基于PSoC处理器的心电信号采集系统及其采集方法技术领域
本发明涉及心电信号采集处理领域，特别是涉及基于PSoC处理器的心电信号采集
系统及采集方法。
背景技术
心脏周围的组织和体液都能导电，可将其看作一个容积导体，心肌细胞动作电位
变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之
间无电位差是等电位的。心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生
物电的变化，这些生物电的变化称为心电。心电是人的生命体征信号之一，可以精准地反映
出人在不同状态下心脏活动的信息，它不仅为心脏功能的变化和心脏疾病的诊断，提供了
一个很有价值意义的参考，还在生物身份识别技术上提供了一种新的身份验证方式。心电
信号是一种典型的非平稳微弱信号，幅值低，频率低，所以在心电信号的提取过程中，极易
受各种干扰。因此在采集心电信号时，需要进行去噪处理。目前的心电信号去噪相关技术，
大多数基于FPGA实现心电去噪，虽然FPGA可以通过设计来实现软核处理，但是设计难度大，
而且功耗较大，难以在硬件上实施推广。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供基于PSoC处理器的心电信号采集
系统，本发明的另一目的是提供一种基于PSoC处理器的心电信号采集系统的采集方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于PSoC处理器的心电信号采集系统，包括PSoC处理器和用于采集心电信号的传
感器电极，所述PSoC处理器包括信号放大模块、AD转换模块、数字去噪模块和蓝牙模块，所
述传感器电极的输出端依次通过信号放大模块、AD转换模块和数字去噪模块后与蓝牙模块
的输入端连接。
进一步，所述信号放大模块采用由两个运算放大器构成的同相模拟增益放大器。
进一步，所述AD转换模块采用Δ-∑ADC模块。
进一步，所述数字去噪模块包括：
分解子模块，用于利用墨西哥帽小波变换对心电信号进行9层小波提升分解；
阈值计算子模块，用于计算获得分解后的各层系数的加权阈值；
去噪子模块，用于对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理；
重构子模块，用于对分解获得的各层的信号从后往前进行重构。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：
基于PSoC处理器的心电信号采集系统的采集方法，包括步骤：
采用传感器电极采集原始心电信号；
将原始心电信号进行放大并进行AD转换后得到数字心电信号；
对数字心电信号进行数字去噪处理；
将去噪后的心电信号通过蓝牙通信方式进行传输。
进一步，所述对数字心电信号进行数字去噪处理的步骤，具体包括：
利用墨西哥帽小波变换对心电信号进行9层小波提升分解；
计算获得分解后的各层系数的加权阈值；
对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理；
对分解获得的各层的信号从后往前进行重构。
进一步，所述计算获得分解后的各层系数的加权阈值的步骤，其具体为：
根据下式，依次计算获得分解后的各层系数的加权阈值：
上式中，thrk表示第k层系数的加权阈值，k＝1,2,3…，9，n表示信号的长度，σ表示
噪声强度，且其中，d(k)为提升分解后各层的细节系数，αk为每层小波
去噪阈值的权重系数。
进一步，所述对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理的步骤，其具
体为：
将小波分解后的每一层的小波系数与加权阈值进行比对后，将小于加权阈值的小
波系数进行置零。
进一步，所述对分解获得的各层的信号从后往前进行重构的步骤，其具体为：
对分解获得的各层的信号，从后往前进行小波系数的小波重构，最后获得去噪后
的数字心电信号。
本发明的有益效果是：本发明的基于PSoC处理器的心电信号采集系统，包括PSoC
处理器和用于采集心电信号的传感器电极，PSoC处理器包括信号放大模块、AD转换模块、数
字去噪模块和蓝牙模块，传感器电极的输出端依次通过信号放大模块、AD转换模块和数字
去噪模块后与蓝牙模块的输入端连接。本心电信号采集系统设计难度低，功耗低，灵活性
高，而且采集精确度高。
本发明的另一有益效果是：本发明的基于PSoC处理器的心电信号采集系统的采集
方法，包括步骤：采用传感器电极采集原始心电信号；将原始心电信号进行放大并进行AD转
换后得到数字心电信号；对数字心电信号进行数字去噪处理；将去噪后的心电信号通过蓝
牙通信方式进行传输。本采集方法采集精确度高，可以获得更为精确的心电信号。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的基于PSoC处理器的心电信号采集系统的结构框图；
图2是本发明的基于PSoC处理器的心电信号采集系统的信号放大模块的结构示意
图；
图3是本发明的基于PSoC处理器的心电信号采集系统的数字去噪模块的结构框
图；
