基于C8051F320單片機的低成本心電監(jiān)護系統(tǒng)設計

2 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)由C8051F320數(shù)據(jù)采集模塊和PC機兩部分組成，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單片機的DAQ接口卡構成，如圖2所示。

該模塊通過C8051F320片上A/D轉換器采集經(jīng)預處理的心電信號，再將其由USB總線傳輸至PC機顯示。PC機部分主要是軟件設計，包括通過C8051F320單片機片上USB主機API函數(shù)和LabVIEW軟件編寫數(shù)據(jù)采集圖形用戶界面；實現(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應用程序和C8051F320應用程序均采用Silicon Laboratories公司的USB Xpress開發(fā)套件的API和驅動程序實現(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的干擾，包括測量電極與人體之間構成的化學半電池所產(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三導聯(lián)線和一次性心電電極與人體接觸，能很好地減小運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轉換的精度，在轉換前先將信號放大到A／D轉換電路參考電壓的70％左右，考慮到信號中會附加直流成分，需在A／D轉換電路前增加電平調節(jié)電路。個體心電幅度的差異要求電路中設計程控放大電路，又為了便于心電信號的標定和考慮到實際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差，在程控放大電路前設置一個手動可調的放大電路(1～10倍)。
綜上分析，心電采集與程控放大部分應包括：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電子開關的數(shù)字選通實現(xiàn)，具有1～50倍的調節(jié)范圍。
為減少系統(tǒng)功耗，應采用低功耗、集成度高的器件。該系統(tǒng)選用C8051F320單片機作為數(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內核，與MCS-51指令集完全兼容，片內集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)常用的模擬、數(shù)字外設及USB接口等其他功能部件。外部電路簡單，易于實現(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，單片機將得到的模擬心電信號實時轉換為數(shù)字信號，采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳給PC機，進一步分析處理信號數(shù)據(jù)。