#第八届立创电赛#简易心电测试仪 - 立创电子设计大赛

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第八届立创电子设计开源大赛

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#第八届立创电赛#简易心电测试仪

创建时间：1年前

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描述

项目背景： 心电图是一种非常重要的医学检查手段，用于监测和分析心脏功能和心血管疾病。随着科技的发展，现在已经有了一些便携式心电测试仪，可以让用户在家中或办公室等场所进行心电检测，这种设备已经被广泛应用于健康管理、疾病监测和医疗研究等领域。 项目需求： <ul> <li>心电波形采集：使用心电传感器采集心电信号，并将信号转化为波形图显示在屏幕上。</li> <li>心电信号放大：通过对心电信号进行放大，使得波形图更加清晰明了，方便医生或研究人员进行分析。</li> <li>心电信号滤波：通过数字滤波技术对心电信号进行滤波，使其更加稳定和可靠。</li> <li>心电数据存储：将采集到的心电波形数据存储在设备中或通过连接电脑进行存储，以便后续分析和研究。</li> <li>心电信号处理：采用数字信号处理技术对心电信号进行处理，如去除基线漂移，去除噪声等。</li> <li>心率计算：通过分析心电波形，计算出用户的心率并在屏幕上显示。</li> <li>心电检测报告生成：根据采集到的心电波形数据，生成相应的心电检测报告，以便医生或用户进行分析和诊断。 </li> </ul> 项目设计与实现： <ul> <li>使用心电电极采集心电信号，确保信号的准确性和稳定性。</li> <li>采用数字信号处理技术对心电信号进行滤波、放大和处理，使得信号更加清晰、稳定和可靠。</li> <li>串口屏实时显示心电图数据</li> </ul> 项目成果： 本项目实现了心电信号的采集、放大、滤波、处理和显示的功能，同时具有较强的抗干扰性 *2、项目属性 实践项目 * 3、开源协议 请输入内容… 注：利他即利己，请认真阅读下述内容。 <ol> <li>拥抱开源，赋予项目无限价值。建议项目核心功能开源80%以上；</li> <li>若某一部分功能不可替代且删掉之后项目无法解决对应的问题，则这一部分实现的功能就是项目的核心功能；比如设计了一台电子负载且设计了一款上位机软件监控功率变化，则电子负载为核心功能，上位机软件为辅助功能；比如电子负载中使用了一款隔离485模块与上位机通信，则此485模块实现的通讯功能为辅助功能；</li> <li>项目应选择适合自己的<a href="/posts/98fdb2accd754af7b51990790db3b47a%22%20%5Ct%20%22_blank" target="_blank">开源协议</a>，若项目引用其他开源项目，应注明来源并遵循原作者的开源协议规定；原创项目推荐使用GPL3.0开源协议；</li> <li>直接引用开源项目的原电路或原代码实现的功能不可作为自己项目的核心功能、使用市场上通用模块直接实现的功能不可作为自己项目的核心功能。</li> </ol> 请在竞赛阶段填写 ↓ *4、硬件部分 … 一、硬件设计需求 <ul> <li>心电信号采集模块：用于采集用户的心电信号</li> <li>心电信号放大模块：对采集到的心电信号进行放大，使得波形图更加清晰明了。</li> <li>心电信号滤波模块：对采集到的心电信号进行滤波，去除干扰和噪声。</li> <li>心电数据处理模块：对采集到的心电信号进行数字信号处理，如去除基线漂移等处理。</li> <li>心电信号显示模块：将处理后的心电信号转化为波形图，并在显示屏上显示。</li> <li>心率计算模块：通过分析心电波形，计算出用户的心率，并在显示屏上显示。</li> </ul> 二、硬件设计方案 心电信号采集模块： 采用TI的INA128模拟芯片，差分输入放大10倍 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VHS5F5umHo4rL7bVmgyfRymbzFOHwTLr5zvDLuvN.png" alt="VHS5F5umHo4rL7bVmgyfRymbzFOHwTLr5zvDLuvN.png"> 图 1：信号采集电路 INA128是德州仪器（TI）公司生产的一款高精度差分放大器。它采用了高精度的CMOS工艺和精密的电路设计，具有极低的输入偏置电流、输入偏置电压、温漂和噪声，可以实现高精度的信号放大和测量。 INA128主要特点包括： 差分输入：INA128采用了差分输入设计，可以有效减少共模干扰和噪声，提高信号的精度和可靠性。 高精度：INA128的输入偏置电流仅为2nA，输入失调电压仅为10μV，温漂仅为0.5μV/℃，噪声仅为0.8μVrms，可以保证高精度的信号放大和测量。 宽输入电压范围：INA128的输入电压范围为±15V，可适应多种信号放大和测量的应用场景。 低功耗：INA128的工作电流仅为1.8mA，可以实现低功耗的信号放大和测量。 超过电压保护：INA128内置了超过电压保护电路，可以保护放大器不受意外的过压损坏。 INA128应用广泛，常用于医疗仪器、工业自动化、传感器信号放大等领域。