eda課程設(shè)計(jì)--心電圖顯示

1、<p><b>　　信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院</b></p><p><b>　　EDA課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　摘要：針對(duì)心電信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行心電信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)與開發(fā)。設(shè)計(jì)一種用于心電信號(hào)采集的電路，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，使得心電信號(hào)的頻率達(dá)到采樣要求。人體的心電信號(hào)是一種低頻率的微弱信號(hào)，由于心電信號(hào)直接取自人

2、體，所以在心電采集的過(guò)程中不可避免會(huì)混入各種干擾信號(hào)。為獲得含有較小噪聲的心電信號(hào)，需要對(duì)采集到的心電信號(hào)做降噪處理。目前對(duì)心電信號(hào)的降噪有多種方法，本文主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號(hào)中分離。</p><p>　　關(guān)鍵詞：心電信號(hào)采集，降噪，A/D轉(zhuǎn)換放大，電源電路</p><p><b>　　總體設(shè)計(jì)思路：</b></p><p>　　心電

3、信號(hào)是一種典型的人體生理信號(hào)，具有生物電信號(hào)的普遍特征，如幅度小、頻率低并且易受外界環(huán)境干擾，為采集和測(cè)量帶來(lái)了難度。由于本系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以對(duì)處理器的數(shù)據(jù)處理能力和速度也有很高的要求。如果選用處理速度很快的處理器，則相應(yīng)的外設(shè)也要有與之相適應(yīng)的性能指標(biāo)[16]。綜合各個(gè)方面因素，電路設(shè)計(jì)要求：</p><p>　　(1)對(duì)微弱的心電心電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等必要的信號(hào)調(diào)理</p>&l

4、t;p>　　a)設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)，選擇合適的傳感器。</p><p>　　b)設(shè)計(jì)合理的有源濾波器，能夠進(jìn)行0．05-100Hz的帶通濾波，50Hz陷波。</p><p>　　c)實(shí)現(xiàn)1000倍的信號(hào)放大。</p><p>　　d)實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓抬高。</p><p>　　(2)進(jìn)行符合要求的A／D轉(zhuǎn)換</p><p

5、>　　根據(jù)采樣定理，采樣頻率要是心電頻率的2倍以上，所以A/D的采樣頻率至少要達(dá)到200Hz以上。</p><p><b>　　(3)設(shè)計(jì)電源電路</b></p><p>　　1.1心電信號(hào)采集電路</p><p><b>　　圖1系統(tǒng)流程圖</b></p><p><b>　　1.

6、2前置放大級(jí)</b></p><p>　　由于心電信號(hào)是微弱信號(hào)，所以設(shè)置前置放大器用來(lái)放大心電信號(hào)；為了抑制基線漂移，設(shè)置了0.5Hz高通濾波；由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，設(shè)置了二階低通巴特沃斯濾波器，消除100 Hz以上的高頻成分；為了消除50 Hz工頻干擾，設(shè)置50 Hz雙T陷波電路；為了心電信號(hào)不失真，設(shè)計(jì)了電平抬升電路；最后設(shè)置了A/D轉(zhuǎn)換電路，使信號(hào)頻率達(dá)到采樣要求[17]。</p&g

7、t;<p>　　本系統(tǒng)選用的前置放大器是AD620A，具有很好的性能，非常適合作為心電信號(hào)測(cè)量前置放大器，引腳分布如圖3.2其具體規(guī)格特性如下：</p><p>　　(1)電源供應(yīng)范圍：±2.3V-±18V；</p><p>　　(2)高精度：輸人最大偏置電流：1mA；輸人最大失調(diào)電流：O．5nA；輸入最大失調(diào)電壓：50μV；最大溫度漂移：O．6μV／℃；

8、輸入阻抗：10GΩ。</p><p>　　(3)低雜訊：輸入電壓噪聲(f=1K Hz)：9nV／：共模抑制比(增益G=10)：100dB。AD620的增益可調(diào)，范圍為1～1000倍，通過(guò)調(diào)節(jié)AD620A的1和8腿之間的Rg的值來(lái)實(shí)現(xiàn)：</p><p>　　圖2 AD620引腳分布圖</p><p>　　本電路所用的集成放大電路為OP07。引腳分布如圖3.3。OP07

9、芯片是一種低噪聲的單運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為75μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。其主要規(guī)格參數(shù)有：電源供應(yīng)范圍：3V-18V；輸入最大失調(diào)電壓：75

