采用MSP430设计的12位心电(ECG)放大器

级电路都是在零偏置条件下工作，因此输出信号幅值有正有负。而进入ADC的信号必须是单端的，因此需要用加法器将双端的信号位移使之成为单端信号。
　　
　　经过放大、滤波、位移之后的信号输入MSP430F133的A0-A2端进行数模转换。转换采用MSP430的顺序转换模式，采样频率可以用时钟中断来进行控制。若需要100Hz的有用信号，则应选择采样率为200Hz。
　　
　　下图是实际测量得到的心电图信号：
　　
　　
　　
　　从上图可以看出，心电信号清晰稳定，完全可以满足临床监护以及病理分析的要求。
　　
　　在上述电路中，想要获得清晰稳定的心电信号，滤波器的设计很关键，特别是50Hz的带阻滤波器尤其重要。带阻滤波器的电路比较复杂，特性受外围组容元件影响较大，因此采用模拟设计往往不太容易获得很好的特性。并且由于使用环境的差异，例如我国市电是50Hz而许多国家是60Hz，因此导致产品的通用性差。如果能够采用数字滤波器，不仅稳定性的问题可以迎刃而解，并且对于不同的使用环境只需要对软件进行修改就可以了，这可以降低硬件设计复杂程度和成本，还能够提高产品的通用性。
　　
　　MSP430F14X系列单片机，内置了16bit乘法器，因此具备了一定的DSP功能，可以用来进行数字滤波等运算密集型的应用。我们利用MSP430F147设计了一种单导联的心电放大器，取得了很好的效果。
　　
　　这种ECG放大器的前极放大电路跟前面所述的三导联放大器电路类似，都由缓冲器，电阻网络，差分放大以及主放大级等。两级放大均采用低通网络进行了低通滤波，截止频率选择在80Hz。不同的是，这个电路中省去了50Hz带阻滤波器，这使得电路中组容元件的数量减少了40％，并且获得了模拟滤波器所无法比拟的优良特性。
　　该电路中ADC采样频率为200Hz。采用四阶切比雪夫滤波器，通带选择在45-55Hz之间，可以得到传递函数为：
　　
　　
　　
　　对应差分方程为：
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　上述传递函数的幅频和相频特性如下图所示：
　　
　　
　　
　　由于MSP430F147只能进行定点运算，所以在处理上述查分方程时，必须将其变换为整数运算。将各部分系数均乘以4096，取整数部分，运算得到的结果再采用右位移12位的方法得到最终结果，运算代码如下：
　　
　　y[k]=(3318*x[k]+6636*x[k-2]+3318*x[k-4]
　　
　　6913*y[k-2]–3049*y[k-4])>>12
　　
　　其中的乘法运算要采用MSP430的硬件乘法器来实现才能保证运算速度。
　　
　　
　　在系统时钟为8MHz，采样频率为200Hz条件下，该数字滤波器所得到的结果如下：
　　
　　
　　
　　图四数字滤波器的性能
　　
　　
　　
　　图四中下半部分是人为加入强烈的50Hz干扰后的心电图。上半部分是经过MSP430F147进行数字滤波后的心电图，可以看出，滤波的效果非常理想，完全可以达到临床实用的要求。图5是处理前和处理后的频谱，可以看出，信号在50Hz的地方被很好地抑止了。
　　
　　唯一让人觉得美中不足的是，MSP430F147的处理能力只能够实时处理单导联的ECG信

《采用MSP430设计的12位心电(ECG)放大器(第2页)》