基于嵌入式的智能心电监测仪设计与实现
实验题目：基于嵌入式的智能心电监测仪设计与实现
1. 课程简要信息
课程名称：智能医学传感系统设计
课程学时：80
项目名称：基于嵌入式的智能心电监测仪设计与实现
项目学时：课内 28、课外8
适用专业：生物医学工程、智能医学工程、医学信息工程
学生年级：大二第六实践学期
2. 实验内容与任务（与“实验过程及要求”合并）
按照智能医学传感系统开发的流程，以嵌入式 STM32 为核心，应用 C 语言、医学传感器、电子电路、Python 编程等技术，历经项目背景引入，理论、方法学习，调研和系统设计，硬件设计和实现，嵌入式编程和调试，心电信号采集，心电信号预处理，心电监测界面，心率计算与分析，心率变异性算法实现及分析，报告撰写，成果验收、答辩等完整工程设计流程。
基于嵌入式的智能心电监测仪
1) 基础任务 1：心电采集模块电路设计
$\textcircled{1}$ 任务 1.1 自行安装 Multisim 仿真软件，要求版本 14.0 以上，参阅学习平台资料学习Multisim 仿真软件的使用方法，学习运算放大器 TL064、LMV324、LMV358 数据手册及其
标准应用电路。
$\textcircled{2}$ 任务1.2 心电采集电路仿真设计与验证：根据心电采集电路原理图资料，学习电路各模块的功能结构及其原理，根据心电采集电路原理图资料，利用 Multisim仿真软件，完成5 个（任务 1.2.1-任务 1.2.5 详见 7.实验原理及方案）心电检测电路仿真设计和功能，并按照要求进行测试和验证，记录输入和输出信号，并将仿真计算结果与理论计算结果对比分析。
$\textcircled{3}$ 任务1.3 分析使用多个运算放大器设计的心电采集电路存在问题，及其解决办法。
$\textcircled{4}$ 任务 1.4 使用嘉立创 EDA 网页版,参考实验箱心电采集模块的心电采集电路图，以及电气元器件 BOM清单，绘制基于ADS1191 的心电采集电路图。
$\textcircled{5}$ 任务 1.5 基于任务 1.2、1.3、1.4 完成的内容，按照心电采集模块电路设计三级项目报告模板（详见8.实验报告要求），完成项目报告书，以及仿真电路功能演示。
2) 基础任务 2：心电采集硬件系统搭建及其准备
$\textcircled{1}$ 任务 2.1 课前调研：按照心电课前调研任务书，完成调研，撰写心电课前调研报告。
$\textcircled{2}$ 任务2.2 心电信号采集系统硬件设备搭建。
3) 基础任务 3：嵌入式 C 语言程序设计
使用C语言编译软件（keil），完成心电信号采集系统的嵌入式 C语言程序设计和调试，实现系统心电采集功能。
4) 基础任务 4：正常和运动后心电信号采集
组内 2 个成员，均需完成每个人的正常状态和运动状态后（运动状态通过规定的蹲起运动要求后实现）的心电信号的采集。
5) 基础任务 5：心电信号预处理、显示设计
应用Python 编程，实现正常状态和运动状态下的心电信号数据预处理、数据可视化（心电监护界面设计）、数据分析。
6) 进阶任务 6：心电信号心率计算、对比分析及其准备
$\textcircled{1}$ 任务6.1 课前调研：心电信号心率计算的实现方法和要使用的实现手段。$\textcircled{2}$ 任务6.2 学习心率计算实现方法，选择合适的方法，使用 Python编程，实现正常状态和运动状态下的心率计算和对比分析。
7) 高阶任务 7：心电监测仪上位机智能功能设计其准备
$\textcircled{1}$ 任务7.1 课前调研：心电HRV时域参数计算、对比、分析的实现方法和要使用的实现手段调研工作
$\textcircled{2}$ 任务7.2 学习心率变异性参数计算实现方法，选择合适的方法，使用Python编程，实现正常状态和运动状态下的心率变异性（HRV）的时域参数计算、对比、分析、预警。
- 最终任务 8：基于以上内容，按照报告模板要求，撰写研究设计性项目报告书（详见 8.实验报告要求），并进行成果演示和答辩。通过分组展示，取长补短，学习交流不同设计实现。
3. 相关知识及背景（限 150 字）
心电监测仪设计及心率变异性(HRV)算法实现，旨在提高心电监测仪的准确性和稳定性，实现对静态和运动状态下心率的实时监测和计算，促进心血管健康管理的发展，推动智能医疗技术的发展。
大一到大二专业课程一体化设计和综合应用医工交叉特色的人体生理信息采集与分析
该实践项目从智能医学工程专业培养方向和目标出发，将医学知识“人体生理信息的生物医学基础”、医疗领域案例“医学检验检测仪器”、工程技术“嵌入式、传感、电子学、算法实现”充分融合，从而设计人体生理信息采集仪器设计与生理信息数据处理、分析的医工融合特色的自主研学项目。
4. 实验环境条件
- 实验场所
2) 实验用硬件
stm32f103核心板、心电采集模块、心电导联线、肢体导联夹、平板电脑、USB数据线、PC计算机、J-link 仿真器、OTG 数据线。
3) 实验用软件
Multisim仿真软件、嘉立创EDA、C语言编译软件（keil），医学信号实践教学平台的 PC端软件、平板电脑端软件、Python开发软件。
5. 教学目标与目的（限 150 字）
智能医学传感系统设计是面向智能医学工程专业大二学生，在第六学期专业必修实践课程，该课程处于学生培养的承上启下的关键位置，是需要将大一到大二所学的医学、软硬件、知识与技能综合应用实现智能医疗仪器设计的实践课程。
学校人才培养定位
培养具有社会责任感、创新精神、国际视野和较强实践能力的高素质应用型高级专门人才。
专业人才培养定位
本专业培养面向医疗健康产业的高素质应用型高级专门人才。培养学生利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术解决生产
实际中信息采集以及处理问题的能力；让学生具有扎实的专业知识及提高学生的实践能力；为从事智能诊断、智能医用机器人、智能医学仪器的软硬件系统
开发、测试、维护和技术支持等工作奠定基础。
基于专业培养目标，充分将价值塑造、知识传授和能力培养紧密融合，培养学生利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术解决生产实际中信息采集以及处理问题的能力，从而让学生具有扎实的专业知识及提高学生的实践能力，为从事智能诊断、智能医用机器人、智能医学仪器的软硬件系统开发、测试、维护和技术支持等工作奠定基础。