10、μV；最大溫度漂移：1.3μV /℃。</p><p>　　圖3 OP07引腳圖</p><p><b>　　圖4硬件電路圖</b></p><p>　　1.3高通濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　高通濾波器(消除基線漂移)在電路部分加上簡(jiǎn)單的高通濾波環(huán)節(jié)，對(duì)隔斷直流通路和消除基線漂移將會(huì)起到事半功倍的效果，本部分電

11、路置于預(yù)放大與信號(hào)放大電路之間，一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源高通濾波電路,具體電路如下圖所示：</p><p><b>　　圖5：高通濾波器</b></p><p>　　其特征頻率(轉(zhuǎn)折頻率)計(jì)算為：</p><p>　　經(jīng)過(guò)高通濾波后，可以大大削弱0．03 Hz以下因呼吸等引起的基線漂移程度，心電信號(hào)低頻端也就相應(yīng)地取該頻率。</p><

12、;p>　　1.4低通濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　心電信號(hào)頻率主要集中在低頻段（0.05Hz—100Hz），在此頻以外還存在著很多對(duì)心電信號(hào)造成干擾的信號(hào)。高通濾波已在上面實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在只要做好低通部分就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波。這里我們用運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的四階有源濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)截止頻率設(shè)為100Hz的低通濾波器。電路圖如下：</p><p>　　圖6：截止頻率為100Hz的低通濾波器</p>

13、;<p><b>　　1.5放大電路</b></p><p>　　心電信號(hào)雖然通過(guò)前級(jí)電路放大，但電壓幅度還不適合進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此在A/D轉(zhuǎn)換之前，還要對(duì)心電信號(hào)進(jìn)一步放大，使其滿足A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的電器要求（輸入電壓為0-5V）。</p><p><b>　　圖7前置放大電路</b></p><

14、p><b>　　1.6 A/D轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件組成，電路圖如下：</p><p>　　圖8：8位AD轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　液晶顯示</b></p><p>　　libra

15、ry IEEE;</p><p>　　use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;</p><p>　　use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;</p><p>　　use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p><p>　　entity ctrl is</p><p

16、>　　Port (sysclk : in std_logic;</p><p>　　reset : in std_logic;</p><p>　　ad: out std_logic_vector(9 downto 0); --10位地址輸出</p><p>　　A0: out std_logic; --設(shè)置控制命令

17、與數(shù)據(jù)</p><p>　　CS1:out std_logic; --片選信號(hào)SED1502(1)</p><p>　　CS2:out std_logic); --片選信號(hào)SED1502(2) </p><p><b>　

18、　end ctrl;</b></p><p>　　architecture Behavioral of ctrl is</p><p>　　signal divcnt : std_logic_vector(11 downto 0); --系統(tǒng)計(jì)數(shù)</p><p>　　signal data : std_logic_vector(9 downto 0);

19、 --地址輸出</p><p>　　signal clk1,clk2,a01,cs11,cs21,flag,csflag : std_logic;</p><p><b>　　begin</b></p><p>　　process(sysclk,reset) --初始計(jì)數(shù)</p><p><b>　　

20、begin</b></p><p>　　if reset='0' then</p><p>　　divcnt <= (others=>'0');</p><p>　　flag<='1';</p><p>　　elsif sysclk'event and sy

21、sclk='1' then</p><p>　　if divcnt="100000010011" then --10#2067#;</p><p>　　flag<='0';</p><p>　　divcnt<="000000000000";</p><p&g

22、t;<b>　　else</b></p><p>　　divcnt <= divcnt + 1;</p><p><b>　　end if;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p>&

23、lt;p>　　data<=divcnt(11 downto 2);--最高10位為地址</p><p>　　clk1<=divcnt(0) and flag; </p><p>　　clk2<=divcnt(1) and flag;</p><p>　　process(clk1,clk2)</p><p><b&

24、gt;　　begin</b></p><p>　　if clk1'event and clk1='1' then</p><p>　　if clk2='0' then</p><p>　　csflag<='1';</p><p><b>　　else</

25、b></p><p>　　csflag<='0'; </p><p>　　end if; </p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p><p>　　process(clk2)</

26、p><p><b>　　begin</b></p><p>　　if clk2'event and clk2='1' then</p><p>　　case conv_integer(data) is</p><p>　　when 0|2|4|6|8|10|12|13|138|139|264|265

27、|390|391=>A01<='0';cs11<='0';cs21<='1'; </p><p>　　when 1|3|5|7|9|11|75|76|201|202|327|328|453|454=>A01<='0';cs11<='1';cs21<='

28、;0';</p><p>　　when 14 to 74=>A01<='1';cs11<='0';cs21<='1';</p><p>　　when 140 to 200=>A01<='1';cs11<='0';cs21<='1';&l