图4是本发明的基于PSoC处理器的心电信号采集系统的采集方法的流程图。
具体实施方式
参照图1，本发明提供了一种基于PSoC处理器的心电信号采集系统，包括PSoC处理
器和用于采集心电信号的传感器电极，所述PSoC处理器包括信号放大模块、AD转换模块、数
字去噪模块和蓝牙模块，所述传感器电极的输出端依次通过信号放大模块、AD转换模块和
数字去噪模块后与蓝牙模块的输入端连接。
进一步作为优选的实施方式，参照图2，所述信号放大模块采用由两个运算放大器
构成的同相模拟增益放大器。
进一步作为优选的实施方式，所述AD转换模块采用Δ-∑ADC模块。
进一步作为优选的实施方式，参照图3，所述数字去噪模块包括：
分解子模块，用于利用墨西哥帽小波变换对心电信号进行9层小波提升分解；
阈值计算子模块，用于计算获得分解后的各层系数的加权阈值；
去噪子模块，用于对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理；
重构子模块，用于对分解获得的各层的信号从后往前进行重构。
参照图4，本发明还提供了一种基于PSoC处理器的心电信号采集系统的采集方法，
包括步骤：
采用传感器电极采集原始心电信号；
将原始心电信号进行放大并进行AD转换后得到数字心电信号；
对数字心电信号进行数字去噪处理；
将去噪后的心电信号通过蓝牙通信方式进行传输。
进一步作为优选的实施方式，所述对数字心电信号进行数字去噪处理的步骤，具
体包括：
利用墨西哥帽小波变换对心电信号进行9层小波提升分解；
计算获得分解后的各层系数的加权阈值；
对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理；
对分解获得的各层的信号从后往前进行重构。
进一步作为优选的实施方式，所述计算获得分解后的各层系数的加权阈值的步
骤，其具体为：
根据下式，依次计算获得分解后的各层系数的加权阈值：
上上式中，thrk表示第k层系数的加权阈值，k＝1,2,3…，9，n表示信号的长度，σ表
示噪声强度，且其中，d(k)为提升分解后各层的细节系数，αk为每层小波
去噪阈值的权重系数。
进一步作为优选的实施方式，所述对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去
噪处理的步骤，其具体为：
将小波分解后的每一层的小波系数与加权阈值进行比对后，将小于加权阈值的小
波系数进行置零。
进一步作为优选的实施方式，所述对分解获得的各层的信号从后往前进行重构的
步骤，其具体为：
对分解获得的各层的信号，从后往前进行小波系数的小波重构，最后获得去噪后
的数字心电信号。
以下结合具体实施例对本发明做详细说明。
实施例一
参照图1，本发明提供了一种基于PSoC处理器的心电信号采集系统，包括PSoC处理
器和用于采集心电信号的传感器电极，PSoC处理器包括信号放大模块、AD转换模块、数字去
噪模块和蓝牙模块，传感器电极的输出端依次通过信号放大模块、AD转换模块和数字去噪
模块后与蓝牙模块的输入端连接。
如图2所示，本实施例中，信号放大模块采用由两个运算放大器Opamp_1和Opamp_2
构成的同相模拟增益放大器。图2中，运算放大器Opamp_1是电压跟随器，用于给Opamp_2提
供直流偏置电压。
以下简单说明其工作原理：
同相模拟增益放大器，根据放大器的“虚地”原理得到下面等式：
(1)当没有交流信号输入时，即信号的直流通路输出满足：
Vout2'＝VDDA/2
(2)当有交流小信号输入时，信号的交流通路(直流偏置接地)输出满足：
(3)则交流小信号的输出为：
(4)使用叠加定理，则总输出为：
(5)由于C2隔直电容的作用，Vout1的输出将不包含直流分量：
为了将输入放大器的偏置电流降到最低，应该满足下面条件：
R1＝R2//R3
该电路中的C1为隔直电容，即电路采用交流耦合方式将信号输入到同相放大器电
路中。
优选的，本实施例中，AD转换模块采用Δ-∑ADC模块。PSoC处理器提供一个Δ-∑
ADC模块。这个模块提供了差分输入，高分辨率和良好的线性度，它可用于心电信号处理和
测量方面的应用。下表1给出了不同ADC分辨率下的采样速度sps和信噪比SNR值。
表1
比特位
sps
SNR/dB
20
180
110
16
48k
90
12
192k
70
PSoC处理器的ADC模块具体结构包括：
(1)输入放大器：提供高输入阻抗和用户可选择的增益；
(2)3阶∑-△调制器；
(3)抽取器：包含一个4阶的CIC抽取滤波器和后端处理单元。后端处理单元执行可
选的增益、偏置和采样滤波器功能。
优选的，本实施例中，参照图3所示，数字去噪模块包括：
分解子模块，用于利用墨西哥帽小波变换对心电信号进行9层小波提升分解；
阈值计算子模块，用于计算获得分解后的各层系数的加权阈值；
去噪子模块，用于对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理；
重构子模块，用于对分解获得的各层的信号从后往前进行重构。
更详细的，阈值计算子模块具体用于：
根据下式，依次计算获得分解后的各层系数的加权阈值：
上式中，thrk表示第k层系数的加权阈值，k＝1,2,3…，9，n表示信号的长度，σ表示