例如，它可以用于心电图、脑电图、肌电图等生物信号的放大和测量，也可以用于压力、温度、光强等传感器信号的放大和测量。 心电信号放大模块： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/SENVtXRIwnL6OoJKHavLlZvsRizvRzp6OhTGynkM.png" alt="图表中度可信度描述已自动生成"> 图 2：放大电路 采用运放电路对采集到的心电信号进行放大，使得波形图更加清晰明了。采用OP07低噪声运放，由于本项目心电信号的频率和幅度低，所以OP07的压摆率能够满足需求，第一次放大10倍，第二级放大10倍到50倍可调。 OP07是一款广泛应用于高精度测量、自动控制、传感器信号处理等领域。 OP07主要特点包括： 低噪声：OP07的噪声指标非常低，噪声电压密度仅为0.6nV/√Hz，可以有效降低系统的噪声干扰，提高信号的精度和可靠性。 低失调电流和温漂：OP07的失调电流仅为30nA，温漂仅为0.3μV/℃，可以保证高精度的信号放大和测量。 高共模抑制比：OP07的共模抑制比高达120dB，可以有效减少共模干扰对信号的影响。 高开环增益：OP07的开环增益高达200dB，可以提供高精度的信号放大和测量。 宽工作电压范围：OP07的工作电压范围为±22V，可以适应多种信号放大和测量的应用场景。 低功耗：OP07的工作电流仅为1.4mA，可以实现低功耗的信号放大和测量。 OP07广泛应用于医疗仪器、工业自动化、传感器信号放大等领域。例如，它可以用于医疗设备中的心电图、脑电图、肌电图等生物信号的放大和测量，也可以用于压力、温度、光强等传感器信号的放大和测量。 心电信号滤波模块： 在进行具体实现时，尽可能的利用仿真工具提前验证可行性 由于心电信号很微小，受外界环境的干扰大，尤其值工频干扰，所以需要滤波之后才能得到心电信号 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/D8AZt9qZwuKsJYO7MWikYPy6YHJ4NDgohcftSJ6I.png" alt="D8AZt9qZwuKsJYO7MWikYPy6YHJ4NDgohcftSJ6I.png"> 图 3：滤波电路 本项目采用硬件滤波和数字滤波器对采集到的心电信号进行滤波，去除干扰和噪声，使得信号更加稳定和可靠。本项目共两次滤波 本项目的第一次滤波在AD采样前，是采用TI的FilterPro软件设计的，设计阶数为两级三阶，截止频率为1KHz，考虑到AD采样速率有限，所以为了避免高频噪声在采样过程中和心电信号产生混叠，所以设置滤波截止频率低于AD采样频率的奈奎斯特频率，这样可以有效的避免混叠现象，减小信号的失真。同时由于软件设计的无源器件的参数都是理想计算的，所以还需要根据实际调节具体的参数，并仿真验证。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/G3dYRKIWWytgRlOOSWHffZndxmppFUsT0M0TMybX.png" alt="图示描述已自动生成"> 图 4：FilterPro滤波设计 可以看到3dB点在1khz左右，不过有些器件参数现实中不易得到，所以需要结合仿真修改 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/amhc6ITEJuVipcXWwuIud88k74l2ggM1uuAPuAyJ.png" alt="图形用户界面描述已自动生成"> 图 5：Mutiim仿真验证 可以看到修改后的3dB点和1K有些误差的，但是还是可以接受的 FilterPro是德州仪器（TI）公司开发的一款滤波器设计软件，它可以帮助工程师快速设计和优化滤波器电路，减少了设计时间和成本。以下是FilterPro软件设计的优点： 操作简便：FilterPro软件使用简单，易于上手，用户只需要输入所需的滤波器参数，软件便会自动计算出电路图和元件值，大大降低了设计难度和出错的概率。 多种滤波器类型：FilterPro软件支持多种滤波器类型，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等，用户可以根据需求选择合适的滤波器类型。 自动优化：FilterPro软件可以根据用户输入的滤波器参数自动优化电路元件，以达到最佳的滤波效果，可以有效减少设计时间和成本。 仿真功能：FilterPro软件内置了SPICE仿真功能，可以帮助用户进行电路仿真和效果验证，以便更好地优化设计。 免费使用：FilterPro软件是免费提供给TI的客户使用的，用户可以通过TI的官方网站下载和使用，无需额外支付费用。 