6. 教学设计与实施进程
1) 课前任务：
自行安装Multisim仿真软件，要求版本 14.0以上，参阅学习平台资料学习 Multisim仿真软件的使用方法，复习滤波、放大、电压跟随器等电路相关知识。学习运算放大器TL064、LMV324、LMV358数据手册及其标准应用电路。
智能医学传感系统设计》03项目资源》1.医学仪器电路仿真设计与实现》1.3心电测量电路仿真设计》仿真用芯片资料
| 名称 > | 修改日期 | 类型 | 大小 |
| LMV324_datasheet PDF | 2024/4/7 11:26 | Microsoft Edge ... | 1,68 |
| LMV358_datasheet PDF | 2024/4/7 11:26 | Microsoft Edge .. | 1,68 |
| TL064_datasheet DF | 2024/4/7 11:16 | Microsoft Edge .. | 37 |
2) 心电采集模块电路设计：基本方法一基于运算放大器的心电采集电路仿真验证与计算分析
根据心电采集电路原理图资料，学习电路各模块的功能结构及其原理，根据心电采集电路原理图资料，利用Multisim仿真软件，应用运算放大器TL064、LMV324、LMV358，完成 5个心电检测电路仿真设计和功能，并按照要求进行测试和验证，记录输入和输出信号，并将仿真结果与理论计算比较分析。
3) 心电采集模块电路设计：进阶方法二基于 ADS1191 集成芯片的心电采集电路图设计
分析使用多个运算放大器设计的心电采集电路存在问题，及其解决办法。使用嘉立创 EDA 网页版,参考实验箱心电采集模块的心电采集电路图，以及电气元器件BOM 清单，绘制基于ADS1191 的心电采集电路图。
- 按照心电采集模块电路设计三级项目报告模板，完成项目报告书。
5) 课前自主调研任务：
教师：智慧化教育平台布置课前调研任务“2.7 心电课前调研任务”；调研报告模板参见“2.8心电课前调研报告-班级-学号-姓名”。
学生：完成课前调研任务，撰写调研报告，
教学内容：如下：
a) 心电信号的生理原理、医学意义；
b) 心电信号检测方法和原理；
c) 心电信号的医学疾病诊断；
d) 心电信号滤波处理和原理；
e) 心率变异性(HRV)及运动状态下心率特征、心率表计算算法；
f) 总结调研结果，撰写调研报告。
6) 课上学习任务：
教师：随机点名学生进行课前调研任务汇报，针对调研结果进行总结和讲解，课程思政实施环节。
学生：汇报调研结果，学生听讲、思考、回答问题。
a) 心电信号的生理原理、医学意义及信号数学特性、检测方法；
b) 学习心电信号检测方法、检测的工作原理和流程。
c) 心电监测仪器讲解，包含设备结构，原理，涉及技术。
d) 生理信息检测仪器等医疗器械的国内发展，东软医疗和迈瑞医疗的发展历程和重大事件的纪录片观看，拓展中国医疗器械现在难点，及解决困境的方法。
7) 心电信号采集系统硬件设备构建。
教师：教师布置任务，随时检查进度，答疑，批阅，点评。
学生：学生组队依据提供的实验指导书和设备完成任务，课堂汇报，下课前提交日报“智医 0班_第0组_0月0号工作日报”总结今日工作进展和明天工作安排。（日报每日提交）
8) 心电信号采集系统的嵌入式 C 语言程序设计和调试。
教师：教师布置任务，发布“C语言程序设计要求说明书”，随时检查进度，答疑，批阅，点评。
学生：学生组队依据提供的实验指导书和设备完成任务，课堂汇报。
使用C语言编译软件（keil），按照项目“项目指导书附录1_C语言程序设计要求说明书”，完成C语言的编程设计，实现心电的采集、处理、心率计算等功能，并进行程序烧录和设备功能调试，实现心电信号的采集。
9) 课前调研任务：
教师：智慧化教育平台布置课前调研任务“心电 HRV 时域参数计算、对比、分析的实现方法和选择要使用的实现手段。”
学生：完成课前调研任务，撰写调研报告。
10) 课上学习任务：
教师：讲解，提问、互动，演示视频播放。
学生：汇报调研结果，讲解自己要用什么方法，实现Python编程计算HRV参数，听讲、思考、回答问题。
- 组内每个成员，正常状态和运动状态后（运动状态通过规定的蹲起运动要求后实现）的心电信号的采集。
➢ 教师：教师布置任务，随时检查进度，答疑，批阅，点评。
➢ 学生：学生组队依据提供的实验指导书和设备完成任务，课堂汇报。（1）受试者在静坐2分钟下的心电信号，作为静坐下的心电信号（2）再记录受试者在做蹲起运动后，立即测试 2 分钟内的心电信号，作为运动过程中的心电信
号。
- 应用Python编程，实现正常状态和运动状态下的心电信号数据预处理、数据可视化（心电监护界面设计）、数据分析。
教师：教师布置任务，随时检查进度，答疑，批阅，点评。
学生：学生组队依据提供的实验指导书和设备完成任务，课堂汇报。
（1）数据预处理：对原始运动前后心电进行预处理，包括去除噪声、滤波、数据对齐等步骤。
（2）数据可视化：使用 Python 绘图库（如 Matplotlib）绘制运动前后心电波形，并添加适当的标签和注释。
（3）数据分析：滤波前后、运动前后的心电波形进行对比分析。
心电曲线结果分析：
对心电数据处理后，得出心电波形如下，处理后的心电波形可以清晰的识别出来R峰，并肉眼可见，2个R-R峰之间时间间隔异常，HRV参数出现异常，出现心率异变性。原因被检测的同学，心脏有先天的心率异常的疾病，也验证数据采集和数据处理后的实验结果正确。
- 在完成以上项目后，小组可以申请继续下记进阶项目：Python 编程实现正常状态和运动状态下的心率计算和对比分析。
教师：教师布置任务，随时检查进度，答疑，批阅，点评。
学生：学生组队依据提供的实验指导书和设备完成任务，课堂汇报。
- 在完成以上项目后，可以申请继续高阶项目：Python 编程实现正常状态和运动状态下的 HRV 时域参数计算、对比、分析、异常预警。
教师：教师布置任务，随时检查进度，答疑，批阅，点评。
学生：学生组队依据提供的实验指导书和设备完成任务，课堂汇报。
(1)利用Python编程实现从采集的心电信号中，计算出来IBI(心跳间隔)、SDNN(心跳间隔的标准偏差)、SDSD(相邻 RR 间隔之间的连续差的标准偏差)、RMSSD(相邻 RR 间隔之间的连续差的均方根)，实现 HRV 时域参数异常时候报警功能，并按照下记要求进行总结。
