入探頭用于采集微弱的心電信號(hào)，由于心電信號(hào)很弱小，容易受外界的干擾，采用醫(yī)學(xué)用低噪聲三導(dǎo)聯(lián)線為信號(hào)傳輸線[7]；前置放大電路對(duì)探頭輸入的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大處理，抗噪性能是其最重要的考量標(biāo)準(zhǔn)，也是后續(xù)電路進(jìn)行信號(hào)處理的基礎(chǔ)；低通濾波電路對(duì)前置放大電路輸出進(jìn)行噪聲濾波，濾除信號(hào)中的高頻成分，正常心率信號(hào)的頻率為60 ～100 Hz，低通濾波電路的帶寬為200 Hz，將300 Hz 以上的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理；極性轉(zhuǎn)換電路通過(guò)將心電信號(hào)分成兩部分進(jìn)行處理，這兩部分信號(hào)相位差180°，這樣能夠提高系統(tǒng)的共模信號(hào)抑制比，該部分電路的設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的核心部分；AD 采樣電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，便于STM32 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采集系統(tǒng)提供兩個(gè)AD采樣電路分別對(duì)雙極性輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；WiFi模塊為心率信號(hào)采集系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程通訊功能，采集系統(tǒng)通過(guò)WiFi 通信模塊將采集到的心電信號(hào)上傳到云服務(wù)器供用戶查閱；液晶屏模塊和觸控按鍵為心率信號(hào)采集系統(tǒng)提供人機(jī)交互功能，用戶可以設(shè)置系統(tǒng)的工作方式及報(bào)警信息，同時(shí)采集系統(tǒng)的采集結(jié)果通過(guò)LCD 液晶屏反饋給用戶。

2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

2.1 小信號(hào)前置放大電路的設(shè)計(jì)

人體產(chǎn)生的心電信號(hào)及其微弱，直接采樣難度較大，需要對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大處理。同時(shí)在心電信號(hào)的放大過(guò)程中容易受電磁輻射及各種電信號(hào)的干擾，降低系統(tǒng)輸入信號(hào)的信噪比，所以在前置放大電路中，其抗噪性能要求非常高[8-10]。同時(shí)，心率信號(hào)包含R波、P 波、PR 間期等眾多有用信息，每個(gè)參數(shù)具有不同的電壓值，為了滿足不同信號(hào)的采集要求，采用自適應(yīng)3 級(jí)信號(hào)放大處理技術(shù)，設(shè)計(jì)電路圖如圖2 所示。

圖2 前置放大電路設(shè)計(jì)

2.1.1 前置放大電路的信噪比設(shè)計(jì)

小信號(hào)放大電路中，運(yùn)放的選擇至關(guān)重要，心率采集系統(tǒng)的運(yùn)放要求具有高信噪比、低失調(diào)電壓及高帶寬的要求。高信噪比可以有效降低噪聲，低失調(diào)電壓能夠提供良好的線性關(guān)系，高帶寬可以有效降低信號(hào)的失真。低噪聲運(yùn)放的選擇，選用低噪聲運(yùn)放OP27作為心電信號(hào)的放大器，OP27 是一款極低噪聲放大器，電壓低至80 nVpp；同時(shí)OP27 具有良好的失調(diào)電壓，失調(diào)電壓低至25 μV。

低噪聲放大電路中，通過(guò)對(duì)噪聲的來(lái)源分析可以發(fā)現(xiàn)，高斯噪聲在噪聲中占有很大的比重，需要對(duì)電源紋波電壓進(jìn)行處理。在心率采集系統(tǒng)中，控制板通過(guò)DC-DC 模塊供電，DC-DC 供電模塊具有較大的電源紋波，如果該電源直接給前置放大器進(jìn)行供電，這樣會(huì)將微弱的心電信號(hào)淹沒(méi)在電源紋波當(dāng)中，難以提取心電信號(hào)。由于電池的電壓紋波非常小，所以在前置放大器中采用獨(dú)立的充電電池進(jìn)行供電，以降低供電電源電壓紋波對(duì)信號(hào)的影響。普通開(kāi)關(guān)電源的電壓紋波都有幾十mV，會(huì)對(duì)mV 級(jí)的心電信號(hào)造成干擾，無(wú)法滿足mV 級(jí)或者μV 級(jí)心電信號(hào)放大電路的要求。所以采用對(duì)前置放大電路進(jìn)行單獨(dú)電池供電的方法來(lái)減小后級(jí)電源產(chǎn)生的噪聲干擾。