第二次滤波是软件滤波，软件滤波有FIR和IIR 在MCU滤波之前，我们团队先用matlab对滤波算法可信性进行了验证，通过matlab程序生成心电信号，叠加噪声，滤波，验证软件滤波的可行性，对比FIR，和IIR滤波的区别，并同时利用filterDesigner求出滤波系数 滤波验证 设置100hz的低通滤波 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/LcSaolHJJI0wPX01zpnZQnK2XW5foKfoDcvjFC5W.png" alt="文本描述已自动生成"> 图 6：100hz的低通滤波 设置50hz的带阻滤波 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/RV1COvjUbP2fghzRWUkBWTS9fMAkvENY650MnxWX.png" alt="文本描述已自动生成"> 图 7：50hz的带阻滤波 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Z52WLcoROaipLvCbfl2ucHxzdAbgwnngoZYZVmg6.png" alt="图形用户界面, 图示, 应用程序描述已自动生成"> 图 8：滤波前和滤波后的信号及FFT <img src="//image.lceda.cn/pullimage/afmMSeAyI27k3V1VdNDKOjadySXZgKn0zvgUMLLy.png" alt="图表描述已自动生成"> 图 9:低通滤波的频谱图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/yWDT1sEDgjKG7XL6XroFjcBFTPSdWaKuR5WrvlKL.png" alt="图形用户界面描述已自动生成"> 图 10：带阻滤波的频谱图 filterDesigner <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VO8ibleYdcs0R5OcaxDBmlKNxIKk4ahlkihLYztI.png" alt="图形用户界面描述已自动生成"> 图 11：filterDesigner工具 STM32代码滤波 心电数据处理模块： 采用数字信号处理技术对心电信号进行处理，如去除基线漂移、去除噪声等处理，以保证信号的精度和准确性。 滤波完后，得到的就是需要的心电信号，需要对信号进行具体的处理，包括去噪 心率计算模块： 通过数字信号处理技术分析心电波形，计算出用户的心率，并在显示屏上显示，方便用户进行心脏健康监测和疾病预防。 心电信号显示模块： 将处理后的心电信号转化为波形图，并在显示屏上显示，使得用户可以直观地了解自己的心电信号情况。 在串口屏上实时显示心率，并且显示出参数 三、测试即调试方案 信号的输入的输出都是采用SMA，尽可能的降低心电信号的失真 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/MwwBQl9V2ZWdJCuE9USMkxLrDPSpjM1kTtu8xa9N.png" alt="图示, 示意图描述已自动生成"> 通过引出电路中的重点的支点，进行测试，便于调试 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/iO2rWLwv2CGASRX2MSQ8llOKXVzanxmcFxsq1yMv.png" alt="iO2rWLwv2CGASRX2MSQ8llOKXVzanxmcFxsq1yMv.png"> 电源部分，用直流电源测试 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Ux1ktcyUGFUxXhYAX33A5Y155yH8OYP5uaGHPK8l.png" alt="图示描述已自动生成"> 四、总结 本项目采用数字信号处理技术，设计了一款简易的心电测试仪。通过采用高共模抑制比的模拟芯片、心电传感器、数字滤波器、运放电路等硬件设计方案，可以快速、准确地采集和分析心电信号，并生成相应的心率报告 注：推荐使用<a href="https://lceda.cn/editor" target="_blank">嘉立创EDA</a>。若选择其他EDA工具，请在附件上传PDF格式的原理图，PDF格式的PCB图纸，Gerber格式的PCB文件。这里可以详细说明您的项目实现原理和机制、注意事项、调试方法、测试方法等。推荐图文并茂的形式向别人介绍您的想法。 *5、软件部分 请输入内容… 注：若您的项目涉及软件开发，请在附件上传对应的工程源码。这里可以详细说明您的软件流程图、功能模块框图、相关算法的解释或科普、源码结构、编译环境的搭建和配置、源码编译方法、程序烧录方法等。推荐图文并茂的形式向别人介绍您的想法。 *6、BOM清单 请输入内容… 注：项目涉及的BOM清单。这个位置请上传BOM的截图。清单详情请以PDF的格式上传到附件中。建议包括型号、品牌、名称、封装、采购渠道、用途等内容。具体内容和形式应以表达清楚项目构成为准。 *7、大赛LOGO验证 请上传包含大赛logo的项目图片，logo以丝印形式印刷在PCB上面。 点击zip下载大赛logo标识！ <a href="https://image.lceda.cn/easyedaResource/images/%E7%AB%8B%E5%88%9B%E7%94%B5%E8%B5%9B%E6%A0%87%E8%AF%86.rar" target="_blank">（大赛标识）.zip</a> * 8、演示您的项目并录制成视频上传 视频要求：请横屏拍摄，分辨率不低于1280×720，格式Mp4/Mov，单个视频大小限100M内； 视频标题：立创电赛：{项目名称}-{视频模块名称}；如立创电赛：《自动驾驶》-团队介绍。 更多详情：<a href="/posts/15a52db9fd7d40c492eb505280278e45" target="_blank">https://diy.szlcsc.com/posts/15a52db9fd7d40c492eb505280278e45</a> 11