(2)结果分析与讨论
根据自己采集心电计算所得,静坐下的心电信号和运动过程中的心电信号的心率、SDNN 的特点和之间的区别。组内组员之间的每个人的特点和相互区别，进行结果总结和分析现象原因。
| 成员1 | 成员2 | 成员3 | ||||
| 静息 | 运动 | 静息 | 运动 | 静息 | 运动 | |
| 心率/次 | 67 | 125 | 82 | 118 | 62 | 123 |
| SDNN/ms | 118 | 97 | 152 | 137 | 158 | 97 |
15) 基于以上内容撰写研究设计性论文报告
教师：教师布置任务，讲解二级项目创新研究性报告书模板各项要求。
学生：学生组队根据实验结果和依据报告要求完成二级项目创新研究性报告书。
16) 成果物演示
班级：智能医学21002组别：第8组学号：21006340217、21006340218、21006340225姓名：徐佳葱、张慕格、李颖
摘要：
心电监测仪设计及运动状态下心率计算算法实现的研究，旨在提高心电监测仪的准确性和稳定性，实现对运动状态下心率的实时监测和计算，促进心血管健康管理的发展，推动智能医疗技术的发展。研究和改进心电监测仪的设计，实现运动状态下心率的实时监测和计算，提供更加准确和全面的心率数据。采用计算机科学和信号处理方法，对心电信号进行分析和处理，实现对运动状态下心率的实时监测和计算。
研究结果表明，采用基于深度学习的心率计算算法和优化的心电监测仪设计可以实现对运动状态下心率的实时监测和计算，为用户提供更加准确和全面的心率数据，促进心血管健康管理的发展，推动智能医疗技术的发展。
关键词：心电监测仪设计、运动状态下心率计算算法、信号处理、智能医疗技术
1.引言
1.1研究背景和意义
心电监测仪是一种用于实时监测和记录人体心电信号的设备，广泛应用于临床医学和健康管理领域。随着人们对健康的关注度提高以及运动健身的普及，越来越多的人开始关注运动状态下的心率变化。因此，设计一种可靠精准的心电监测仪以及运动状态下心率计算算法的研究变得非常重要。
1.提高心电监测仪的准确性和可靠性：心电信号是一种非常微弱且易受干扰的生物电信号，设计一种高性能的心电监测仪，能够准确地采集和记录心电信号，对于临床医学的诊断和治疗以及个人健康管理非常关键。
7. 实验原理及方案
感想和收获
心电监测仪设计及心率变异性（HRV）算法实现实现带来以下感想与收获：
□技术挑战：设计和实现一个功能完善的心电监测仪需要克服许多技术挑战，如传感器选择、信号处理、算法优化等。通过解决这些挑战，将更好地了解电子设备的设计原理和技术细节。
□创新思维：在设计过程中，您可能需要运用创新思维来解决问题。这将有助于培养创新能力和解决问题的能力。
□团队协作：为了完成心电监测仪的设计与开发，您可能需要与团队成员紧密合作。这将有助于提高您的团队协作能力，并学会如何在不同背景和专业领域的人之间进行有效沟通。
□结果满足感：当您成功地设计并实现一个功能完善的心电监测仪，并在实际应用中取得良好效果时，感到极大的成就感和满足感。
□对健康的认识加深：通过研究运动状态下心率的计算算法，更加深入地了解心血管系统的功能，以及运动对心脏健康的影响。这将有助于提高对自己健康的关注程度。
□持续学习：随着科技的发展，心电监测仪技术和相关算法也在不断更新。因此，保持持续学习和适应新技术的习惯，以便在未来能够更好地应对挑战。
总之，设计和实现心电监测仪及运动状态下心率计算算法的过程将带来丰富的感想与收获，包括技术挑战、创新思维、团队协作、结果满足感、对健康的认识加深以及持续学习等方面。
1) 系统硬件结构和功能框图
2) 设计任务实现方案
基于嵌入式的智能心电监测仪
- 基础任务 1：心电采集模块电路设计
基本方法一：基于运算放大器的心电采集电路仿真验证与计算分析
$\textcircled{1}$ 无源低通滤波电路二阶无源低通滤波器滤除高频信号,截止频率是 $1 2 . 5 8 \mathrm { k H z }$ 。
$\textcircled{2}$ 运放跟随器电路
应用运算放大器 TL064，实现运放跟随器功能，由于运放跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低，将前后级电路隔离。并且输入输出电压相等。
[任务 1.2.1] 心电采集运放跟随器电路仿真与验证
设计：利用 Multisim仿真软件，使用运算放大器TL064，设计心电采集电路中的运放跟随器环节；验证：输入不同有效值正弦波，观察输出波形，并记录波形和电压有效值；分析：根据记录的波形和电压有效值，分析运放跟随器的工作特性。
TEXAS INSTRUMENTS
TL061,TL061A,TL061B,TL062,TL062A,TL062B,TL064,TL064A,TL064B ZHCSNU6N-NOVEMBER1978-REVISEDAUGUST2023
TL06xx低功耗JFET输入运算放大器
1特性
·极低功耗典型电源电流：每个放大器200μA宽共模和差分电压范围低输入偏置和失调电流共模输入电压范围包括Vcc+输出短路保护高输入阻抗：JFET输入级内部频率补偿无门锁操作高压摆率：3.5V/us（典型值）对于符合MIL-PRF-38535标准的产品所有参数均经过测试，除非另外注明。对于所有其他产品，生产流程不一定包含对所有参数的测试。
2应用
自色家电计算机
3说明
TL06x（TL061、TL062和TL064）系列业界通用运算放大器以较低功耗镜像TL07x和TLO8x系列运算放大器。这些器件为成本敏感型应用提供了卓越的价值，具有高输入阻抗、宽带宽、高压摆率以及低输入失调电压和输入偏置电流。高ESD（1.5kV，HBM）、集成EMI和射频滤波器以及宽工作温度范围可支持将TL06x器件用于条件严荒，环境严荒的应用。
表5.1.Pin Functions
器件信息
| 医件型号 | 通谨数 | 器件信息 封锁T | 封装尺寸（] |
| TL061x | 单通道 | (SOIC,8） | 4.90mm × 6.00mm |
| P(POIP,8) | 9.59 mm × 7.94 mm | ||
| PS(SO,8) | 6.20 mm × 7.80 mm | ||
