ECG系统说明书.doc

ECG 说明书
一．ECG系统概述
ECG系统是提供在嵌入式系统下采集心电信号数据的专用系统。ECG系统将信号发生器感应的数据通过导联线传递到系统中，因此整个ECG系统会被集成一个整体。
二．ECG系统整体框架

2440主板

ECG
系
统
软
件

心
电
采
集
模 块

信
号
发
生
器

导联线 串口

三．ECG系统具体介绍
1.信号发生器
本信号发生器产生的波形是正常的心电波形，信号发生器上有四个按键依次是选择键，增长键，减少键，确认键；信号发生器上电后自动产生波形1的正常心电波形。信号发生器上的LED显示管若是在5秒内没有操作按键时会自动关闭显示节省电源，按任意按键则触发再次显示。信号发生器上有四个按键，依次是选择键，增长键，减少键，确认键。其中选择键是用来选择要改变的参数，共有4个LED管来显示4个代码，分别代表显示的内容，1代表波形代码，2-4代表要更改的参数（2是数值的百位，3代表十位，4代表个位）LED管右下脚的亮点，表达现在选择的内容；可以进行更改。增长键是当使用选择键选择好更改内容后，使用此键进行参数更改。减小键是当使用选择键选择好更改内容后，使用此键进行参数更改。确认键是当参数更改完毕后，此键确认后将确认参数的更改，并产生相应的波形。信号发生器如下图所示:

2.导联线
导联线是用来将信号发生器产生的数据传送到主板上，由于心电噪声背景比较强,测量条件比较复杂，因此选择导联线的精度规定较高。导联线如下图所示:

3.心电采集模块
采样模块是专门为采样心电图而设计的，它有八个差分信号输入通道，由于模拟输入端具有高达100M的输入阻抗，所以它可以直接连接高阻信号源，模块以串行方式输出采样的数据。
具体实际参数设立可参见附录。
4.ECG系统软件
4.1硬件环境
运营环境: 2440开发板(接入电源是12伏)
运营操作系统: wince5.0
存储位置: 2G SD卡
4.2 软件编程环境
Visual Studio 2023 专业版
4.3 软件编程语言
VC++
4.4 ECG系统软件简朴介绍

其中”Type”下拉列表中是有12组心电图的波形相应的名称，分别是I,II,III,avR,avL,avF,V1,V2,V3,V4,V5,V6,您在测量显示波形时必须要选择您想看到的波形的名称。
”Mode”下拉列表中显示了心电图在Wilson这个模式下相应的波形，您也必须要选择该模式，否则系统会跳出提醒框提醒您进行选择。
”Start”按钮则是开始进行心电图的数据采集以及波形图显示。
”Stop”按钮则是停止数据采集和波形图的显示。
4.5 ECG系统软件说明
ECG系统软件提供了在2440开发板可以进行心电图数据采集，波形图显示数据的一种通道。用户可以参考，使用该系统可以进行二次开发。

附录
心电采集模块手册
一．模块简介
AIKD812-256心电图采样模块是专门为采样心电图而设计的产品，它有八个差分信号输入通道，由于模拟输入端具有高达100M的输入阻抗，所以它可以直接连接高阻信号源，模块以串行方式输出采样的数据。他是使用精密运算放大器、24位模数转换器和高速解决器，配合有效的数字滤波器算法，使得本产品非常容易在强噪声背景、高输出阻抗环境下获取微小的心电图信号。且整个电路被封装在1.5×1.5×0.381英寸的模块内。

二．性能
l 同步12导联采样
l 单5V电源供电
l 信号地：浮地，等效于右腿启动之直流电平
l 模拟通道：8通道
l 模拟输入：差分输入
l 共模驱动：提取共模信号，反向驱动
l 高共模克制比：110dB（典型值）
l 高输入阻抗：100 MΩ（典型值）
l 低等效输入噪声：15uV（最大值）
l 采样频率：2400点/通道
l 数据输出：500点/通道或1000点/通道
l 输出数据：12位
l 差分输入范围：±8mV
l 输出方式：串行接口，8位数据位，1为停止位，非校验
l 内置数字滤波：
工频滤波器：关闭或陷波频率50、60Hz可选
高通滤波器：时间常数0.3、0.5、0.8、1.6、3.3s可选
低通滤波器：截止频率26、36、45、54、60、77、150Hz可选

三．应用
l 心电图机/工作站
l 脑电图机/工作站
l 高阻的小信号的直接采样（例如：其它生物体信号）
四. 引脚定义
引脚的顺序跟普通的IC类似，顶面的点状标志相应下方的引脚为1号引脚。
引脚
名称
含义
引脚
名称
含义
1
XRF
右腿驱动
15
+5V
电源，必须是+5V
2
SH
导联线屏蔽驱动
16
+5V
电源，必须是+5V
3
XC6
连接C6电极（胸电极）
17
DGND
数字地
4
XC1
连接C1电极（胸电极）
18
RXD
串口接受端
5
XC5
连接C5电极（胸电极）
19
TXD
串口发送端
6
XLF
连接LF电极（左腿）
20
NC
必须悬空，不做任何连接
7
XC4
连接C4电极（胸电极）
21
NC
必须悬空，不做任何连接
8
XLA
连接LA电极（左手）
22
SEL
必须接10K电阻上拉到电源
9
XC3
连接C3电极（胸电极）
23
NC
必须悬空，不做任何连接
10
XC2
连接C2电极（胸电极）
24
NC
必须悬空，不做任何连接
11
XRA
连接RA电极（右手）
25
NC
必须悬空，不做任何连接
12
SH
导联线屏蔽驱动
26
NC
必须悬空，不做任何连接
13
AGND
模拟地
27
NC
必须悬空，不做任何连接
14
AGND
模拟地
28
NC
必须悬空，不做任何连接

