实时心电和气压信号采集系统

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：心电和气压信号实时采集系统武汉东湖学院电子信息工程学院方浩本文设计了一种气压与心电动态采集系统，用于对气压和心电信号进行24小时的同步采集，进而揭示气压变化与心电信号之间的对应关系。心电信号是诊断心血管疾病的主要依据，因此，实时检测病人心电活动和周围的大气压力变化、设计自动采集存储病人心电和环境压力信号的便携式系统具有重要意义。

心电和气压信号实时采集系统

武汉东湖学院电子信息工程学院　方　浩

本文设计了一种气压与心电动态采集系统，用于对气压和心电信号进行24小时的同步采集，进而揭示气压变化与心电信号之间的对应关系。一方面，为满足低功耗的需要，系统选用单片机W78LE516和CPLD相结合构造了控制电路;另一方面，为方便地进行存储容量的扩展，系统采用了读写速度快、功耗低的低电压外部数据存储器CF卡存储信号。鉴于后续研究工作的需要，我们对信号不做任何的压缩处理，以确保信号的保真度。

一、引言

心血管疾病是人类生命的最主要威胁，气象条件对人体生理病理变化以及疾病发生发展都有着重大影响。心电(ECG，electrocardiogram)信号是诊断心血管疾病的主要依据，因此，实时检测病人心电活动和周围的大气压力变化、设计自动采集存储病人心电和环境压力信号的便携式系统具有重要意义。为此，本文设计了一个气压与心电同步的数据采集系统。利用该系统对气压和心电信号进行长时间同步采集，可以直接分析气象要素中的气压要素对人体的心电信号产生的影响，进而较为详细地了解气压和人体健康之间的关系。此方法有别于国内外气象部门根据疾病发生实况资料与气象条件寻找相关关系的思路，使我们能够更加方便地了解人体生理参数与气象因素之间的直接对应关系。

二、系统整体设计方案说明

本设计的采集系统能够完成24小时全信息实时记录与分析。因为心电信号的频率范围为0.05—100HZ，所以系统的采样频率不低于150Hz；另外对于通道的选择，我采用了三导联，这样可以较全面直观地观察信号的变化。

本文的整机结构设计如图1所示，按其组成和用途可大致分为：

（1）基于AD623的输入通道：负责心电信号的采集，放大以及滤波；

（2）单片机W78LE516：为系统的核心，执行AD转换、信号分析和数据存储和转储、显示等任务；

（3）64M容量的CF：满足了24小时心电图和气压值的存储；

（4）CPLD的控制：实现良好的人机接口，用户通过键盘控制程序运行，采集、存储气压与心电信号；

（5）液晶：显示心电图和气压变化信息。

图1　硬件系统框图

三、系统硬件设计

（一）心电采集模块设计

人体心电信号是非常微弱的生理低频电信号，主要频率范围为0.05—100Hz，幅度约为0—4mV。而且心电信号中通常混杂有其他生物电信号，加之体外以50Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。

心电采集模块包括:

(1)前置放大电路，将2个电极的信号进行差分放大，增益为10倍左右，右腿驱动电路去除人体携带的交流共模干扰;

(2)二阶高通滤波电路;

(3)二阶低通滤波电路，将心电频率取在0.05—100 Hz;

(4) 50 Hz陷波电路，去除50 Hz工频干扰

(5)主放大电路，增益为100倍左右，实现总体1000倍左右的增益;

(6)电平抬升电路，将信号调整到A/D转换器的输入范围内。

（二）气压采集模块设计

选用MPX4115A型恒压驱动的桥式硅压阻器件作为气压测量传感器。它具有成本低，性能优越，功耗低，长期稳定性好等优点。被测气压由压力传感器变换为电压信号，经分压进入到A/D转换器的输入范围内。信号输出到单片机，气压采集框图如图2。

由于AD芯片的基准电压是1.3V，最大电流驱动能力为2.5mA。所以，在模拟端我进行了简单的分压用1个10 KW和40W的电阻进行分压。

图2　气压采集模块原理框图

（三）控制模块

1.单片机控制

硬件设计的核心是W78LE516F单片机，它是一种完全集成的混合信号片上系统型MCU。

(https://www.chuimin.cn)

图3　单片机外围引脚图

从单片机的I/O控制口来看，它控制了经过AD转化后的数字信号、三个通道的增益、CPLD的连接，以及通过并口访问静态RAM W24258Q的作用。

2.CPLD的控制

图4　CPLD 外围引脚图

选用CY37032V-3用它来控制按键KEY0 – KEY3（选通道显示，增益调整，开始计时，开关）、点亮LCM屏幕，它的特性具体见参考文献。

四、系统软件设计

系统的软件设计是系统设计的重要组成部分。在软件设计中，本文对记录仪的软件需求按功能进行了严格划分，将每一部分内容形成模块，最后再合成在一起。设计的系统软件总体结构如图5所示。

动态心电与气压记录仪的所有操作均由液晶显示屏幕给出中文菜单提示。开机后系统首先进行预处理，例如设置系统的工作状态、显示主菜单等，通过按键可以进行操作。在初始化模块中，进行基本信息的设置，例如各个定时器、单片机外围期间的配置等。同时还设置系统参数，例如LCM的初始化，预设的增益值等。

数据记录模块完成心电和气压数据采集，心电数据和其他信息被组织成符合FAT16要求的格式存储在大容量CF卡中。这样的记录格式可以使计算机直接读取记录仪中的心电数据文件。

软件采用C语言和汇编语言混合编程。采用C语言编程具有开发周期短、可读性强、可移植性强等优点。而汇编语言编程最大的优点是代码效率高，但不便于维护，开发周期长。混合编程语言以C代码为主体，汇编代码以C语言可以调用的函数或者内联代码的形式出现。应用层的软件主要用C语言实现，而与硬件相关的驱动软件主要由汇编语言来实现。采用混合语言编程可以把C语言的优点和汇编语言的优点有机地结合起来，这是目前嵌入式系统编程中最为流行的编程方法。

图5　软件设计控制模块

五、总结

本文所设计的系统选用WINBOND的W78LE516型单片机作为主控芯片、CF卡作为大容量存储器，功耗低，体积小，可以长时间连续同步记录气压与心电信号并存储所有信息，也可很方便地进行存储容量的扩展。根据所记录的数据，我们可以建立气压与心电信号之间的关联数据，进而探讨气压及其变化趋势对人体心电的具体影响。

按照我们设计的系统，以采样率为 200Hz，每个采样点分辨率为 12 位，在不压缩的情况下，1个采样点占2个字节的空间，那么进行一天的连续记录所需要的空间为:

2×200 (bps)×3600 (s)×24 (h) = 345600 (B) =32.96MB

这样，我们只需一个64MB 的 CF卡，即可满足1天多的记录要求。

图6是根据存储的数据在PC的专用分析软件上的读取结果。

图6　记录的三个通道的心电和气压信号

【参考文献】

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