信号调理器、心电检测装置及信号调理方法与流程

本发明涉及心电检测技术领域，特别涉及一种信号调理器、心电检测装置及信号调理方法。

背景技术：

传统对于心电信号检测，一般采用分立元器件搭建的信号调理电路实现。但是，采用分立元器件搭建信号调理电路，不但物料成本高，电路功耗大，而且占用设计空间，造成电子设备体积大。同时，由于采用过多的分立器件，不仅在批量生产时性能不够稳定，而且长期使用时的可靠性也难以保证。传统的信号调理电路的上述缺点，使其不能满足便携式设备及可穿戴设备对电子系统体积、功耗以及性能稳定性和可靠性的要求。

技术实现要素：

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的信号调理器、心电检测装置及信号调理方法，不仅能够更好地满足便携式设备及可穿戴设备对电子系统体积和功耗的要求，而且还能够有效地提高信号调理的稳定性和可靠性。

本发明提供了一种信号调理器，所述信号调理器包括依次连接的高通滤波放大电路、可变增益放大电路、低通滤波电路、平滑滤波电路和模数转换电路；

所述高通滤波放大电路，用于接收待测模拟信号，对所述待测模拟信号进行高通滤波及放大处理，并将放大处理后的模拟信号输出至所述可变增益放大电路的输入端；

所述可变增益放大电路，用于对输入的模拟信号进行放大处理，并将放大处理后的模拟信号输出至所述的低通滤波电路的输入端；

所述低通滤波电路，用于将输入的模拟信号进行低通滤波后输出至所述平滑滤波电路的输入端；

所述平滑滤波电路，用于将输入的模拟信号进行平滑滤波处理和增益调节后输出至所述模数转换电路的输入端；

所述模数转换电路用于将输入的模拟信号转换为数字信号。

可选地，所述高通滤波放大电路为输入范围大于预设值的宽带线性放大电路。

可选地，所述低通滤波电路为基于开关电容实现的低通滤波电路。

可选地，所述信号调理器还包括截止频率设置电路；

所述截止频率设置电路与所述低通滤波电路连接，用于接收预设截止频率信息并根据所述预设截止频率信息设置所述低通滤波电路的截止频率。

可选地，所述信号调理器还包括采样频率设置电路；

所述采样频率设置电路与所述模数转换电路连接，用于接收预设采样频率信息并根据所述预设采样频率信息设置所述模数转换电路的采样频率。

可选地，所述信号调理器还包括增益控制电路；

所述增益控制电路分别与所述可变增益放大电路和所述平滑滤波电路连接，用于接收预设增益控制信息并根据所述预设增益控制信息设置所述可变增益放大电路和所述平滑滤波电路的增益。

本发明还提供了一种信号调理方法，该方法包括：

接收待测模拟信号，并将所述待测模拟信号进行高通滤波；

将经过高通滤波的模拟信号进行放大；

将经过放大的模拟信号进行低通滤波；

将经过低通滤波的模拟信号进行平滑滤波和增益调节；

将经过平滑滤波和增益调节后的模拟信号转换为数字信号。

本发明还提供一种心电检测装置，所述心电检测装置包括如上所述的信号调理器，所述装置还包括心电信号传感器、心电信号处理模块；

所述心电信号传感器与所述信号调理器中的高通滤波放大电路连接，用于将检测到的待测心电模拟信号输出至所述高通滤波放大电路；

所述心电信号处理模块与所述信号调理器中的模数转换电路连接，用于接收所述模数转换电路输出的心电数字信号并根据所述心电数字信号获得心电参数。

可选地，所述装置还包括数字陷波滤波器，所述数字陷波滤波器与所述模数转换电路的输出端连接，用于接收所述模数转换电路输出的心电数字信号并将所述心电数字信号中的工频干扰滤除。

可选地，所述装置还包括数字低通滤波器，所述数字低通滤波器与所述数字陷波滤波器的输出端连接，用于接收所述数字陷波滤波器输出的心电数字信号并将所述心电数字信号中的高频杂波滤除。

可选地，所述装置还包括数据缓存模块，所述数据缓存模块与所述数字低通滤波器的输出端连接，用于接收和存储所述数字低通滤波器输出的心电数字信号。

可选地，所述装置还包括通信模块，所述通信模块与所述数据缓存模块连接，用于获取所述数据缓存模块中存储的心电数字信号，并将所述心电数字信号上传。

可选地，所述装置还包括增益控制单元，所述增益控制单元分别与所述通信模块和所述数据缓存模块的输出端连接，用于根据数据缓存模块中存储的心电数字信号动态计算心电幅值，并根据所述心电幅值调节所述增益控制信息，或者根据通信模块接收到的增益设置信息调节所述增益控制信息。