五. 参数
心电图采样模块的供电应当在下表范围内，否则也许引起永久性损坏。除非此外说明，下列参数的测试条件为：常温、+5V供电、屏蔽驱动和右腿驱动均使用。
参数
条件
最小 典型 最大
单位
模拟通道

8

采样频率
每个通道
2400
Dot
数据输出速率
每个通道、不同导联体系
500/1000
Dot
数据输出位数
每个通道
12
Bit
模拟输入范围
每个通道
-8 +8
mV
频带宽度
每个通道
150
Hz
输入阻抗
DC
100
MΩ
共模克制比

110
dB
输入噪声

15
uV
工频滤波器凹口频率增益
凹口频率50（缺省）、60可选
-20
dB
低频滤波器
时间常数
0.3、0.5、0.8、1.6、3.3（缺省）可选

高频滤波器
截止频率
26、36、45、54、60、77、150（缺省）可选

电源电压

4.85 5 5.15
V
电源电流

57
mA

工频数字滤波器在50Hz和高频数字滤波器滤波器在截止频率45Hz下的模拟结果如下图所示，低频滤波器的测试方法符合GB1139的规定，在此不反复叙述。

50Hz下的工频数字滤波器 ft=45Hz时候的高频数字滤波器滤波器

可以看出：工频数字滤波器在凹口频率点的衰减接近∞，在强工频干扰下，对噪声信号有很好的克制作用，下图说明了实际心电图的滤波效果，其中上图为带有工频干扰的心电图波形，下图为滤波后的波形。

六. 接口电路
心电图采样模块的输入端可以直接接人体，但是心电图机标准规定心电图机能防除颤，所以在模块输入端应当加放电元件，避免去颤信号损坏心电图机。
心电图采样模块以UART串行方式输出数据，3.3V的TTL电平输出，数据格式为8位数据位，1为停止位，非校验，采用115200的波特率。
物理上，心电图采样模块可以和解决器直接对接以采样心电图信号，但是心电图机标准有安全规定，需要在供电和数据链路上进行电气隔离。在UART接口上的隔离是一种最方便便宜的方式。
如下图所示。

七. 命令描述
主机向心电模块的命令共20字节，不需要的附加字节用填充0。
AIKD（0x41，0x49，0x4b，0x44）＋ 命令（1） ＋ 附加字节（14）＋ 校验和（1）
（0） （1） （2） （3） （4） （5－18） （19）

命令分类
命令字节
命令描述
波形数据传输命令
（送数命令发出后，模块开始连续送数据）
0X15
第一附加字节决定传输开关
0＝停止送数（上电缺省）
1＝按照Wilson导联体系开始送数
2＝按照Frank导联体系开始送数
滤波器控制
（控制方法见下面说明）
0X25
第一附加字节：工频滤波
0＝关，12＝50Hz，10＝60Hz，缺省＝12
第二附加字节：基漂滤波
0＝3.3s，时间常数控制，缺省＝1
第三附加字节：肌电滤波
0＝150Hz，截至频率控制，缺省＝0
起搏检测导联
（对带起搏检测的模块有效）
0X26
第一附加字节：导联编号
0－7表达II、III、C1－C6导联
复位命令
（此命令让波形快速复位）
0X35
不使用附加字节
握手命令
（用此命令辨认模块）
0X45
不使用附加字节
模块应答15字节

注意：校验和不对的命令将被忽略。

八. 滤波器控制
相应“命令描述”中的附加字节，对滤波器的控制采用如下方法：

数字滤波器
控制方法
缺省
工频滤波器
第一附加字节
0
12
10
12
凹口频率（Hz）
关闭
50Hz
60Hz

低频滤波器
第二附加字节
1
2
4
6
10
1
时间常数（s）
3.3
1.6
0.8
0.5
0.3

高频滤波器
第三附加字节
0
7
9
10
12
15
21
0
截止频率（Hz）
150
77
60
54
45
36
26

九. 数据格式
当发出波形数据传输命令后，模块连续上传采样的数据，每2ms发送一个数据包，每包16字节。
假如模块采用Wilson体系送数，数据包内涉及II、III、V1-V6导联的数据，由上位机计算I、avR、avL和avF的数据，计算方法见后面的说明。
假如模块采用Frank导联体系送数，数据包内涉及前后两个点的X、Y、Z波形值，X1、Y1、Z1在前，X2、Y2、Z2在后，因此在此方式下，采样点是1000dot/s
下表叙述了数据包的组成和含义。

