基于C8051單片機(jī)的無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,健康已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。心臟疾病是危害人類健康的一大殺手,其偶然性與突發(fā)性的特點(diǎn)使得心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的臨床應(yīng)用價值。由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)儀不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時監(jiān)護(hù),所以便攜式無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得更加重要。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由生理信息與數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)通信、控制和顯示等單元組成。目前國內(nèi)已有用于臨床的無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品,但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機(jī))”,從成本上看其價格昂貴;從無線傳輸方面看,大多是將心電數(shù)據(jù)以模擬信號傳輸,這必然導(dǎo)致信號在傳輸過程中發(fā)生失真。此外,由于人體電阻差異導(dǎo)致心電信號在1~10 mV之間變動,固定放大倍數(shù)系統(tǒng)缺乏適應(yīng)性。
基于此,這里提出基于C8051F320單片機(jī)的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分。數(shù)據(jù)采集盒在設(shè)計中充分考慮其體積小、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接收數(shù)據(jù)。采用VC++編寫顯示、存儲、分析處理和報警等功能程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足病人在100 m范圍內(nèi)活動,并能根據(jù)不同病人選擇合適的放大倍數(shù);由于心電信號在數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)經(jīng)MD轉(zhuǎn)換器處理后才發(fā)送,信號抗干擾能力更強(qiáng)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成
系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分構(gòu)成,見圖1。數(shù)據(jù)采集盒采用C8051F320單片機(jī)為核心采集心電數(shù)據(jù)并控制程控放大器,采用NRF24L01模塊收發(fā)數(shù)據(jù)與PC監(jiān)護(hù)終端通信。PC監(jiān)護(hù)終端中 C8051F320單片機(jī)通過NRF24L01模塊接收心電數(shù)據(jù)并通過自帶的USB接口將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)。
2.2 心電采集與程控放大電路
心電信號屬于微弱信號,由于個體差異,體表心電信號的測量幅值范圍為 1~10 mV,在測量心電信號時存在較強(qiáng)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50Hz工頻干擾;人體運(yùn)動、呼吸引起的基線漂移;肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對極化電壓和肌電干擾,采用HOLTER遙測三導(dǎo)連線和一次性心電電極與人體接觸,其中一次性心電電極采用氯化銀和醫(yī)用壓敏膠制成,能很好地減小肌電干擾。共模干擾的存在要求前置放大器具有極高共模抑制比(CMRR),不低于80 dB。根據(jù)以上要求,前端放大器采用儀用AD620放大器,放大倍數(shù)約50倍;同時為抑制基線漂移和高頻噪聲的影響,后端電路采用0.05~100 Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號進(jìn)行,然后通過50 Hz的陷波電路再次處理信號。
為充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度,在轉(zhuǎn)換前先將信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器電路參考電壓的70%左右,考慮到信號中有附加的直流成分,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)計程控放大電路,又為便于心電信號的標(biāo)定和考慮到實(shí)際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差,在程控放大前設(shè)置一個手動可調(diào)的放大電路(1~10倍)。綜合上述分析,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、50Hz陷波、手動放大、程控放大和電平提升等電路,如圖2所示。其中程控放大功能的實(shí)現(xiàn)主要利用CD4051電子開關(guān)的數(shù)字選通功能,能夠?qū)崿F(xiàn)1~50倍的調(diào)節(jié)范圍。
2.3 NRF24L01無線發(fā)射電路
NRF24L01是單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4~2.5 GHzISM頻段,工作電壓為1.9~3.6 V,有多達(dá)125個頻道可供選擇。通過SPI寫人數(shù)據(jù),其速率最高可達(dá)10 Mb/s,數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mb/s,并有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比,NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸率更快,數(shù)據(jù)寫入速度更高,內(nèi)嵌的功能更完備。器件內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù),其中輸出功率和通信頻道可通過程序配置。器件能耗非常低,以-6 dBmW的功率發(fā)射工作電流僅9 mA,接收時工作電流只有12.3 mA,多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便。結(jié)合C8051F320內(nèi)部資源.采用自帶的SPI接口控制NRF24L01的讀寫,節(jié)省硬件資源也方便軟件的編寫。圖3為無線發(fā)射控制電路。
2.4 PC監(jiān)護(hù)終端設(shè)計
C8051F320集成了全速/低速USB功能控制器,用于實(shí)現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備(不能被用作USB主設(shè)備)。USB功能控制器(USB0)由串行接口引擎(SIE)、USB收發(fā)器(包括匹配電阻和可配置上拉電阻)、1 KB FIFO存儲器和時鐘恢復(fù)電路(可以不用晶體)組成,無需外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線規(guī)范2.0版。監(jiān)護(hù)終端中的單片機(jī)也采用 C8051F320,無線接收部分和圖3相同。C8051F320通過自帶的USB接口與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(見圖1)。
