目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
第一节 课题研究的背景 1
第二节 研究动态 2
第三节 研究意义及应用前景 2
第四节 本章小结 3
第二章 穿戴式心电信号相关理论 4
第一节 穿戴式心电信号信号分析 4
一、穿戴式心电信号信号的形成生理机理 4
二、穿戴式心电信号信号的特点 5
三、信号特征分析 5
第二节 穿戴式心电信号信号所包含噪声分类及处理方法 7
第三节 本章小结 9
第三章 心电采集硬件电路设计 10
第一节 心电采集模块的总体硬件设计 10
一、系统硬件电路设计原则 10
二、系统建模 11
三、系统前置放大电路的设计要求 12
四、系统滤波器的设计讨论 13
第二节 穿戴式心电信号采集硬件电路具体设计 15
一、穿戴式心电信号信号的拾取 15
二、穿戴式心电信号采集信号放大电路的设计 15
1、前置放大电路设计 16
2、二级放大电路设计 18
三、穿戴式心电信号采集滤波电路设计 19
1、滤波器元器件选择标准 19
2、50Hz陷波器电路设计 19
3、0.05Hz到100Hz带通滤波器电路设计 21
四、电源单元 26
第三节 穿戴式心电信号采集电路的焊接及PCB板的绘制 26
一、焊接电路板 26
二、绘制PCB板 27
第四节 本章小结 28
第四章 穿戴式心电信号采集电路的优化与测试 29
第一节 穿戴式心电信号采集电路的优化 29
一、滤波电路的优化 29
二、穿戴式心电信号信号采集电路其他性能优化 32
第二节 测试结果 33
第三节 本章小结 35
第五章 总结与展望 36
第一节 论文工作总结 36
第二节 展望 37
致 谢 38
参考文献 39
附 录 40
三、设计图、调试实物图 51
第三章 心电采集硬件电路设计
第一节 心电采集模块的总体硬件设计
硬件电路设计是本课题的精髓，它在很大程度上决定了整个系统的整体性能。根据应用环境与系统功能的要求，本文将硬件电路分为拾取部分、预处理部分及显示部分。
由于穿戴式心电信号信号十分微弱，频率低，噪声强烈，并且设备还要直接与人体接触，这就要求本课题所设计的电路必须考虑到以上诸多因素，既要求取得较好地提取信号的效果，又不能对人体造成伤害。综上考虑，分析思路如下。
一、系统硬件电路设计原则
本课题的目的是将从人体体表提取到的含有大量噪声的穿戴式心电信号信号进行预处理，得到比较干净完整的信号。考虑到穿戴式心电信号信号本身的特征和作用对象的特殊性，所以研究开发过程中在考虑硬件滤波设计基本要求的同时必须考虑到人体的安全。实验的成功与否关系到最终检测是否正确，会不会出现误判，甚至关系到人身安全。所以在设计硬件滤波系统时必须遵循如下原则[10]：
①安全性原则
本课题所设计的设备是用来采集穿戴式心电信号，属于简易的医疗仪器，故系统在设计制作要符合医疗仪器设备的安全规定，保证其电气性能安全。为了达到此要求，本课题选用5V低压电源，并且做到隔墙，这样即使漏电了也不会对人身安全造成伤害，保证了电气安全。
②低通性原则
在精密医疗仪器信号提取过程中，必须使用模拟低通滤波器，并且要滤除低频与直流干扰。低通滤波器的具体作用有两个方面：首先防止信号“混迭”也即是滤噪；其次提高系统精度，以免信号失真。假如，心电提取系统没有硬件滤波电路，而仅有数字滤波，当所需频带外的噪声信号足够强时，其也将进入A/D转换器，信号的信噪比下降，进一步降低了A/D转换器的精度[11]。
③适用性原则
本课题主要是为了采集穿戴式心电信号信号，考虑到后续工程的需要，为今后实现便携做准备，尽量做到低功耗。
④准确性原则
系统应该能够准确测量人体微弱的穿戴式心电信号，并且尽量减少信号受到环境感应电与周围设备静电的干扰，这些在元器件选择、去耦滤波及PCB板布局布线时都应当考虑到。
⑤可靠性原则
系统在设计时首先考虑使用典型电路，为硬件系统的模块化及标准化作铺垫，并且在硬件设计过程中参考标准穿戴式心电信号对硬件电路设计进行优化，最终使系统性能达到最优。最后保证系统能够长期稳定可靠地运行。
二、系统建模
基于本课题所研究的穿戴式心电信号的特点，综合以上几点考虑，将系统框图初步设计如图3.1所示。
图3.1 系统模型框图
由系统模型框图3.1得知，穿戴式心电信号采集节点完成从拾取电极拾取人体穿戴式心电信号信号，最终完成穿戴式心电信号信号的显示，主要完成以下工作[12]：
①穿戴式心电信号数据拾取
穿戴式心电信号模块通过拾取节点与人体相连，拾取人体体表微弱生理信号并转换成电信号输入到输入端。其中，拾取电极有多种连接方法，当拾取电极与人体接触位置不同时穿戴式心电信号形将有相应变化。本课题所用的信号是来自穿戴式心电信号发生器，其产生的信号和从人体体表直接拾取的信号特点几乎是一样的，故与该设备直接作用于人体理论上是一致的。
②穿戴式心电信号数据放大滤波
该部分包括一级放大电路即前置放大、0.05Hz高通、100Hz低通、50Hz陷波和二级放大。主要完成对穿戴式心电信号原始信号的预处理，放大滤波，让得到的信号满足我们的要求。由于穿戴式心电信号信号非常微弱，峰值最高只有十个毫伏级，且含有大量噪声，为了能使信号正常的显示，本文转载自http://www.biyezuopin.vip/onews.asp?id=6858并且方便以后对该设备的完善，为后续工作做好准备，故要尽量让所得到的穿戴式心电信号信号更加干净，并且峰值达到伏级以上。
③穿戴式心电信号信号显示
本课题所用的显示装置是示波器。为了方便地检测所得到的穿戴式心电信号信号的效果，故需要对穿戴式心电信号信号进行实时显示，这也给调试电路带来很大的参考价值。如何证明本课题所设计的硬件电路能够对穿戴式心电信号信号进行处理，达到了什么样的效果，以及进行怎样的调试，示波器所显示的波形都是一把很好的标尺。故显示部分对本课题也是必不可少的。