可选地，所述增益控制单元与所述增益控制电路的输入端连接，用于将获取调节后的增益控制信息并将所述增益控制信息转换为所述可变增益放大电路和平滑滤波器所需的增益控制信号，以调节所述可变增益放大电路和平滑滤波器的增益。

可选地，所述通信模块还与所述心电信号处理模块连接，所述通信模块还用于接收所述心电信号处理模块获得的心电参数并将所述心电参数上传。

通过上述技术方案，本发明取得的有益效果包括：

根据本发明实施例的信号调理器、心电检测装置及信号调理方法，首先采用所述高通滤波放大电路对心电模拟信号高通滤波，这样可以滤除心电模拟信号中的基线漂移；然后采用所述可变增益放大电路对心电模拟信号进行放大，增大心电信号的幅值，提高所采集心电信号的抗干扰和抗噪声的能力；然后采用所述低通滤电路对所述模拟信号进行低通滤波处理，这样可以滤除高频干扰，从而降低后续电路对所述模拟信号的线性度的要求，防止后续电路出现饱和；最后采用所述平滑滤波电路对心电模拟信号进行进一步滤波处理并将幅度调节到所述模数转换电路的模拟输入范围，并采用所述模数转换电路将模拟信号转换为数字信号。本发明实施例的信号调理器的各个组成电路有机地结合在一起，各个组成电路在功能上彼此支持，不仅对于心电模拟信号调理的稳定性和可靠性显著提高，而且基于本发明实施例的信号调理器的上述结构的各个组成电路均有利于基于集成电路工艺实现，因而功耗更低、节约设计空间，能够更好地满足便携式设备及可穿戴设备对电子系统体积和功耗的要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的信号调理器结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的信号调理器结构示意图；

图3是本发明再一实施例提供的信号调理器结构示意图；

图4是本发明实施例提供的信号调理方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的心电检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的信号调理器结构示意图，本实施例中，该信号调理器用于心电检测装置，将心电信号传感器检测到的心电模拟信号调理成心电数字信号，以供所述心电检测装置中的后续电路进一步处理。如图1所示，所述信号调理器包括：高通滤波放大电路1、可变增益放大电路2、低通滤波电路3、平滑滤波电路4和模数转换电路5。

其中，所述高通滤波放大电路1用于接收待测模拟信号，对所述待测模拟信号进行高通滤波及放大处理，并将放大处理后的模拟信号输出至所述可变增益放大电路2的输入端。具体地，所述高通滤波放大电路1可以采用基于集成电路工艺的放大电路、电容和伪电阻构成的交流耦合电容反馈式高通滤波放大电路。其中，所述放大电路和所述伪电阻均可以分别均由晶体管构成。所述高通滤波放大电路1可以实现对心电模拟信号的高通滤波，同时可以实现心电模拟信号的放大；通过对心电模拟信号高通滤波，可以滤除心电模拟信号中的基线漂移；另外所述高通滤波放大电路1具有高输入阻抗以及高共模抑制比的特点，可以抑制由于市电所引起的工频干扰对心电模拟信号的影响。所述高通滤波放大电路为输入范围大于预设值的宽带线性放大电路。

所述可变增益放大电路2用于对输入的模拟信号进行放大处理，并将放大处理后的模拟信号输出至所述的低通滤波电路3的输入端。其中，所述可调增益放大电路2可以采用电容反馈构成的放大电路实现，并且通过调节输入电容或者反馈电容的值来设定不同的增益；也可以采用电阻反馈构成的放大电路实现，并且通过调节输入电阻或者反馈电阻的值来设定不同的增益。

所述低通滤波电路3用于将其输入端输入的模拟信号进行低通滤波后输出至所述平滑滤波器4的输入端。所述低通滤波电路3可以采用多种构成方式实现，例如可以是基于跨导电路及电容构成的滤波器，可以是基于运放及电容构成的开关电容滤波器，可以是基于集成电路工艺中的晶体管、电阻及电容构成的滤波器。其中，所述滤波器可以是但不限于巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器。所述低通滤波电路3对所述模拟信号进行低通滤波处理，可以滤除高频干扰，从而降低后续电路对所述模拟信号的线性度的要求，防止后续电路出现饱和。

