基于USB数据采集便携式心电监护仪的设计

    市面上的心电监护仪基本上不是基于个人计算机开发的，存在体积大，价格贵，需要外接电源或电池供电等不足。本文的目的是设计一种基于USB 数据传输的便携式家用心电监护仪^［1］。实现心电传感器前端电路集约化，解决生物微弱信号易受干扰，不易放大，采集困难等问题，通过USB 接口连接个人计算机，并配合简单实用的上位机软件，进行相应的数字信号处理，存储和回显心电波形，同步显示心率。

    1 心电传感器前端的设计

   心脏壁的收缩所引起的动作电势将电流由心脏传播至整个人体，其所传播的电流在人体的不同部位产生不同的电势，可以使用金属或盐类制成的生物传感器，通过 电极在皮肤表层感应得到。该电势属于交流信号，带宽0．05Hz 到 100Hz，峰峰值通常为1mv，存在幅度较大的外部高频噪声 ，并夹杂着 50 ／ 60Hz的工频干扰以及共模电压^［2］（共模到所有的电极）。心电传感器前端的电路图，如图1 所示。

    这里采用ADI 公司的 AD620 仪表放大器的推荐典型电路来完成输入信号的缓冲。 由于人体的输入阻抗较高，信号微弱，所以需要一款高输入阻抗， 低噪声的仪表放大器来减少输入信号的衰减。 为了更好地抑制工频干扰，采用放大器将该共模电压通过患者的右腿驱送回被测者体内^［3］。 在此仅需几微安的电流即可实现显著的共模抑制的改善。

    二阶压控电压源高通滤波器的传递函数：

    其中ω_n＝1 ／ （RC）为特征角频率 ，而 Q 为等效品质因数 ，在高通滤波器电路中C 的取值为 0．47μF，R 的取值为 150kΩ，则其特征角频率为0．03Hz， 在低通滤波器的电路中 C 的取值为0．47μF，R 的取值为 20kΩ，则其特征角频率为 100Hz，双 T 带阻滤波器的电路中R 的取值为 6．8kΩ，C 的取值为 0．47μF，则其特征角频率为约49．6Hz。

    如图2 所示，模拟前端输出的心电图波形清晰 ，但 QRS 特征点^［4］不够清晰可见，需要进行数字信号处理。进过 AD 采样，数字滤波，小波分析，使得特征点明显可见，波形更加完整、平滑。

    2 USB 数据采集及波形的实时显示

    USB 设备芯片很多， 我们采用 Cypress 公司 CY7C68013芯片^［5］。 Windows操作系统下，心电数据必须先与 WDM 驱动程序交换数据， 而驱动程序则完成和计算机硬件资源的数据交换和通信。 所以 USB 数据采集模块在最小系统下首先要实现WDM 驱动程序的设计。 其次是设计主机程序。 图 3 和图 4 分别是WDM 驱动程序组成图和主机程序流程图。