基于SPCE061的心電檢測系統(tǒng)設(shè)計

　　摘要：針對人們對心臟疾病問題的日益關(guān)注，介紹了一種新型心電檢測系統(tǒng)，它具有體積小，實用性強(qiáng)，價格低廉等特點，特別適合家庭使用。同時為了解決與PC間的接口問題，依據(jù)USB1.1規(guī)范，采用PHILIPS公司的PDIUSBD12接口芯片，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。?jīng)實驗檢測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

　　隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對健康觀念、健康方式和途徑都發(fā)生著深刻的變化。我國是心腦血管疾病的高發(fā)區(qū)，然而多數(shù)醫(yī)院的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備數(shù)量少、不宜移動、且成本高，無法滿足市場的需求。為了滿足對心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的需求，降低醫(yī)療成本，需要一種與PC相結(jié)合的心電檢測系統(tǒng)。計算機(jī)與外設(shè)連接的總線接口由多種形式，其中PCI和ISA總線插拔麻煩，且擴(kuò)展槽有限;RS232串行總線傳輸速度慢且與主機(jī)的串行口數(shù)目較少。近幾年USB總線接口異軍突起，它具有熱插拔、即插即用、系統(tǒng)擴(kuò)展和配置方便，高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕊@著優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)總線接口的缺陷，本文設(shè)計的心電監(jiān)測系統(tǒng)也采用了這種方法。

　　1　硬件電路設(shè)計

　　1.1　硬件的總體結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計的心電檢測系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括導(dǎo)聯(lián)電路，濾波放大電路，微控制器，F(xiàn)lash存儲器，電源變換電路和USB接口電路等幾部分組成。通過電極從人體采集到心電信號，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)電路和濾波放大電路后進(jìn)入單片機(jī)的A /D，再經(jīng)單片機(jī)處理存儲到Flash，從而完成心電信號的采集。系統(tǒng)可以通過USB接口電路實現(xiàn)與PC機(jī)的通信，將存儲在Flash中的心電數(shù)據(jù)以文件格式轉(zhuǎn)存到PC機(jī)中，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無限存儲功能，同時通過VC軟件編程可以在屏幕上顯示心電波形。電源變換電路中采用9V電池供電，體積小巧，易于便攜使用。

　　1.2　USB接口電路

　　本文使用的是Philips公司的PDI-USBD12。 PDI-USBD12是一款性價比很高的USB器件，完全符合USB1.1版的規(guī)范。它通常用作微控制器系統(tǒng)中實現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口，并且支持本地的DMA傳輸。此外，PDIUSBD12還集成了許多特性，包括SoftConnetTM、GoodLinkTM、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器集合。所有這些特性都為系統(tǒng)節(jié)約了大量成本，同時使USB功能在外設(shè)上的應(yīng)用變得容易。

　　圖2為USB接口電路，USB接口采用4線電纜，D+、D -兩根線是用于發(fā)送信號，VDD、GND二條線，向設(shè)備提供電源。 PDIUSBD12的XTAL1和XTAL2引腳外接6M晶振。數(shù)據(jù)線和控制線分別與單片機(jī)的I /O口相連，通過SPCE061發(fā)送命令和數(shù)據(jù)從而控制USB接口芯片PDIUSBD12，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速高效傳輸。

　　1.3　單片機(jī)系統(tǒng)

　　本文采用凌陽公司推出的16位SPCE061單片機(jī)，該單片機(jī)具有較寬的電源電壓范圍(2.4～3.6V)，CPU最大速度為49.125MHz，8道10位ADC(A /D的轉(zhuǎn)換速度最大為96kbps)，片內(nèi)2k的RAM，32k的Flash，32個I /O接口等特點。 Flash采用凌陽公司512k*8位的SPR4096，工作電壓為2.25～2.75V，它與SPCE061具有很好的相互傳輸能力。