| TL062x | 双通道 | D(SOIC,8) | 4.90mm × 6.00mm |
| P(PDIP,8） | 9.59 mm x 7.94mm | ||
| P5(50,8) | 6.20 mm x 7.00 mm | ||
| JG（CDIP,8） | 9.58 mm x 7.62 mm | ||
| PW(TSSOP,8) | 3.00mm × 6.40mm | ||
| FK(LCCC,20） | 8.89 mm × 8.80 mm | ||
| TL064x | 国通道 | D（SOIC, 14） | 8.65mm x 6.00mm |
| J(CDIP, 14) | 19.4 mm x 7.90 mm | ||
| N(POP,14） | 19.31 mm × 7.94 mm | ||
| NS(S0,14) | 10.20 mm x 7.80 mm | ||
| PW(TSSOP,14) | 5.00mm × 6.40mm | ||
| W(CFP , 14） | 21.78 mm × 9.21 mm | ||
| FK(LCCC, 20） | 8.89 mm x 8.80 mm |
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Vi/V | |||||
| Vo/V | |||||
| 比值 |
$\textcircled{3}$ 仪器仪表放大电路
应用运算放大器 LMV324，实现仪器仪表放大电路，因为从人体获取的心电信号为差模小信号，其中含有较大的共模成分，应用仪器仪表放大电路来抑制共模信号和放大差模信号。
$\mathrm { \AA _ { 1 0 6 \mathrm { { A } } } }$ 与 $\mathrm { A } 1 0 6 \mathrm { B }$ 组成第一级放大器，经过两级运放可以得到放大后信号。
$$ U _ { \mathrm { T P 1 3 } } = U _ { \mathrm { V R E F } } + 5 ( U _ { \mathrm { L A } } - U _ { \mathrm { R A } } ) $$
共模抑制比 CMRR 是差模电压放大倍数 Aud 与共模放大倍数 Auc 的绝对值之比。
$$ \mathrm { C M R R } = \left| { \frac { A _ { u d } } { A _ { u c } } } \right| $$
[任务 1.2.2] 心电采集信号放大电路仿真与验证
设计：利用 Multisim仿真软件，使用运算放大器LMV324,设计心电采集电路中差模输入和共模输入信号放大电路；
验证：录两个电路的输入和输出信号电压，计算放大倍数；
分析：根据数据计算共模抑制比。
表5-3.引脚功能：LMV324
| 引脚 | 类型(1) | 说明 | |
| 名称 | 编号 | ||
| 3/4 SHDN | 一 | 关断（逻辑低电平）/启用（逻辑高电平） | |
| 1/2 SHDN | 一 | 一 | 关断（逻辑低电平）/启用（逻辑高电平） |
| 1IN+ | 3 | 1 | 同相输入 |
| 1IN- | 2 | 一 | 反相输入 |
| 2IN+ | 5 | 1 | 同相输入 |
| 2IN- | 6 | 一 | 反相输入 |
| 20UT | 7 | 。 | 输出 |
| 3IN+ | 10 | 一 | 回相输入 |
| 3IN- | 9 | 一 | 反相输入 |
| 30UT | 8 | 。 | 输出 |
| 4IN+ | 12 | 一 | 回相输入 |
| 4IN- | 13 | 一 | 反相输入 |
| 40UT | 14 | 。 | 输出 |
| GND | 11 | 负电源 | |
| OUT | 1 | 。 | OUT |
| vcC+ | 4 | 正电源 | |
(1）I=输入，O=输出
图5-3.D和PW封装，14引脚SOIC和TSSOP（顶视图）
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Vi/mV | 50 | 100 | 150 | 200 |
| Vo/mV | ||||
| Aud | ||||
| Auc | ||||
| CMRR1 | ||||
| CMRR2 | ||||
| 是否相同 |
$\textcircled{4}$ 信号放大滤波电路
应用运算放大器 LMV324，实现放大滤波电路，进一步放大滤波信号，最终得到 ECG 信号的计算公式如下：
$$ U _ { \mathrm { E C G } } = U _ { \mathrm { V R E F } } { + 3 3 0 } ( U _ { \mathrm { L A } } - U _ { \mathrm { R A } } ) $$
[任务 1.2.3] 心电采集信号放大滤波电路仿真与验证
➢ 设计：利用 Multisim仿真软件，使用运算放大器LMV358,设计心电采集电路中信号放大
滤波电路；
验证：在输入信号的不变情况下，调节要求的电阻阻值，记录输出信号的电压；
分析：将仿真增益计算结果与理论增益计算值进行对比分析。
INSTRUMENTS
LMV3xx低压轨到轨输出运算放大器
LMV358,LMV321,LMV324,LMV324S
1特性
3说明
有关具有增强性能的升级版本，请参阅LMV321ALMV358A和LMV324A
有关升级版本，请参阅LMV321A、LMV358A
LMV324A
2.7V和5V性能
无交叉失真
低电源电流
-LMV321:130μA（典型值）
-LMV358:210uA（典型值）
-LMV324:410μA（共型值）
轨到轨输出摆幅
ESD保护性能超过JESD22规范要求
-2000V人体放电模型
-1000V充电器件模型
LMV321、LMV358和LMV324器件分别是单通道、双通道和四通道低压（2.7V至5.5V）运算放大器，具有轨到轨输出摆幅。这些器件是颇具成本效益的解决方案，适用于需要低工作电压、节省空间和低成本的应用。这些放大器专门针对低工作电压（2.7V至5V）而设计，性能规格可达到或超过LM358和LM324器件（工作电压范围为5V至30V），这些器件的封装尺寸可缩减至DBV(SOT-23)封装尺寸的一半，适用于各种