所述平滑滤波电路4用于将输入的模拟信号进行进一步平滑滤波处理和增益调节后输出至所述模数转换电路5的输入端。所述平滑滤波电路4可以采用多种构成方式实现，例如可以是基于跨导电路及电容构成的滤波器，可以是基于集成电路工艺中的晶体管、电阻及电容构成的滤波器。所述平滑滤波电路4对所述模拟信号进行进一步滤波处理和增益调节后至所述模数转换电路5的输入端。

所述模数转换电路5用于将其输入端输入的模拟信号转换为数字信号。所述模数转换电路5可以采用逐次比较型模数转换器实现，也可以采用积分法构成的滤波器实现，还可以采用δ∑模数转换器实现。进一步，所述信号调理器还可以包括采样频率设置电路7，所述采样频率设置电路7与所述数模转换电路5连接，用于接收预设采样频率信息并根据所述预设采样频率信息设置所述模数转换电路的采样频率，以实现调节所述数模转换电路5的采样频率。通过所述采样频率调节电路7可以使所述数模转换电路5能够根据心电模拟信号检测需要进行采样频率的设置。

需要说明的是，还可以根据需要增加直流失调电压消除模块，以通过反馈的方式消除电路中的直流失调电压的影响。另外，所述高通滤波放大电路1也可以采用其它放大电路来替换，所增加的放大电路可以采用电阻反馈式或电容反馈方式。

根据本发明实施例的信号调理器，首先采用所述高通滤波放大电路1对心电模拟信号高通滤波，这样可以滤除心电模拟信号中的基线漂移；然后采用所述可变增益放大电路2对心电模拟信号进行放大，增大心电信号的幅值，提高所采集心电信号的抗干扰和抗噪声的能力；然后采用所述低通滤电路3对所述模拟信号进行低通滤波处理，这样可以滤除高频干扰，从而降低后续电路对所述模拟信号的线性度的要求，防止后续电路出现饱和；最后采用所述平滑滤波电路4对心电模拟信号进行进一步滤波处理并将幅度调节到所述模数转换电路的模拟输入范围，并采用所述模数转换电路5将模拟信号转换为数字信号。本发明实施例的信号调理器的各个组成电路有机地结合在一起，各个组成电路在功能上彼此支持，不仅对于心电模拟信号调理的稳定性和可靠性显著提高，而且基于本发明实施例的信号调理器的上述结构的各个组成电路均有利于基于集成电路工艺实现，因而功耗更低、节约设计空间，能够更好地满足便携式设备及可穿戴设备对电子系统体积和功耗的要求。

作为优选的实施方式，如图2所示，所述信号调理器还包括截止频率设置电路6，所述截止频率设置电路6与所述低通滤波电路3连接，用于接收预设截止频率信息并根据所述预设截止频率信息设置所述低通滤波电路的截止频率，以实现调节所述低通滤波电路3的截止频率。通过所述截止频率调节电路6可以使所述低通滤波电路3能够根据心电模拟信号检测需要进行滤波带宽的设置。所述截止频率设置电路6可以由基于集成电路工艺中晶体管、电阻、电容以及逻辑电路实现，所述逻辑电路包括可实现控制逻辑的非门、与非门等。通过所述截止频率设置电路6可以将所述低通滤波电路3的截止频率校准到预设截止频率，所述预设截止频率可以根据实际需要确定。

作为优选的实施方式，如图3所示，所述信号调理器还包括增益控制电路8，所述增益控制电路8分别与所述可变增益放大电路2和所述平滑滤波电路4连接，用于接收预设增益控制信息并根据所述预设增益控制信息设置所述可变增益放大电路2和所述平滑滤波电路4的增益。所述增益控制电路8可以由基于集成电路工艺中非门、与非门、或非门等逻辑器件组成的逻辑电路实现。具体地，所述可变增益放大电路2或所述平滑滤波电路4可以采用电容反馈构成的放大电路实现，所述增益控制信号通过调节该放大电路的输入电容或者反馈电容的值来设定所述可变增益放大电路2和所述平滑滤波电路4的增益；所述可变增益放大电路2或所述平滑滤波电路4也可以采用电阻反馈构成的放大电路实现，所述增益控制信号通过调节该放大电路的输入电阻或者反馈电阻的值来设定所述可变增益放大电路2或所述平滑滤波电路4的增益。

