基于GPRS 的遠程心電實時監(jiān)護終端
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2 .1 心電采集模塊
人體心電信號的主要頻率范圍為0.05～100Hz, 幅值范圍為0.5～5mV。心電信號中通?；祀s有其他生物電信號, 還容易受到以50Hz 工頻干擾為主的電磁信號干擾,因此對心電信號的檢測屬于強噪聲背景下低頻微弱信號的檢測。為得到適合于臨床應(yīng)用的干凈心電信號, 必須對心電信號進行合理的放大和濾波處理, 其原理框圖如圖3 所示。
由于人體皮膚阻抗比較大, 而心電信號十分微弱,且存在許多干擾信號, 因此前置放大器采用了具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低失調(diào)電壓和漂移、在低增益條件下具有穩(wěn)定性的儀表放大器INA326[2]。人體皮膚和電極之間存在原電池效應(yīng), 使電極之間存在連續(xù)的電位差, 為避免該電位差經(jīng)過放大后造成后級電路飽和, 前置放大器的增益設(shè)置為5。信號需放大至數(shù)伏量級才能滿足A/D 轉(zhuǎn)換的要求, 因此設(shè)置次級放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調(diào)電壓和漂移、低噪聲的運算放大器OPA335。兩級放大后的總增益為1000, 符合要求。
心電信號中?；煊械皖l和直流干擾, 其中, 由于金屬電極、導(dǎo)電介質(zhì)和皮膚之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設(shè)計了截止頻率為0.1Hz 的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應(yīng)地, 高頻干擾信號通過一個截止頻率為100Hz 的二階低通濾波器予以濾除。此外, 采用由輔助運算放大器生成的共模電壓使共模信號反相, 經(jīng)限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過右腿驅(qū)動電極回送至人體, 這對50Hz 工頻干擾而言是一種深度負反饋, 因而可以有效加以抑制[3]。
實驗表明, 該采集方案所得到的心電波形毛刺少,基線漂移很小, 具有良好的效果。
為防止導(dǎo)聯(lián)脫落或松動而造成誤判, 還設(shè)計了導(dǎo)聯(lián)脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358 采用單電源供電時可接成跟隨器, 當(dāng)其同相端處于懸空狀態(tài)時會輸出穩(wěn)定的高電平。導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路就是利用LM358 的這一特性而設(shè)計的。
2 .2 主控單片機模塊
主控單片機采用PIC16F877A 單片機。該單片機可在線調(diào)試和編程, 便于開發(fā), 而且功耗很低, 適合應(yīng)用于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉(zhuǎn)換并與GPRS 模塊進行通信, 還負責(zé)外擴Flash 存儲器和實時時鐘的管理。
PIC16F877A 單片機具有10 位片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器, 其工作方式和轉(zhuǎn)換結(jié)果存放格式通過寄存器ADCON0 和ADCON1 進行設(shè)置, A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設(shè)計中, 選擇系統(tǒng)時鐘作為A/D 轉(zhuǎn)換時鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉(zhuǎn)換結(jié)果格式為左對齊, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中。考慮到A/D 轉(zhuǎn)換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)量的要求, 在設(shè)計中忽略ADRESL 寄
存器中的數(shù)據(jù), 即只采用轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8 位。系統(tǒng)中心電信號的采樣頻率為500Hz, 采用定時器TMR0 完成2ms 定時。
單片機片外擴展了4MB Nand Flash 存儲器, 用于暫存心電數(shù)據(jù), 經(jīng)過一定時間后由無線模塊集中發(fā)送, 用戶也可以選擇在A/D 轉(zhuǎn)換后不經(jīng)存儲就直接發(fā)送。在心電監(jiān)護中, 醫(yī)生常要求知道心電信號出現(xiàn)異常的時間, 因此使用DS1302設(shè)計了實時時鐘電路。
2 .3 GPRS 無線模塊
GPRS 無線模塊采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多時隙class 10, 可提供語音、數(shù)據(jù)、傳真和短信息服務(wù)功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內(nèi)嵌了GSM/GPRS 協(xié)議棧,是否嵌入TCP/IP 協(xié)議棧可由用戶選擇。根據(jù)系統(tǒng)需要,這里選擇了內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧的模塊。
GPRS 無線模塊硬件連接如圖4 所示。單片機對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實現(xiàn)。無線模塊提供了一個符合V24 協(xié)議的6 線主串行接口, 包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR 等, 此外還提供了與通用I/O 口復(fù)用的DCD 和RI 信號接口。為節(jié)省單片機引腳資源, 在設(shè)計中將無線模塊的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引腳分別與單片機的RC6、RC7 引腳相連, 其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機發(fā)送AT 命令和心電數(shù)據(jù)給無線模塊, 無線模塊則將響應(yīng)信息發(fā)送給單片機, 從而完成單片機對無線模塊的狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)發(fā)送。無線模塊提供了與SIM卡相關(guān)的信號接口, SIMVCC 為SIM 卡供電, SIMRST 為低時使SIM 卡復(fù)位, SIMCLK 提供時鐘信號, SIMDATA 用來實現(xiàn)與SIM 卡的數(shù)據(jù)通信, SIMPRES 用來檢測SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信號接口可以不使用, 如果不用則將其與VCC 相連[5]。為調(diào)試和使用方便, 在設(shè)計中還提供了GPRS 連接狀態(tài)指示燈和硬件復(fù)位電路。
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