2应用
·HVAC：暖通空调便携式媒体播放器专业混音器
| 器件信息 | |||
| 特件服号 | 选湿数 | 财装 | 尺寸 2.00mm x 2.80mm |
| LMV321 | 速E | 08V ( S0T-23 , 5) | |
| DCK (SC-70 , 5) | 2.00mm x 2.10mm | ||
| LMV358 | 速 | D (soIc, 0) DOU (VSSOP, | 4.50me x8.00mm |
| B | 2.00 mm x 3.10 mm | ||
| 出 DOK (VSSOP, | 2.00mm x 4.00mm | ||
| PW(TSSOP.0) | 3.0ms x0.40mm | ||
| LMV324 | 国 | D (S0IC , 14) | 8.65rm 4.00mm |
| 5.00m x6.40mn | |||
表5-1.引脚功能：LMV358
| 引脚 | 类型(1) | ||
| 名称 | 编号 | ||
| 1IN+ | 3 | 同相输入 | |
| 1IN- | 2 | 反相输入 | |
| 2IN+ | 5 | 同相输入 | |
| 2IN - | 6 | 1 | 反相输入 |
| 20UT | 7 | 0 | 输出 |
| GND | 4 | 负电源 | |
| OUT | 1 | 。 | 输出 |
| vcC+ | 8 | 一 | 正电源 |
(1）I=输入，O=输出
如需了解所有可用封装，请参阅数据表末尾的可订购产品附
简化原理图
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| R212/kΩ | 110 | 220 | 330 | 440 | 550 |
| Vo/V | |||||
| 仿真增益A | |||||
| 理论增益B | |||||
| 差值 |
$\textcircled{5}$ 基准电压电路
通过电阻 $\mathrm { R } _ { 2 3 3 }$ 与 $\mathrm { R } _ { 2 3 5 }$ 对 3.3V 分压，可以得到基准电压计算如下：
$$ U _ { \mathrm { T P 2 2 } } = { \frac { R _ { 2 3 5 } } { R _ { 2 3 3 } + R _ { 2 3 5 } } } \times 3 . 3 \mathrm { V } = { \frac { 1 0 \mathrm { k } } { 1 0 \mathrm { k } + 1 0 \mathrm { k } } } \times 3 . 3 \mathrm { V } = 1 . 6 5 \mathrm { V } $$
[任务 1.2.4] 心电采集基准电压电路仿真与验证
设计：利用 Multisim仿真软件，使用运算放大器LMV358,设计心电采集电路中基准电压电路；
验证：记录万用表 XMM1和XMM2 测量的电压；
分析：仿真测量结果与理论计算值进行对比分析。
TEXAS INSTRUMENTS
LMV358,LMV321,LMV324,LMV324S CSL78Y - AUGUST 1999 - REVISED AUGUST 2023
LMV3xx低压轨到轨输出运算放大器
1特性
3说明
有关具有增强性能的升级版本，请参阅LMV321A、LMV358A和LMV324A
有关升级版本，请参阅LMV321A、LMV358A
LMV324A
2.7V和5V性能
运行温度范围：-40°C至+125C
无交叉失真
低电源电流
-LMV321:130μA（典型值）
-LMV358:210μA（典型值）
-LMV324:410uA（典型值）
轨到轨输出摆幅
ESD保护性能超过JESD22规范要求
-2000V人体放电模型
-1000V充电器件模型
LMV321、LMV358和LMV324器件分别是单通道、双通道和四通道低压（2.7V至5.5V）运算放大器，具有轨到轨输出摆幅。这些器件是颇具成本效益的解决方案，适用于需要低工作电压、节省空间和低成本的应用。这些放大器专门针对低工作电压（2.7V至5V）而设计，性能规格可达到或超过LM358和LM324器件（工作电压范围为5V至30V）。这些器件的封装尺寸可缩减至DBV（SOT-23）封装尺寸的一半，适用于各种
2应用
：HVAC：暖通空调
便携式媒体播放器电源：电信直流/直流模块：数字专业混音器
表5-1.引脚功能：LMV358
| 引脚 | 类型(1) | ||
| 名称 | 编号 | ||
| 1IN+ | 3 | 一 | 同相输入 |
| 1IN- | 2 | 一 | 反相输入 |
| 2IN+ | 5 | 一 | 同相输入 |
| 2IN - | 6 | 一 | 反相输入 |
| 20UT | 7 | 0 | 输出 |
| GND | 4 | 负电源 | |
| OUT | 1 | 0 | 输出 |
| vcC+ | 8 | 正电源 | |
(1）l=输入，O=输出
| 器件信息 | |||
| 银件服号 | 选汉数 | 财装 | 财装尺寸肉 |
| UMV321 | 0BV ( 50T-23 , 5) | 2.00mm ×2.80mm | |
| DCK (SC-70,8) | 2.00mm x 2.10mm | ||
| D (sOIc, ) | 4.00mm x6.00mm | ||
| UMV358 | 通 | D DOU (VSSOP | 2.00 mm x 3.10 mm |
| DOK(VSSOP, 口 | 2.00mm x 4.00mm | ||
| PW(TSSOP,0） | 2.00mm ×6.40mm | ||
| UMV324 | 国 | D (S0IC, 14） | 8.05mm x.6.00mm |
| 5.00mm.x.40mm | |||
（1）如胃了解所有可用封装，请参阅数据表末尾的可订购产品附
（2）封装尺寸（长x宽）为标称值，并包括引脚（如适用）：
简化原理图
| 输入电压 | |
| 输出电压 | |
| 仿真差值 | |
| 理论差值 |
$\textcircled{6}$ 右腿驱动电路