实施例二

图4是本发明实施例二提供的信号调理方法流程示意图，所述方法用于心电检测装置中，将心电模拟信号调理为心电数字信号，以供进一步处理。如图4所示，所述方法包括以下步骤：

s11、接收待测模拟信号，并将所述待测模拟信号进行高通滤波。其中所述模拟信号可以是心电模拟信。通过对心电模拟信号高通滤波，可以滤除心电模拟信号中的基线漂移。具体地，可以通过构建高通滤波器，对心电模拟信号进行高通滤波。

s12、将经过高通滤波的模拟信号进行放大。具体地，可以通过构建放大电路对心电模拟信号进行放大。

s13、将经过放大的模拟信号进行低通滤波。通过对所述模拟信号进行低通滤波处理，可以滤除高频干扰，从而降低后续对所述模拟信号进一步处理时对所述模拟信号的线性度的要求。具体地，可以通过构建低通滤波电路，对心电模拟信号进行低通滤波。

s14、将经过低通滤波的模拟信号的进行平滑滤波并将幅度调节到预设范围。所述预设范围即为所述心电装置中模数转换电路的模拟输入范围。具体地，可以通过构建具有增益调节的平滑滤波电路，将所述模拟信号进行平滑滤波并将幅度调节到所述模数转换电路的模拟输入范围。

s15、将经过平滑滤波和增益调节后的模拟信号转换为数字信号。具体地，可以通过构建模数转换电路，将所述模拟信号转换为数字信号。

根据本发明实施例的信号调理方法，首先接收模拟信号并将所述模拟信号进行高通滤波，这样可以滤除心电模拟信号中的基线漂移；然后将经过高通滤波的模拟信号进行放大，并将经过放大的模拟信号进行低通滤波，这样可以滤除高频干扰，从而降低后续电路对所述模拟信号的线性度的要求，防止后续电路出现饱和；最后将经过低通滤波的模拟信号进一步滤波并将幅度调节到预设范围，并将经过调节后的模拟信号转换为数字信号。本发明实施例的信号调理方法的各个步骤有机地结合在一起，各个步骤在功能上彼此支持，不仅对于心电模拟信号的调理的稳定性和可靠性显著提高，而且基于本发明实施例的信号调理方法构建的相应功能的电路均有利于基于集成电路工艺实现，因而功耗更低、节约设计空间，能够更好地满足便携式设备及可穿戴设备对电子系统体积和功耗的要求。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

实施例三

图5为本发明实施例三提供的心电检测装置结构示意图。如图5所示，所述心电检测装置包括信号调理器，所述信号调理器是图1中的信号调理器，所述信号调理器的具体功能和电路结构参见图1对应实施例的描述，在此不再赘述。

如图5所示，所述心电检测装置还包括心电信号传感器9、心电信号处理模块12。所述心电信号传感器9与所述信号调理器中的高通滤波放大电路1连接，用于将检测到的待测心电模拟信号输出至所述高通滤波放大电路1。

所述心电信号处理模块12与所述信号调理器中的模数转换电路5连接，用于接收所述模数转换电路5输出的心电数字信号并根据所述心电数字信号获得心电参数。具体地，所述心电信号处理模块12包括心电参数信息存储单元19和心电数据处理单元18，所述心电参数信息存储单元19用于存储心电信号处理中所述心电数据处理单元18所需的参数信息和规则信息；所述心电数据处理单元18与所述心电参数信息存储单元19连接，用于通过心电数据处理算法实现心电数字信号的智能处理，以获得心率、疲劳度、心脏状态等心电参数。所述心电参数信息存储单元19可以通过寄存器、静态随机存取存储器等方式实现；所述心电数据处理单元18可以采用基于门、与非门及或非门等逻辑器件构成的逻辑电路及处理器实现。

作为优选的实施方式，所述装置还包括数字陷波滤波器10，所述数字陷波滤波器10连接在所述信号调理器的输出端，具体地是连接在所述信号调理器的模数转换电路5的输出端，用于接收所述模数转换电路5输出的心电数字信号并将所述心电数字信号中的工频干扰滤除。所述数字陷波滤波器10基于数字高价带阻滤波器，可以滤除心电数字信号中的50hz和/或60hz工频干扰。所述数字陷波滤波器10可以通过乘法器、加法器及由非门、或非门等逻辑器件构成的高价带阻滤波器实现。