心电模块向主机的数据帧由16个字节组成（Wilson导联）

高2位
低6位
第0字节
1
SEL
II高字节
第1字节
0
D1
II低字节
第2字节
0
D2
III高字节
第3字节
0
D3
III低字节
第4字节
0
D4
C1高字节
第5字节
0
D5
C1低字节
第6字节
0
D6
C2高字节
第7字节
0
D7
C2低字节
第8字节
0
D8
C3高字节
第9字节
0
D9
C3低字节
第10字节
0
D10
C4高字节
第11字节
0
D11
C4低字节
第12字节
0
D12
C5高字节
第13字节
0
D13
C5低字节
第14字节
0
D14
C6高字节
第15字节
0
D15
C6低字节

心电模块向主机的数据帧由16个字节组成（Frank导联）

高2位
低6位
第0字节
1
SEL
X1高字节
第1字节
0
D1
X1低字节
第2字节
0
D2
Y1高字节
第3字节
0
D3
Y1低字节
第4字节
0
D4
Z1高字节
第5字节
0
D5
Z1低字节
第6字节
0
D6
X2高字节
第7字节
0
D7
X2低字节
第8字节
0
D8
Y2高字节
第9字节
0
D9
Y2低字节
第10字节
0
D10
Z2高字节
第11字节
0
D11
Z2低字节
第12字节
0
D12
0
第13字节
0
D13
0
第14字节
0
D14
0
第15字节
0
D15
0

状态位的定义：（SEL决定了其它位的定义）
数据位
SEL=0 数据位表达的内容
SEL=1 数据位表达的内容
D1
RA (0＝正常，1＝脱落）
工频滤波器[D2…D1]
0＝关闭，1＝50Hz，2＝60Hz
D2
LA (0＝正常，1＝脱落）
D3
RF (0＝正常，1＝脱落）
基漂滤波器[D5…D3]
0 1 2 3 4
3.3 1.6 0.8 0.5 0.3 (秒)
D4
LF (0＝正常，1＝脱落）
D5
C1 (0＝正常，1＝脱落）
D6
C2 (0＝正常，1＝脱落）
肌电滤波器[D8…D6]
0 1 2 3 4 5 6
关 26 36 45 54 60 77 (Hz)
D7
C3 (0＝正常，1＝脱落）
D8
C4 (0＝正常，1＝脱落）
D9
C5 (0＝正常，1＝脱落）
起搏检测导联[D11…D9]
0 1 2 3 4 5 6 7
II III V1 V2 V3 V4 V5 V6
D10
C6 (0＝正常，1＝脱落）
D11
导联体系 (0=Wilson，1=Frank)
D12
基线复位 (0=正常，1=复位)
备用
D13
起搏信号 (0=无起搏，1=有起搏)
备用
D14
备用
备用
D15
备用
备用

Wilson导联体系下其它导联的计算方法
I = II - III
II = 数据包中的II导联值 - 2048
III = 数据包中的III导联值 - 2048
avR = III/2 - II
avL = II/2 - III
avF = (II+III)/2
V1 = 数据包中的C1导联值 - 2048
V2 = 数据包中的C2导联值 - 2048
V3 = 数据包中的C3导联值 - 2048
V4 = 数据包中的C4导联值 - 2048
V5 = 数据包中的C5导联值 - 2048
V6 = 数据包中的C6导联值 - 2048

十. 注意事项

1、 屏蔽
心电图采样模块的输入阻抗很高，容易受到噪声的干扰，因此应当把输入回路尽也许屏蔽，涉及模块外面裸露的小信号部分，否则噪声将窜入信号输入模块，使得波形带有较多的噪声。
屏蔽层接模块提供的屏蔽驱动信号，这样可以得到最佳效果。

2、 电源
心电图采样模块内含精密放大器和高精度AD变换器，虽然在电路设计的时候，考虑了对电源的滤波，并且采用对电源噪声不敏感的电路结构，可对电源仍然有较高的规定，请注意以下几点：
l 电源应当有足够的驱动能力，并且有尽也许小的纹波
l 根据电源噪声的特点，选择适合的电源滤波器，例如使用电源的有高频器件，应当使用高频磁珠，有大电流器件时，应当使用较大的滤波电容或有源滤波电路等

3、 关于除颤
建议防除颤电阻置于模块附近，采用10K电阻，电阻的功率至少1W，不主张使用在导联线上集成该电阻，这时放电管放电电压取75V，并且应当有相关的安全认证。
该部分也属于应当屏蔽的区域。

4、 关于隔离
与电网良好的隔离，不仅是安全的需要，对于噪声的克制也很有好处，因此必须认真考虑。
隔离的效果依赖隔离器件和电路板的工艺，最终让电解质强度和漏电流满足GB9706的安全规定，这时模块会处在良好“浮地”工作状态，可以得到光滑的心电图。
电源隔离采用高隔离电压的DCDC，至少应当是4000V，信道隔离一般采用高速数字光耦，例如HCNW136，也可以采用类似AD公司的AduM系列隔离器件，这些器件都有相关的安全认证。