将人体体表获得的共模电压通过负反馈放大的方式输出回人体，从而达到抵消共模电压，直接降低共模信号，从而提高共模抑制比，信号 TP20 是平均交流共模电压，经过 A106C 进行反向放大后，再经过限流电阻 $\mathrm { R } _ { 2 3 0 }$ 和 $\mathrm { R } _ { 2 3 1 }$ 接回人体。
$\textcircled{7}$ 导联脱落检测电路
通过电压比较器判断信号电平，高电平为导联脱落，低电平为导联连接。 $\mathrm { U } _ { \mathrm { T P 2 4 } }$ 为固定电压，计算方法如下：
$$ U _ { \mathrm { T P 2 4 } } = { \frac { R _ { 2 3 4 } } { R _ { 2 3 2 } + R _ { 2 3 4 } } } \times 3 . 3 \mathrm { V } = { \frac { 3 0 \mathrm { k } } { 3 0 \mathrm { k } + 2 2 . 1 \mathrm { k } } } \times 3 . 3 \mathrm { V } = 1 . 9 \mathrm { V } $$
UTP25的电压值在 1.9V波动，当探头连接人体成功，电压小于 1.9V；当探头脱落，电压大于 1.9V。运放 $\mathrm { { A _ { T P 2 6 } } }$ 是电压比较器，计算方法如下：
$$ U _ { \mathrm { T P 2 6 } } = A _ { \mathrm { o d } } ( U _ { \mathrm { T P 2 5 } } - U _ { \mathrm { T P 2 4 } } ) $$
$\mathrm { A _ { o d } }$ 是运放开环差模的电压增益，当 $\mathrm { U } _ { \mathrm { T P 2 5 } }$ 大于 $\mathrm { U } _ { \mathrm { T P 2 4 } }$ ，UTP26输出为高电平，当 $\mathrm { U } _ { \mathrm { T P 2 5 } }$ 小于 $\mathrm { U } _ { \mathrm { T P 2 4 } }$ ，UTP26S输出为低电平。
[任务1.2.5] 心电采集导联脱落检测电路仿真与验证
设计：利用 Multisim仿真软件，使用运算放大器LMV358,设计心电采集电路中导联脱落检测电路；
验证：调整输入信号的值，记录输出信号的电压；
分析：仿真计算结果与理论计算值进行对比分析。
表5-1.引脚功能：LMV358
| 引脚 | 类型(1) | ||
| 名称 | 编号 | ||
| 1IN+ | 3 | 1 | 同相输入 |
| 1IN- | 2 | 1 | 反相输入 |
| 2IN+ | 5 | 同相输入 | |
| 2IN - | 6 | 1 | 反相输入 |
| 20UT | 7 | 。 | 输出 |
| GND | 4 | 负电源 | |
| OUT | 1 | 0 | 输出 |
| vcC+ | 8 | 正电源 | |
(1）I=输入，O=输出
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Vi/V | 2 | 1. 96 | 1.95 | 1.9 | 1.89 | 1.85 | 1. 0 |
| Vo/V | |||||||
| 高/低 | |||||||
| 是否脱落 |
4) 基础任务 1：心电采集模块电路设计
进阶方法二：基于 ADS1191 集成芯片的心电采集电路图设计
ADS1191/2 是一款低功耗，双通道同步采样，具有 16bit分辨率的生物信号测量的芯片，广泛用于心电信号的采集。其内置两个模数转换器（ADC）和两个低噪声可编程增益放大器（PGA），每通 道采样速率达8Ksps，每通道功耗低至 $0 . 3 3 5 \mathrm { m W }$ 。为便于生物信号检测，芯片内部还设有右腿
驱动 器放大器和持续断线检测装置，从而抑制共模信号干扰并防止电极片脱落。SPI串行接口方便寄存 器中数据的存储和输出。
5) 基础任务 2：心电采集硬件系统搭建的原理及方案
心电信号测量系统的工作原理如图所示，表面电极提取的人体心电信号，首先送入 ADS1191做适当地调理和放大后进行模/数转换，变成数字信号。然后通过SPI接口送入 MCU核心板进行平滑滤波后输出到平板电脑或 PC计算机，从而将心电图显示出来。
正常的心电信号的频率范围在 $0 . 1 \mathrm { \tilde { ~ } 1 0 0 \mathrm { H z } }$ ,最大幅度约为 $1 \mathrm { m V } .$ .此外,为了避免电源漏电造成人体伤害,必须采取隔离的设计观念。表面电极(或电极夹)从人体上采集的心电信号与人体噪声混在一起,极为微弱，传统的心电信号采集方案一般是先通过放大电路将微弱的心电信号放大到理想状态，然后通过相应的滤波电路滤除心电信号中的杂波。然后通过电压抬升电路将心电信号设置在芯片可识别的一个电压范围内，一般情况下是O-3V，之后便可以用 AD采样电路实现心电信号的数字化。在这个过程中，一般采用分立元件分别实现每一块的功能，电路复杂，易受电磁环境影响，同时太多的元件大大增加了模块的功耗。随着集成电路的发展，出现了越来越多的芯片系统解决方案。通过一款芯片便可以实现心电信号采集，采用ADSll91 实现心电信号的采集。
6) 基础任务3：嵌入式 C 语言程序设计的功能及方案
$\textcircled{1}$ 滑动平均滤波；
（1）MCU 针对ADS1191利用SPI总线传输出来的原始心电信号，实现数据滑动滤波功能函数声明：extern sl6 DataFilter(sl6 data);
函数名称：DataFilter
函数功能：滑动平均滤波
函数输入：data：滤波前的值
函数输出：滤波后的值
实施时机：主循环中，MCU采集到有效数据，
功能详细：每个主循环周期取一次加和平均值，取平均值的个数为5次，不足五次采样数据的，按照数据为0处理。
程序流程图：
$\textcircled{2}$ 平均数运算
（2）MCU针对原始采样数据进行滑动滤波处理时，平均数运算功能
函数声明：extern sl6 AverageData(s16 *data,u8 len) ;
函数名称：AverageData
函数功能：平均数运算
函数输入：*data：求平均数的数据；len：数据长度