作为优选的实施方式，所述装置还包括数字低通滤波器11，所述数字低通滤波器11连接在所述数字陷波滤波器10和所述心电信号处理模块12之间，具体地是连接在所述述数字陷波滤波器10和所述心电信号处理模块12的心电数据处理单元18之间，用于接收所述数字陷波滤波器10输出的心电数字信号并将所述心电数字信号中的高频干扰滤除后输出至所述心电信号处理模块12的心电数据处理单元18。所述数字低通滤波器11基于数字高价低通滤波器，可以滤除所述心电数字信号中的剩余高频杂波滤除。所述数字低通滤波器11可以通过乘法器、加法器及由非门、或非门等逻辑器件构成的高价低通滤波器实现。

进一步地，所述装置还包括数据缓存模块14，所述数据缓存模块14与所述数字低通滤波器11的输出端连接，用于接收和存储所述数字低通滤波器11输出的心电数字信号。所述数据缓存模块14可以通过寄存器、静态随机存取存储器等方式实现。

进一步地，所述装置还包括通信模块13，所述通信模块13与所述数据缓存模块14连接，用于接收所述数据缓存模块14存储的心电数字信号并将所述心电数字信号上传至客户端。

此外，所述装置还可以包括状态信息存储单元15、配置控制寄存器16和增益控制单元17。

其中，所述增益控制单元17用于根据数据缓存模块中存储的心电数字信号动态计算心电幅值，并根据所述心电幅值调节所述增益控制信息，或者根据通信模块接收到的增益设置信息调节所述增益控制信息。进一步地，所述固定增益控制电路8与所述增益控制单元17连接，从所述增益控制单元17中获取预调节后的增益控制信息并将所述调节后的增益控制信息转换为所述可变增益放大电路2和平滑滤波器4所需的增益控制信号，以调节所述可变增益放大电路2和平滑滤波器4的增益。所述增益控制单元17可以通过乘法器、加法器及由非门、或非门等逻辑器件构成的运算单元和由寄存器、静态随机存取存储器等构成的存储单元来实现。

具体地，所述配置控制控制寄存器16用于存储和预设心电模拟信号采集的配置信息。所述配置控制控制寄存器16还与所述截止频率校设置电路6连接，用于将所述预设截止频率输出至所述截止频率设置电路6，进而，所述截止频率设置电路6接收所述预设截止频率并根据所述预设截止频率控制所述低通滤波电路3的截止频率，以使所述低通滤波电路3适合心电信号检测。所述配置控制控制寄存器16还与所述模数转换电路5连接，用于根据所述采样频率预设值设置所述模数转换电路5的采样频率，以使所述模数转换电路5适合心电信号检测。所述配置控制控制寄存器16可以通过寄存器、静态随机存取存储器等方式实现。。

所述状态信息存储单元15用于存储滤波器截止频率、模数转换器采样频率、增益模块的增益设置值、传感器脱落等状态信息。其中，所述传感器脱落检测为所述心电信号传感器9连接状态的标志，当所述心电信号传感器9未连接或接触不良均为所述传感器脱落状态。所述状态信息存储单元15可以通过寄存器、静态随机存取存储器等方式实现。

需要说明的是，所述通信模块13还可以与所述心电信号处理模块12连接，用于接收所述心电信号处理模块12获得的心电参数并将所述心电参数上传至客户端；具体地，所述通信模块13是与所述心电数据处理单元18连接，用于将所述心电数据处理单元18获得的心率、疲劳度、心脏状态等心电参数上传至客户端。所述通信模块13还可以与所述心电参数信息存储单元19连接，用于将客户端输出的所述心电数据处理单元18所需的参数信息和规则信息传输至所述心电参数信息存储单元19。所述通信模块13还可以与所述状态信息存储单元15连接，用于将所述状态信息存储单元15存储的滤波器截止频率、模数转换器采样频率、增益模块的增益设置值、传感器脱落等状态信息上传至客户端。所述通信模块13还可以与所述配置控制寄存器16连接，用于将客户端输出的心电工作配置信息传输至所述配置控制寄存器16。所述通信模块13还可以与所述增益控制单元17连接，用于将客户端输出的增益控制方式、预设固定增益等控制信息传输至所述增益控制单元17。在本实施例中，所述通信模块13具体包括心电检测装置与客户端进行信息交互的包协议、数据格式等协议规范，以及与客户端交互的物理连接接口。其中，所述物理连接接口可以包括i2c、spi、uart等常用数据接口。在此对上述内容不作限定。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。