2.1.2 前置放大器自適應(yīng)增益設(shè)計(jì)

采用多級(jí)放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)增益放大。為了滿足對(duì)不同電壓幅度的心電信號(hào)的采樣，設(shè)計(jì)了3 級(jí)放大電路對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大。U1、U2、U3 為3 個(gè)OP27 實(shí)現(xiàn)3 級(jí)差分放大器：

第1 級(jí)放大倍數(shù)：Au1= R8/R5

在心率采集系統(tǒng)中，R8=100K，R5=2K，Au1設(shè)計(jì)為50，同時(shí)精密可調(diào)電阻R1 對(duì)U1 的放大輸出進(jìn)行調(diào)零，減小零偏造成的電壓誤差。

第2 級(jí)放大倍數(shù)：Au2= R13/R10

在心率采集系統(tǒng)中，R13=100K，R10=5K，Au2設(shè)計(jì)為20，同時(shí)精密可調(diào)電阻R2 對(duì)U2 的放大輸出進(jìn)行調(diào)零，減小零偏造成的電壓誤差。

第3 級(jí)放大倍數(shù)：Au3= R18/R15

在心率采集系統(tǒng)中，R18=100K，R15=5K，Au2設(shè)計(jì)為20，同時(shí)精密可調(diào)電阻R3 對(duì)U3 的放大輸出進(jìn)行調(diào)零，減小零偏造成的電壓誤差。

STM32 分別采集3 個(gè)放大電路的輸出信號(hào)的電壓大小，通過(guò)軟件自動(dòng)選取合適的電壓大小作為系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

2.2 雙極性采樣技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

正常人的心率跳動(dòng)范圍為30 ～300 Hz，所以低通濾波器的截止頻率為300 Hz，同時(shí)我國(guó)市電的頻率為50 Hz，處于低通濾波器的濾波范圍之外，不能對(duì)市電信號(hào)進(jìn)行有效濾波，所以市電帶來(lái)的頻率響應(yīng)會(huì)疊加在心電信號(hào)上，成為心電信號(hào)采集的又一個(gè)重要干擾源。

一般情況下心電信號(hào)的頻率計(jì)算方法是通過(guò)采集信號(hào)的兩個(gè)最大值（如波峰或者波谷），計(jì)算這兩個(gè)最大值之間的時(shí)間差得到信號(hào)周期大小，從而得到心率大小[11，12]。一旦心電信號(hào)受到干擾，那么在判斷信號(hào)的幅值就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，從而影響對(duì)心電信號(hào)的檢測(cè)。以正弦波為例，在受到噪聲干擾后，波形最大值出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 波形干擾

為了減小傳輸過(guò)程電磁輻射信號(hào)的干擾，采用雙極性采樣技術(shù)可以有效降低干擾信號(hào)對(duì)心電信號(hào)的影響[13，14]。其工作原理如圖4 所示。

圖4 雙極性采樣

步驟1：通過(guò)極性變換芯片ADG412 將原始信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)，將翻轉(zhuǎn)后的信號(hào)稱為反信號(hào)。

步驟2：在信號(hào)采集過(guò)程中，原始信號(hào)與反信號(hào)會(huì)同時(shí)受到相同電壓的噪聲干擾。

步驟3：通過(guò)運(yùn)放的差分放大器LT1028 將受干擾后的反信號(hào)實(shí)現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)。

步驟4：STM32 通過(guò)兩路ADC 將原始信號(hào)及反信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在STM32 內(nèi)部將兩個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，由于原始信號(hào)與反信號(hào)的相位差180°，疊加后可以去除噪聲的影響。

3 軟件設(shè)計(jì)

心率采集系統(tǒng)的軟件流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)流程

用戶可以通過(guò)觸摸按鍵設(shè)置心率采集系統(tǒng)的工作方式，包括設(shè)置運(yùn)動(dòng)模式、設(shè)置心率信號(hào)報(bào)警閾值等信息等等；STM32 采集心電信號(hào)，計(jì)算心率大??；將得到數(shù)據(jù)顯示在LCD 液晶屏上，同時(shí)通過(guò)WiFi 模塊將數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器；同時(shí)STM32 會(huì)對(duì)比用戶設(shè)置的報(bào)警閾值，一旦到達(dá)報(bào)警條件，STM32 啟動(dòng)報(bào)警功能。其中心率信號(hào)采集模塊為軟件設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，其流程圖如圖6 所示。