函数输出：求得平均数
实施时机：被DataFilter函数调用
功能详细：根据输入的数据长度，对输入数据指针指向的数据，进行平均值运算程序流程图：
$\textcircled{3}$ 长延时功能
（3）MCU实现长延时功能，用于等待系统初始化时，模块板电源稳定函数声明：externvoid WaitPowerStability(void);
函数名称：WaitPowerStability
函数功能：长延时，用于等待模块板电源稳定
函数输入：无
函数输出：无
实施时机：被main函数在系统初始化时调用
功能详细：使用DelayUs函数（微秒级延时），实现2.5s延时程序流程图：
$\textcircled{4}$ 16位数组到 8位数组的转换
(4）MCU与平板电脑，进行基于DMA 功能的串行通信时，实现数据16 位数组到8位数组的转换功能
函数声明：extern ul6 CV16To8(u16 *src ,u8 *dest,ul6 len);
函数名称：CV16To8
函数功能：16位数组到8位数组的转换
函数输入：*src：待转换源数组；*dest：转换后数据位置；len：待转换数据长度函数输出：转换后数组字节数
实施时机：被串口DMA发送函数UartTx调用
功能详细：转换源数组*src是16位数据长度，将其数据，分为前8位和后8位，分别放入连续的两个8位数组中，放入的数据指针叫做转换后数组。根据输入的待转换数据长度，循环转换。
程序流程图：
$\textcircled{5}$ 异或校验
（5）MCU 与平板电脑，进行基于DMA 功能的串行通信时，需要进行数据校验，校验算法是异或处理
函数声明：extern u8 CalXor(u8 *data，ul6 len);
函数名称：CalXor
函数功能：异或校验
函数输入：*data：待校验数据首地址；len：待校验数据长度
函数输出：校验结果
实施时机：被串口DMA发送函数UartTx调用
功能详细：根据输入的待校验数据长度，针对待校验数据每一位进行异或处理。
程序流程图：
$\textcircled{6}$ 计算心率
(6）定时器3中断是一个100ms的中断，根据心率计算程序得出的心率，计算出每两次心跳的间隔（100ms的倍数），从而控制随动灯点亮，并在每次点亮后延迟200ms熄灭（这里所用的脉率暂时用定值60次/min）。函数声明:extern u8 CalHeartRate(u16 *data ,u16 len)函数名称：CalHeartRate函数功能：计算心率函数输入：*data：一段时间内的采样心电值；len：采样心电值点数函数输出：60/TIM3定时器时间/心率值实施时机：被主函数主循环调用（BeatPer $=$ CalHeartRate (DataOut ,DATAOUTLEN) : )功能详细：根据输入的一段时间内的采样心电值和采样心电值点数，测出每两次心跳间隔时间（100ms 倍数）程序流程图：
7) 基础任务 4：正常和运动后心电信号采集的要求及方案
双极导联是通过两个肢体间的电位差来获取体表心电信息。双极导联包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联。本实验中用到双极Ⅰ导联。
实验对象为每组的每个成员，用来接肢体导联线，导联分为 LL、LR和 RR，分别对应右腿、左臂和右臂，接口定义如下表所示。接地线通过导线与金属机壳相连，内部连接到心电导联线的屏蔽脚。采集到心电信号后，LED指示灯随被测对象的心跳而闪烁。
| 引脚号 | 功能描述 | 备注 |
| 1 | LA（黑） | 左臂 |
| 2 | LL（红） | 右腿 |
| 3 | RA（白） | 右臂 |
打开PC计算机应用软件，选择“串口连接”并打开；打开MCU核心板底板电源开关，开始采集心电数据。
心电采集状态为以下两种：
（1）受试者在静坐 2 分钟下的心电信号，作为静坐下的心电信号。（2）再记录受试者在做蹲起运动后，立即测试2 分钟内的心电信号，作为运动过程中的心电信号。
8) 基础任务 5：心电信号预处理、显示设计的要求及方案
Python编程,根据调研方法，组内选定，自主设计程序,实现正常状态和运动状态下的心率计算和对比分析。
$\textcircled{1}$ 数据预处理：对原始运动前后心电进行预处理，包括去除噪声、滤波、数据对齐等步骤。
$\textcircled{2}$ 数据可视化：使用 Python绘图库（如Matplotlib）绘制运动前后心电波形，并添加适当的标签和注释。
$\textcircled{3}$ 数据分析：滤波前后、运动前后的心电波形进行对比分析。
9) 进阶任务 6：心电信号心率计算及对比分析的原理及方案
心率的计算公式，一般是指心电图上的心率计算公式。在心电图上，首先要测量出，2个相邻的R 波之间的间期，即 2 个相邻的 R 波之间的时间，为 RR 间期，用 60 除以 RR 间期，即为患者的心率，如RR间期是1秒，60 除以1，心率为60次/分。
根据调研方法，组内选定，自主设计程序,实现正常状态和运动状态下的心率计算、对比、分析、异常预警。组内组员之间的每个人的特点和相互区别，进行结果总结和分析现象原因。
基于Python实现心率计算算法及预警
$\textcircled{1}$ 基础部分：R-R波标记
$\bullet$ 心率计算实现与预警
$\textcircled{2}$ 选做部分：频谱分析 (幅度谱、相位谱、功率谱)相关分析：分别计算两段心电信号的均值、方差、自相关函数与互相关函数
10) 高阶任务 7：心电监测仪上位机智能功能设计的原理及方案
心率变异性(HRV)是指逐次心跳周期差异的变化情况，它含有神经体液因素对心血管系统调节的信息，从而判断其对心血管等疾病的病情及预防，可能是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个有价值的指标。对心率变异性的分析实际上是对心动周期变异的分析，对其进行分析的方法也是在不断发展的过程中，分析方法主要有有时域分析法、频域分析法、非线性分析法。
计算的心率变异性（HRV）时域参数主要有：IBI(心跳间隔)、SDNN(心跳间隔的标准偏差)、SDSD(相邻RR间隔之间的连续差的标准偏差)、RMSSD(相邻 RR间隔之间的连续差的均方根)。
