基于51單片機(jī)的低成本心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

虛擬醫(yī)學(xué)儀器充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，僅增設(shè)少量專用軟、硬件模塊，便可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的全部功能及一些傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的功能，同時縮短了研發(fā)周期。本系統(tǒng)由兩部分組成：以C8051F320單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集裝置和以PC機(jī)為平臺的分析處理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中充分考慮數(shù)據(jù)采集裝置體積小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用SMT封裝的元器件。PC監(jiān)護(hù)終端通過USB接口接收數(shù)據(jù)，傳輸速率高；采用圖形編程語言LabVIEW編寫顯示、存儲、分析處理等功能程序。該系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)護(hù)并提供心動周期，心率等參數(shù)，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲回放，為心血管疾病的診斷提供依據(jù)。系統(tǒng)的軟件開發(fā)和硬件與上位機(jī)軟件的集成測試表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了預(yù)期效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由C8051F320數(shù)據(jù)采集模塊和PC機(jī)兩部分組成，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由心電采集電路和基于C8051F320單片機(jī)的DAQ接口卡構(gòu)成，如圖2所示。

該模塊通過C8051F320片上A/D轉(zhuǎn)換器采集經(jīng)預(yù)處理的心電信號，再將其由USB總線傳輸至PC機(jī)顯示。PC機(jī)部分主要是軟件設(shè)計(jì)，包括通過C8051F320單片機(jī)片上USB主機(jī)API函數(shù)和LabVIEW軟件編寫數(shù)據(jù)采集圖形用戶界面；實(shí)現(xiàn)接收、顯示和處理由數(shù)據(jù)采集模塊通過USB接口發(fā)送采集數(shù)據(jù)的程序。LabVIEW應(yīng)用程序和C8051F320應(yīng)用程序均采用Silicon Laboratories公司的USB Xpress開發(fā)套件的API和驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對底層USB器件的讀寫操作。

心電信號屬于微弱信號，體表心電信號的幅值范圍為1~10 mV。在測量心電信號時存在很強(qiáng)的干擾，包括測量電極與人體之間構(gòu)成的化學(xué)半電池所產(chǎn)生的直流極化電壓，以共模電壓形式存在的50 Hz工頻干擾．人體的運(yùn)動、呼吸引起的基線漂移，肌肉收縮引起的肌電干擾等。采用遙測HOLTER三導(dǎo)聯(lián)線和一次性心電電極與人體接觸，能很好地減小運(yùn)動和呼吸引起的肌電干擾。前端放大器采用具有極高共模抑制比(CMRR)的儀用AD620放大器，放大倍數(shù)約為50倍；并采用0．05~100 Hz的帶通濾波器和50 Hz的陷波電路，抑制信號的基線漂移、高頻噪聲及工頻干擾。為了充分利用A／D轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換前先將信號放大到A／D轉(zhuǎn)換電路參考電壓的70％左右，考慮到信號中會附加直流成分，需在A／D轉(zhuǎn)換電路前增加電平調(diào)節(jié)電路。個體心電幅度的差異要求電路中設(shè)計(jì)程控放大電路，又為了便于心電信號的標(biāo)定和考慮到實(shí)際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差，在程控放大電路前設(shè)置一個手動可調(diào)的放大電路(1～10倍)。

綜上分析，心電采集與程控放大部分應(yīng)包括：AD620前端放大、0．05~100 Hz的帶通濾波、50 Hz陷波、手動放大、程控放大和電平提升等電路。其中程控放大功能利用CD4051電子開關(guān)的數(shù)字選通實(shí)現(xiàn)，具有1～50倍的調(diào)節(jié)范圍。

為減少系統(tǒng)功耗，應(yīng)采用低功耗、集成度高的器件。該系統(tǒng)選用C8051F320單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集卡的核心部件。該器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級器件，具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及USB接口等其他功能部件。外部電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

心電電極將得到的信號經(jīng)濾波和可變增益放大器放大后送至C8051F320單片機(jī)，單片機(jī)將得到的模擬心電信號實(shí)時轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳給PC機(jī)，進(jìn)一步分析處理信號數(shù)據(jù)。