随着心电图技术的临床应用和电子技术的发展，心电图作为生物医学测量中一项较成熟、应用较广泛的技术，已逐渐成为一种常规临床检查的手段，并在心脏疾病的诊断、监护以及药效分析等方面发挥着十分重要的作用。目前常用的心电检测电路多为双电源供电，这种方案需要很多的电源器件和较大面积的布局布线，而这些都将增加产品的成本。

　　本文给出的设计采用单电源供电，可以解决上述问题并降低产品成本，同时该设计还在基于arm核的嵌入式系统中采用了简单实用的算法，能快速准确定位qrs复波(即计算人的心率)。该设计面向广大家庭用户而设计，体积较小，只需要一台个人电脑与之连接，便可实时地操作、观测心电信号。

　　心电信号采集系统的基本架构如图1所示。人体的心电信号经电极和专用导联线从人体送至系统。通过滤波和放大调节电路，微弱的心电信号被放大到合适的幅值，并处于a/d转换范围之内。

　　系统的控制和数据的处理由adi公司基于arm7 tdmi核的mcu aduc7020来完成。这款芯片有丰富的片内外围电路，处理速度高达40mips，a/d转换速度可达1msps，具有很高的性价比。最后将结果由 aduc7020通过uart口送至计算机，由计算机通过由labview编写的界面将结果直观地显示出来或存储下来。图2是基本的硬件电路图。

图1：心电信号采集系统的基本架构。

　　从人体或是心电信号发生器上采集到的心电信号幅值在0.05～5mv之间(一般为2mv)，频率在0.05hz～75hz之间。心电信号要经过缓冲、匹配电阻网络、电压放大和滤波等几级电路。

　　心电信号首先经过一个两级的rc低通滤波电路，进入缓冲级。信号进入系统之前，需要除去高频分量，因此这里设计了一个截止频率为300hz的低通滤波器，以保证0.05～75hz的微弱心电信号不会被衰减。缓冲级由电压跟随器组成，它可以提高整个放大电路的输入阻抗，降低输出阻抗。为保证差分信号的一致性，应选用集成在芯片上的放大器。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络获得威尔逊电中心端作为整个ecg系统的参考点。

　　滤波放大电路的前级采用负反馈差分放大电路，这里使用adi公司可调增益高共模抑制比的仪表放大器ad8221作为前级放大器。放大倍数设为8倍，由公式g=49.4kω/r_g+1计算得到，其中r_g是ad8221两个rg管脚之间的电阻值。

图2：基本的硬件电路。

　　这个电阻应当选用高精度、低温漂的金属膜电阻，以保证ad8221的低噪声性能。ad8221的ref管脚没有接地，而是和一个低通滤波器构成负反馈回路，以便能有效地滤除直流分量，从而使u1处的电压始终箝位在1.25v。因为是单电源供电，而不同导联的心电信号电压有正有负，所以一定要提供一个合适的箝位电压。aduc7020的ad转换模式下电压输入范围是0-2.5v，这里就选择中间值1.25v作为箝位电压。

　　ad8221输出的单端信号幅值非常小，其中还混有大量干扰，无法进行数据处理。后级滤波放大电路由一个增益较大的有源低通组成，增益可调。不同人的心电信号强弱不一样，考虑到有衰减，一般将该增益设为150倍。系统的传递函数为：

　　这两个低通滤波器都要求具有低电压偏移、低温漂和低噪声特性，adi公司的轨到轨输入输出双运放ad8607能够很好地满足这些要求。由于第二级放大器是反相端输入，所以最后得到的信号是反相的，这可以在软件中再作处理。

　　从保护病人和提高系统的共模抑制比两方面考虑，必须将共模信号反相并放大后，再反馈给人体，这样系统和人体就共同构成了一个电压并联负反馈网络，即通常所说的右腿驱动电路。由aduc7020对处理后的心电信号进行ad转换，选择定时器控制的adc采样模式。一次a/d转换结束，触发adc中断，在中断服务程序中对数字信号进行处理。

图3：数据处理的基本步骤。

　　处理心电数字信号的关键是对心电信号中qrs复波的精确识别。正常人的qrs波群的宽度为0.06至0.10秒，且不受心律变化的影响。针对r波很尖锐的特点，我们通过一个滑动时间窗判断信