圖6 心率信號(hào)采集模塊流程

心率信號(hào)采集模塊采用512 個(gè)數(shù)據(jù)組成一個(gè)數(shù)據(jù)窗口，輪流對(duì)兩通道的信號(hào)進(jìn)行AD 采樣。由于反信號(hào)通過(guò)由ADG412 芯片組成的極性變換電路及由LT1028 組成的差分放大電路進(jìn)行信號(hào)處理，會(huì)引入一定的相位延遲，所以在做疊加運(yùn)算時(shí)不能直接相加，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不正確[15]。為了避免相位誤差導(dǎo)致的結(jié)果不準(zhǔn)確，采用過(guò)零檢測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行相位修正。分別對(duì)原始信號(hào)及反信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)檢測(cè)，記錄兩個(gè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，在進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加時(shí)進(jìn)行零點(diǎn)對(duì)齊，這樣可以減小相位誤差引起的結(jié)果偏差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

心率信號(hào)采集系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境，包括測(cè)試板、測(cè)試電腦及心率信號(hào)模擬發(fā)生器（型號(hào)SKX-2000），其中測(cè)試電腦用于結(jié)果的顯示，心率信號(hào)模擬發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定心電信號(hào)，便于實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

4.1 電源高斯噪聲測(cè)試

4.1.1 測(cè)試步驟

（1）將心率信號(hào)模擬發(fā)生器設(shè)置在1mV@60Hz；

（2）利用開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行供電，并記錄測(cè)試結(jié)果；

（3）利用電池進(jìn)行供電，并記錄測(cè)試結(jié)果。

4.1.2 開(kāi)關(guān)電源和電池測(cè)試結(jié)果及分析

心率測(cè)試系統(tǒng)在電源供電的情況下測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，心電信號(hào)的電壓紋波為1.4 mV；心率測(cè)試系統(tǒng)在電池供電的情況下測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，心電信號(hào)的電壓紋波為0.1 mV；可以得到在電池供電的情況下電壓紋波明顯小于普通電源的測(cè)試結(jié)果。

圖7 電源供電測(cè)試波形

圖8 電池供電測(cè)試波形

電壓紋波會(huì)對(duì)病情判斷造成影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要降低噪聲干擾。在圖7 的測(cè)試結(jié)果中，由于電壓紋波小，心電信號(hào)R 值（最大值）在不同周期內(nèi)電壓大小比較平穩(wěn)；而在圖8 中的心電信號(hào)R 值在不同周期電壓大小存在波動(dòng)，這種波動(dòng)現(xiàn)象是由電源噪聲造成的，所以在實(shí)際應(yīng)用中如果不降低電源噪聲就會(huì)有誤判（如心顫測(cè)試）。

4.2 心率測(cè)試的精度測(cè)試

4.2.1 測(cè)試步驟及結(jié)果

（1）將心率信號(hào)模擬發(fā)生器設(shè)置在1 mV@50 Hz，并記錄測(cè)試結(jié)果，如圖9 所示。

圖9 50Hz 測(cè)試結(jié)果

（2）將心率信號(hào)模擬發(fā)生器設(shè)置在1mV@75Hz，并記錄測(cè)試結(jié)果，如圖10 所示。

圖10 75Hz 測(cè)試結(jié)果

（3）將心率信號(hào)模擬發(fā)生器設(shè)置在1mV@100Hz，并記錄測(cè)試結(jié)果，如圖11 所示。

圖11 100Hz 測(cè)試結(jié)果

4.2.2 測(cè)試結(jié)果分析

由心率的測(cè)試結(jié)果可以得到最大相對(duì)誤差在75 Hz時(shí)為0.5%，精度較高，滿足實(shí)際的應(yīng)用。具體見(jiàn)表1。

表1 心率測(cè)試結(jié)果分析

5 結(jié)語(yǔ)

心率信號(hào)采集系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面通過(guò)采用雙極性采樣技術(shù)，有效降低共模噪聲對(duì)心電信號(hào)的影響，同時(shí)采用低噪聲前置放大技術(shù)，特別是采用獨(dú)立低噪聲電源供電技術(shù)，降低DC-DC 模塊電源噪聲對(duì)心率信號(hào)的影響；在軟件設(shè)計(jì)方面采用過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行相位校準(zhǔn)，降低由相位誤差導(dǎo)致結(jié)果偏差。