根据调研方法，组内选定，自主设计程序,实现正常状态和运动状态下的心率变异性（HRV）时域参数计算、对比、分析、异常预警。组内组员之间的每个人的特点和相互区别，进行结果总结和分析现象原因。
基于Python实现心率变异性(HRV)算法、对比分析及预警
$\textcircled{1}$ 基础部分：
$\bullet$ IBI(心跳间隔)
$\bullet$ SDNN(心跳间隔的标准偏差)
$\textcircled{2}$ 选做部分：SDSD(相邻RR间隔之间的连续差的标准偏差)RMSSD(相邻RR间隔之间的连续差的均方根)
8. 实验报告要求
1） 三级电路仿真设计项目报告
2） 二级研究设计性项目报告书模板
撰写二级项目创新研究性报告书，报告具体要求包含条目如下：
研究背景研究目的生理原理系统原理算法原理
3) 系统设计检测系统框图和搭建流程C语言程序设计
4 心电采集心电信号采集的流程描述
5）信号处理与显示信号处理使用的方法描述Python编程程序截图信号处理结果，包含原始数据和处理后数据的对比图处理结果总结
6) 信号分析及结果信号分析使用的算法描述Python编程程序截图信号分析结果表格
7）结果分析与讨论针对”6）信号分析及结果”进行分析和讨论
9. 考核要求与方法（限 300字）
课程整体考核评价方法如下，其中蓝色标注部分与本次项目考核相关，采用多样化的考核方式，从课前、课中、课后三个维度实现实验流程全程监督；以每日日报工作总结形式，考察学生课堂进展和完成度，以及项目实施组内规划性；通过学校智慧化学习平台实现课程资源、课前任务完成情况的全方位监督和考察；通过代码、成果演示、项目报告书，对项目的完成情况、组内协作等进行综合考核评价。
| 考核评价标准 | |||
| 考核项目 | 满分值 | 满分值考核阶段 | 考核内容 |
| 考勤 | 0 | 平时 | 迟到一次扣1分，旷课1学时扣2分；使用考勤系统。 |
| 课堂表现 | 5 | 平时 | 以组为单位提交课堂工作总结，考核课堂表现和工作完成情况，工作完成量前50%得1分，后50%得0.5分，未提交记0分，得分上限5分。 |
| 课前预习 | 5 | 平时 | 学习平台学习情况，排名前20%得5分，排名在20%-40%得4分，排名在40%-60%得3分，排名在60%-80%得2分，排名在80%-100%得1分，无学习状态得0分。 |
| 呼吸参数测量电路设计 | 10 | 平时 | 成果演示（3分）+项目报告书（7分） |
| 血氧饱和度测量电路设计 | 10 | 平时 | 成果演示（3分）+项目报告书（7分） |
| 心电采集模块电路设计 | 10 | 平时 | 成果演示（3分）+项目报告书（7分） |
| 心电监测仪设计及心率变异性（HRV）算法实现 | 50 | 期末 | 调研报告（10分）+代码（10分）+成果演示（10分）+项目报告书（20分），详细参照评分标准 |
| ■心率、呼吸、血氧三参数监测装置的研制 | 50 | 期末 | 调研报告（5分）+代码（10分）+成果演示（10分）+项目报告书（15分）+答辩（10分）详细参照评分标准 |
| 课程总成绩（100分）=平时成绩（40.0分）+末考成绩（100分*60.0%）+加分项（分*100%） | |||
10.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）
1）医疗器械领域背景下，医工融合特色的真实案例开发，工程性实践开发全流程参与。
2）从大一到大二的专业课程知识和技能，实现综合一体化设计。
3）从国产医疗器械分析的无缝衔接思政案例，润物无声课程思政教学。
4）设计要求及难度层次推进，目标实现方法自主创新多样性，考核评价多元全方位。
11.学生成果展示及佐证材料
1） 2022-2023 学期第三学期课程实施课表
2） 学生成果 1-日报
3） 学生成果 2-三级电路仿真设计项目报告
智能医学传感系统设计》年级21级》存档存档》形成性考核材料，医学仪器电路仿真设计与实现，心电测量电路仿真设计-三级项目报告
| >名称 | 修改日期 | 类型 | 大小 |
| □20006340203李正 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge. | 994 KB |
| 20006340212王恒 | 2023/7/18 13:53 | Microsoft Edge.. | 4,385 KB |
| 21006340202于昊琨 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge .. | 7,109 KB |
| □21006340203王宇杰 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge. | 9,507 KB |
| 21006340206张博尊 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge ... | 23,256 KB |
| 21006340212赵艺泽 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge ... | 9,930 KB |
| 面21006340216许翔瑞 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge. | 10,866 KB |
| 21006340217徐佳蕊 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge .. | 10,574 KB |
| 21006340220赵子涵 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge .. | 7,300 KB |
| 21006340222谭博轩 | 2023/7/14 16:55 | Microsoft Edge .. | 8,808 KB |
| □21006340226王哲 2023/7/14 16:55 Microsoft Edge.. | 14,845 KB | ||
4）学生成果 3-功能演示
5） 学生成果 4-心电监测界面
6） 学生成果 5-二级研究性项目报告书