　　1.4　放大濾波電路

　　放大濾波電路如圖3所示，前置放大器采用ANALOG DEVICES公司的AD620，這是一款性價比很高的儀用放大器，輸入失調(diào)電壓最大為50uV，輸入失調(diào)漂移0.6uV每度，共膜抑制比120dB(G=10)，且最大供電電流只有1.3mA。放大器采用低功耗低噪音的TLC2254，每通道供電電流35uA，噪聲為19nV /Hz(1kHz)，非常適合便攜式設(shè)備。由于心電信號多在0.5～150Hz，所以需要進(jìn)行濾波，在TLC2254上加一個0.48～159Hz的帶通濾波器。對于工頻50Hz干擾，為了減少硬件設(shè)計，同時考慮降低功耗問題，將采用軟件濾波方式，經(jīng)切比雪夫2次濾波和平滑濾波，效果較為理想。由于心電信號存在負(fù)值，而凌陽單片機(jī)的A /D范圍為0～3。3V，所以必須對信號進(jìn)行抬壓。這里采用LM385 -1.2V精密基準(zhǔn)電壓源，與信號相加，從而實現(xiàn)了信號所有點的取值為正。

　　2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　心電檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集存儲程序設(shè)計和USB數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計。

　　2.1　采集存儲程序設(shè)計

　　采集存儲程序設(shè)計如圖4所示，首先對單片機(jī)和Flash芯片初始化，設(shè)置系統(tǒng)時鐘、采樣頻率、引腳定義等。然后對每次采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，由于前邊硬件設(shè)計中已經(jīng)設(shè)計了一個帶通濾波器，所以這里主要考慮去除50Hz工頻以及毛刺。采用切比雪夫I型2次濾波可以有效去除50Hz工頻而平滑濾波，并可以去除毛刺，公式如下：

　　考慮到使用切比雪夫濾波器產(chǎn)生的系數(shù)為小數(shù)，為利于計算，將其變換成整數(shù)，每部分系數(shù)均乘以4096，取整數(shù)部分，計算得到的結(jié)果再采用右移12位的方法得到最終結(jié)果。

　　圖5為心電信號處理前后對照圖，可以看出效果比較明顯。

　　2.2　USB數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

　　USB數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計的目的就是使PDIUS-BD12在USB上達(dá)到最大傳輸速度。 PDIUSBD12的程序設(shè)計采用中斷驅(qū)動，當(dāng)CPU處理前臺任務(wù)時，USB的傳輸可在后臺進(jìn)行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結(jié)構(gòu)。后臺中斷服務(wù)程序和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來實現(xiàn)。主機(jī)首先要發(fā)令牌包給PDIUSBD12，PDIUSBD12接收到令牌包后就給單片機(jī)發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

　　SPCE061單片機(jī)與PDIUSBD12的通信中，PDI-USBD12負(fù)責(zé)處理所有與USB總線事務(wù)有關(guān)的任務(wù)，如總線喚醒、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送、打包、CRC校驗等，但不負(fù)責(zé)解釋這些數(shù)據(jù)的意義;SPCE061負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、響應(yīng)主機(jī)請求、以及控制PDIUSBD12的工作。主要是靠單片機(jī)給PDIUSBD12發(fā)命令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。SPCE061的中央處理單元(CPU)通過執(zhí)行存儲在芯片固件里的指令集來控制PDIUSBD12的活動。CPU支持一個包括用于移動數(shù)據(jù)、執(zhí)行數(shù)學(xué)和邏輯操作、程序分支等的機(jī)器語言指令的指令集。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數(shù)據(jù)流命令字和通用命令字。 PDIUSBD12給出了各種命令的代碼和地址。單片機(jī)先給PDIUSBD12的命令地址發(fā)命令，根據(jù)不同命令的要求再發(fā)送或讀出不同的數(shù)據(jù)。因此，可以將每種命令做成函數(shù)，用函數(shù)實現(xiàn)各個命令，以后直接調(diào)用函數(shù)即可。

　　圖6為程序設(shè)計的層次框圖，其中D12CI.C、CHAP9.C和ISR.C可進(jìn)行固件接口的移植，EPPHAL.C和MAINLOOP.C需自行設(shè)計。在MAINLOOP.C中需要設(shè)計發(fā)送USB請求、讀測試Key、控制LED和和處理USB總線事件。在EPPHAL.C中需設(shè)計各I/O口對PDIUSBD12個引腳的控制與數(shù)據(jù)傳輸。

　　3　結(jié)語

　　基于USB總線的心電檢測系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及開發(fā)，充分體現(xiàn)了USB便捷、低成本、高抗干擾等特點。經(jīng)測試，工作穩(wěn)定可靠，心電波形清晰，是一種較為理想的心電檢測系統(tǒng)。由于心電干擾的復(fù)雜性以及軟硬件設(shè)計中的限制，心電信號的消噪問題還有待進(jìn)一步提高。