噪声强度，且其中，d(k)为提升分解后各层的细节系数，αk为每层小波
去噪阈值的权重系数。d(k)和αk的具体分配为：第1层细节系数和第8层概貌系数置零，第2
层到第4层，其权重系数为0.8、0.6、0.4；第5层至第8层全部为0.1。通过这种参数分配方式，
保留了小波分解系数中心电信号特征成分，减小了重构信号的失真度。
去噪子模块，具体用于：
将小波分解后的每一层的小波系数与加权阈值进行比对后，将小于加权阈值的小
波系数进行置零。
重构子模块，具体用于：
对分解获得的各层的信号，从后往前进行小波系数的小波重构，最后获得去噪后
的数字心电信号。
本实施例采用的PSoC处理器上集成了蓝牙模块，在心电信号去噪处理完毕后，可
将去噪心电信号通过蓝牙通信方式传输给移动终端，进行波形绘制等一系列操作。
本实施例用PSoC处理器来传输心电信号的主要优点有：
①PSoC处理器内置了BLE蓝牙模块，不用再设计外接蓝牙模块，节省了成本，简化
了电路设计。
②PSoC处理器内置的BLE蓝牙模块，专为可穿戴智能设备设计，可大幅度降低能
耗，增加设备续航时间。为了优化系统电源，PSoC 4处理器的BLE蓝牙模块提供了五种低功
耗模式，即活动模式、睡眠模式、深度睡眠模式、休眠模式，以及停止模式，非常灵活，易于使
用。
③PSoC处理器的BLE可编程片上系统具有史无前例的易用性和高集成度，可用于
定制化物联网应用、家庭自动化、医疗、运动健身监控以及其他可穿戴智能设备中。
本实施例采用PSoC处理器来构成心电信号采集系统，PSoC处理相当于MCU+可编程
模拟外围电路+可编程数字外围电路。PSoC处理器可以看成是MCU，FPGA/CPLD，ispPAC等的
集合。PSoC处理器包含MCU，可以很方便的实现系统设计，虽然现有技术采用FPGA可以通过
设计实现软核，但增加了设计难度，性能也达不到硬核的程度。PSoC处理器还包含可编程数
字模块(类似FPGA/CPLD)，以及可编程模拟模块(类似ispPAC)，即同时具有处理数字和模拟
两种信号的能力，此外，PSoC处理器具有的A/D，D/A模块解决了两种信号的接口问题，还具
有超低功耗模式的高性能32位ARM Cortex-M0内核。总的来说，PSoC处理器具有集成度高，
设计灵活的优点。采用本结构，结合编程实现本结构的各功能所构成的心电信号采集系统，
可以采集心电信号并进行去噪，获得精确的心电信号，具有设计难度低，功耗低，灵活性高，
便于推广应用等优点。
实施例二
参照图4，一种基于PSoC处理器的心电信号采集系统的采集方法，包括步骤：
采用传感器电极采集原始心电信号；
将原始心电信号进行放大并进行AD转换后得到数字心电信号；
对数字心电信号进行数字去噪处理；
将去噪后的心电信号通过蓝牙通信方式进行传输。
本方法中一个关键的内容在于对心电信号进行去噪处理，常见的心电信号常见的
干扰主要包括工频干扰、基线漂移、肌电干扰以及各种高频干扰，心电信号中的工频干扰主
要是指50Hz市电源干扰及高次谐波干扰。肌电干扰指人的皮肤表皮层存在的30mv的皮肤电
势，皮肤伸展降到25mv左右，这5mv的电势变化即为肌电收缩产生的噪声。基线漂移产生主
要是因为人体活动及采集心电信号方式，属于低频信号，范围为0.05Hz到几Hz，能量主要在
0.1Hz左右。为充分考虑低功耗小体积、低成本的设计需求，本文采用小波变换法中的墨西
哥帽小波进行数字去噪。墨西哥帽小波又称为Marr小波，是高斯函数的二阶导数，有尖锐的
正峰值，在峰值周围是圆形负凹槽，形状类似墨西哥帽,因此得名。
一般心电信号在0.05-100Hz频率范围内，而90％的ECG频率能量又集中在0.25-
40Hz。在进行墨西哥帽小波变换进行分解信号后，得到了各层小波系数，当小波系数大于某
个临界阈值时，则认为此小波系数为心电信号，我们保留它；当小波系数小于某个临界阈值
时，则认为这个小波系数是由噪声引起的，我们进行舍弃或置零，最后将处理后的小波系数
进行小波重构，从而达到去噪的目的。具体对含噪心电信号数字去噪步骤包括：
步骤1、利用墨西哥帽小波变换对心电信号进行9层小波提升分解；
步骤2、计算获得分解后的各层系数的加权阈值，具体为：
根据下式，依次计算获得分解后的各层系数的加权阈值：
上式中，thrk表示第k层系数的加权阈值，k＝1,2,3…，9，αk表示预设的第k层的加
权阈值系数，n表示信号的长度，σ表示噪声强度，且其中，d(k)为第k层
小波的尺度系数。
步骤3、对各层系数应用相应的加权阈值进行软阈值去噪处理，具体为：
将小波分解后的每一层的小波系数与加权阈值进行比对后，将小于加权阈值的小
波系数进行置零。
步骤4、对分解获得的各层的信号从后往前进行重构，具体为：对分解获得的各层
的信号，从后往前进行小波系数的小波重构，最后获得去噪后的数字心电信号。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟
悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些
等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。