引言
自1903年愛因多芬發(fā)明了心電圖儀，百年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開發(fā)了大量行之有效的方法來采集和分析心電(ECG)，腦電(EEG)，肌電(EMG)，胃電(EGG)等人體生物電信號，為醫(yī)生的診斷提供了大量有意義的參考數(shù)據(jù)。
在這些生物電信號采集分析系統(tǒng)中，信號的隔離設(shè)計(jì)必不可少，它一方面能夠防止被測人員觸電[1]。另一方面切斷了系統(tǒng)前后端的電氣連接，降低電磁干擾對信號的影響[1][3]。但是目前的生物信號系統(tǒng)中往往采用成本高，耗電多，體積大的傳統(tǒng)的模擬隔離的方法，造成相關(guān)儀器成本高，無法便攜化和家用化。
本文闡述了一種用Microchip智能傳感器解決方案，將具有信號處理能力和模擬功能的DSC器件放在隔離前端的模塊內(nèi)，在模塊內(nèi)的隔離系統(tǒng)之前對模擬信號進(jìn)行數(shù)字處理(包括采樣和濾波處理)，變傳統(tǒng)的隔離模擬信號為隔離數(shù)字信號的方法。這種方法具有以下優(yōu)勢：
1、 隔離電路不再傳遞容易失真的模擬信號，改為傳遞抗噪性能較強(qiáng)的數(shù)字信號，且縮短了模擬信號傳遞的路徑，可以大大提高生物電信號采集系統(tǒng)的信噪比。
2、 由于將具有數(shù)字信號處理能力的器件放在隔離前端，系統(tǒng)用過采樣和數(shù)字濾波的方法取代模擬低通濾波器和工頻陷波器，降低了電路的復(fù)雜程度、功耗和成本。
3、 在多路采集系統(tǒng)中傳統(tǒng)方法需要和信號路數(shù)相同的模擬隔離電路，而采用智能傳感器方案則只需一個(gè)數(shù)字隔離通道。成倍的降低了功耗和成本。
4、 采用數(shù)字隔離電路，降低所需電壓和電流，實(shí)現(xiàn)便攜化并降低了成本。
5、 無需主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)干預(yù)信號的采樣和濾波過程，分擔(dān)了中央處理器的工作負(fù)擔(dān)，降低了軟件開發(fā)的總體難度。
6、 數(shù)字隔離方法省去了過去系統(tǒng)人工挑選配對光耦和調(diào)整工作點(diǎn)的過程，節(jié)約了大量的人力，適于批量生產(chǎn)。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)生物電信號采集系統(tǒng)一般具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
圖1 傳統(tǒng)生物電信號采集系統(tǒng)框圖
其中的模擬隔離放大器通常采用圖2所示電路，由普通數(shù)字光耦構(gòu)成。
圖2利用兩只光耦的一致性構(gòu)成的模擬隔離放大器
光耦VT1和VT2是經(jīng)過人工挑選，電流傳輸比一致性較好的普通光耦。這樣生產(chǎn)者不但需用人工從一批光耦中尋找電流傳輸比接近的兩只配對使用。另外，由于很難找到兩只電流傳輸比在整個(gè)工作范圍都相等的普通光耦，不一樣的電流傳輸比，將帶來信號協(xié)波失真。該方法還需要高達(dá)正負(fù)10V以上的電源電壓為模擬電路供電，極不利于產(chǎn)品向低電壓，低功耗和電池供電的便攜化方向發(fā)展。
如果采用各大公司生產(chǎn)的集成模擬隔離放大器(如AD20，ISO124[1] [4])能夠有效降低信號的協(xié)波失真。但由于這類器件往往采用高頻調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)隔離，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，且需要較高的正負(fù)雙電源電壓供電，增大了系統(tǒng)的總功耗;另外為了防止高頻調(diào)制信號造成結(jié)果的混疊現(xiàn)象，必須在這類隔離放大器之后增加模擬有源低通濾波器濾波。
綜上，開發(fā)一種能夠同時(shí)解決失真度和功耗問題的隔離方法是下一代的便攜式生物電信號儀器的必然要求。
基于數(shù)字隔離的生物電信號采集模塊
總體設(shè)計(jì)思路
本文提出圖3所示的，采用隔離數(shù)字信號的方法代替隔離模擬信號的方法。將具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和數(shù)字信號處理能力的DSC放到隔離前端，直接對模擬信號采樣和進(jìn)行數(shù)字濾波，再傳遞經(jīng)過處理的數(shù)字信號的方法。
圖3 基于DSC和數(shù)字隔離的新型生物電信號采集系統(tǒng)
圖3所示的系統(tǒng)在降低隔離電路失真度的前提下大幅度的降低了總功耗和生產(chǎn)成本，原因在于：省去了復(fù)雜的模擬隔離電路，可以使用3V的單電源供電;整個(gè)數(shù)字隔離電路不存在電路工作點(diǎn)的調(diào)整和穩(wěn)定問題，降低了靜態(tài)工作電流，提高了溫度穩(wěn)定性;利用DSC的高運(yùn)算速度和采樣率，實(shí)現(xiàn)過采樣和數(shù)字濾波，取代模擬低通濾波器和工頻陷波器，進(jìn)一步降低電路的復(fù)雜程度和功耗;所有器件可以直接使用，省去了挑選配對光耦和工作點(diǎn)的調(diào)整過程，節(jié)約了大量的人力，適于批量生產(chǎn)。
另外，在實(shí)際電路中，往往需要多路同時(shí)采集(一般心電信號需要3-12路，肌電信號需要4路信號同時(shí)采集)。如果使用傳統(tǒng)的隔離模擬信號的方法，隔離通道數(shù)必須和信號路數(shù)相同;而本文提出的數(shù)字隔離方法，只需將數(shù)字通訊的帶寬平均分頻給每個(gè)通道，這樣只要一套DSC和數(shù)字隔離電路就可以同時(shí)完成多個(gè)通道的數(shù)據(jù)隔離和傳輸任務(wù)。