29、t;/p><p>　　when 266 to 326=>A01<='1';cs11<='0';cs21<='1';</p><p>　　when 392 to 452=>A01<='1';cs11<='0';cs21<='1';</p>

30、<p>　　when 77 to 137=>A01<='1';cs11<='1';cs21<='0';</p><p>　　when 203 to 263=>A01<='1';cs11<='1';cs21<='0';</p><p&g

31、t;　　when 329 to 389=>A01<='1';cs11<='1';cs21<='0';</p><p>　　when 455 to 515=>A01<='1';cs11<='1';cs21<='0'; </p><p>　　wh

32、en others=>A01<='0';cs11<='1';cs21<='1';</p><p><b>　　end case;</b></p><p><b>　　end if;</b></p><p>　　end process;</p&g

33、t;<p><b>　　a0<=a01;</b></p><p>　　cs1<=cs11 or csflag;</p><p>　　cs2<=cs21 or csflag;</p><p><b>　　ad<=data;</b></p><p>　　end Be

34、havioral;</p><p><b>　　圖9原理圖</b></p><p><b>　　四、課程設(shè)計(jì)總結(jié)：</b></p><p>　　通過(guò)這次對(duì)心電圖顯示的設(shè)計(jì)制作，讓我了解了EDA設(shè)計(jì)的基本步驟，也讓我了解了關(guān)于心電圖顯示的原理與設(shè)計(jì)理念。</p><p>　　本課題的目標(biāo)是通過(guò)濾波的方

35、法對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行提取采集，可應(yīng)用于便攜式心電機(jī)。經(jīng)過(guò)翻閱大量的文獻(xiàn)書籍后，我對(duì)目前通用的心電采集方法有了較為深刻的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)努力，初步完成了硬件的設(shè)計(jì)。</p><p>　　在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在老師的辛勤指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時(shí)，我學(xué)得到很多實(shí)用的知識(shí)?？傮w來(lái)說(shuō),這次設(shè)計(jì)我受益匪淺.使我對(duì)相關(guān)軟件的運(yùn)用更加熟練。在摸索該如何設(shè)計(jì)程序使之實(shí)現(xiàn)所需功能的過(guò)程中,培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維,增加了實(shí)際操作能力.在讓

36、我體會(huì)到了設(shè)計(jì)的艱辛的同時(shí),更讓我體會(huì)到成功的喜悅和快樂(lè).。這次EDA課程設(shè)計(jì),雖然短暫但是讓我得到多方面的提高：</p><p>　　1、提高了我們的邏輯思維能力，使我們?cè)诔绦虻母膶懞瓦\(yùn)用上有了很大的進(jìn)步。加深了我們對(duì)Verilog 硬件語(yǔ)言的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步增進(jìn)了對(duì)一些常見器件的了解。另外，我們還更加充分的認(rèn)識(shí)到，EDA這門課程在科學(xué)發(fā)展中的至關(guān)重要性。</p><p>　　2、查閱參考書

37、的獨(dú)立思考的能力以及培養(yǎng)非常重要，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，遇到很多不理解的東西，有的我們通過(guò)查閱參考書弄明白，有的通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查到，但由于時(shí)間和資料有限我們更多的還是獨(dú)立思考。</p><p>　　3、相互討論共同研究也是很重要的，經(jīng)常出現(xiàn)一些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)和同組同學(xué)討論和資料的查詢最終得到了解決。鍛煉了我們的團(tuán)隊(duì)合作精神及分工合作的能力。從老師把課程設(shè)計(jì)的題目給我們之后，我們就開始著手分工以及查閱資料。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們

38、按照老師給出的總體方案設(shè)計(jì)了一套電路原理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，了解了很多元器件的功能，并且對(duì)于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　當(dāng)然這畢竟第一次做，難免會(huì)遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)也在設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)，才能夠真正掌握理論知識(shí)

39、，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力以及團(tuán)隊(duì)合作精神。在實(shí)驗(yàn)時(shí)要能沉得住心，靜下來(lái)仔細(xì)思考，多向老師和同學(xué)請(qǐng)教。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 張開滋，劉海樣，吳杰．心電信息學(xué)．北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1998．4</p><p>　　[2] 張亦華 數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)與EDA工具 北京

40、郵電出版社[M]，2003</p><p>　　[3] 喬廬峰VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)教程 [M] 電子工業(yè)出版社，2005.9</p><p>　　[4] 楊剛 現(xiàn)代電子技術(shù)-VHDL與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] 電子工業(yè)出版社，2004.4</p><p>　　[5] 張石 王軍輝 張帷 董建威 用于遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)儀的心電信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì) 沈陽(yáng)：東北大學(xué) 2007<