1 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高,健康已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。心臟疾病是危害人類健康的一大殺手,其偶然性與突發(fā)性的特點(diǎn)使得心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的臨床應(yīng)用價值。由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)儀不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時監(jiān)護(hù),所以便攜式無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得更加重要。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由生理信息與數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)通信、控制和顯示等單元組成。目前國內(nèi)已有用于臨床的無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品,但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機(jī))”,從成本上看其價格昂貴;從無線傳輸方面看,大多是將心電數(shù)據(jù)以模擬信號傳輸,這必然導(dǎo)致信號在傳輸過程中發(fā)生失真。此外,由于人體電阻差異導(dǎo)致心電信號在1~10 mV之間變動,固定放大倍數(shù)系統(tǒng)缺乏適應(yīng)性。
基于此,這里提出基于C8051F320單片機(jī)的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分。數(shù)據(jù)采集盒在設(shè)計中充分考慮其體積小、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接收數(shù)據(jù)。采用VC++編寫顯示、存儲、分析處理和報警等功能程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足病人在100 m范圍內(nèi)活動,并能根據(jù)不同病人選擇合適的放大倍數(shù);由于心電信號在數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)經(jīng)MD轉(zhuǎn)換器處理后才發(fā)送,信號抗干擾能力更強(qiáng)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)整體構(gòu)成
系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分構(gòu)成,見圖1。數(shù)據(jù)采集盒采用C8051F320單片機(jī)為核心采集心電數(shù)據(jù)并控制程控放大器,采用NRF24L01模塊收發(fā)數(shù)據(jù)與PC監(jiān)護(hù)終端通信。PC監(jiān)護(hù)終端中 C8051F320單片機(jī)通過NRF24L01模塊接收心電數(shù)據(jù)并通過自帶的USB接口將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)。
2.2 心電采集與程控放大電路
心電信號屬于微弱信號,由于個體差異,體表心電信號的測量幅值范圍為 1~10 mV,在測量心電信號時存在較強(qiáng)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50Hz工頻干擾;人體運(yùn)動、呼吸引起的基線漂移;肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對極化電壓和肌電干擾,采用HOLTER遙測三導(dǎo)連線和一次性心電電極與人體接觸,其中一次性心電電極采用氯化銀和醫(yī)用壓敏膠制成,能很好地減小肌電干擾。共模干擾的存在要求前置放大器具有極高共模抑制比(CMRR),不低于80 dB。根據(jù)以上要求,前端放大器采用儀用AD620放大器,放大倍數(shù)約50倍;同時為抑制基線漂移和高頻噪聲的影響,后端電路采用0.05~100 Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號進(jìn)行,然后通過50 Hz的陷波電路再次處理信號。
為充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度,在轉(zhuǎn)換前先將信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器電路參考電壓的70%左右,考慮到信號中有附加的直流成分,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)計程控放大電路,又為便于心電信號的標(biāo)定和考慮到實(shí)際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差,在程控放大前設(shè)置一個手動可調(diào)的放大電路(1~10倍)。綜合上述分析,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、50Hz陷波、手動放大、程控放大和電平提升等電路,如圖2所示。其中程控放大功能的實(shí)現(xiàn)主要利用CD4051電子開關(guān)的數(shù)字選通功能,能夠?qū)崿F(xiàn)1~50倍的調(diào)節(jié)范圍。
2.3 NRF24L01無線發(fā)射電路
NRF24L01是單片射頻收發(fā)器件,工作于2.4~2.5 GHzISM頻段,工作電壓為1.9~3.6 V,有多達(dá)125個頻道可供選擇。通過SPI寫人數(shù)據(jù),其速率最高可達(dá)10 Mb/s,數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mb/s,并有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比,NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸率更快,數(shù)據(jù)寫入速度更高,內(nèi)嵌的功能更完備。器件內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊,并融合增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù),其中輸出功率和通信頻道可通過程序配置。器件能耗非常低,以-6 dBmW的功率發(fā)射工作電流僅9 mA,接收時工作電流只有12.3 mA,多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便。結(jié)合C8051F320內(nèi)部資源.采用自帶的SPI接口控制NRF24L01的讀寫,節(jié)省硬件資源也方便軟件的編寫。圖3為無線發(fā)射控制電路。
2.4 PC監(jiān)護(hù)終端設(shè)計
C8051F320集成了全速/低速USB功能控制器,用于實(shí)現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備(不能被用作USB主設(shè)備)。USB功能控制器(USB0)由串行接口引擎(SIE)、USB收發(fā)器(包括匹配電阻和可配置上拉電阻)、1 KB FIFO存儲器和時鐘恢復(fù)電路(可以不用晶體)組成,無需外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線規(guī)范2.0版。監(jiān)護(hù)終端中的單片機(jī)也采用 C8051F320,無線接收部分和圖3相同。C8051F320通過自帶的USB接口與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(見圖1)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 數(shù)據(jù)采集盒程序設(shè)計
數(shù)據(jù)采集盒中以C8051F320單片機(jī)為核心,該器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)MCU,具有以下特性:(1)高速、流水結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核(可達(dá)25 MI/s);(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi));(3)通用串行總線(USB)功能控制器,有8個靈活的端點(diǎn)管道、集成收發(fā)器以及1 KB FIFO RAM;(4)真正10位200 ks/s的17通道單端/差分A/D轉(zhuǎn)換器,帶模擬多路器;(5)硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口。
采集參數(shù)分析與確定:(1)心電能量主要分布在0.05~100 Hz之間,根據(jù)采樣定理可知A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率應(yīng)大于200 Hz。綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器采樣速度高和低功耗,將其采樣率設(shè)置為2000Hz;(2)由于A/D轉(zhuǎn)換器每次采樣時問并不相等,所以采用TIME2定時器觸發(fā)每個采樣周期;(3)為提高傳輸速度和數(shù)據(jù)傳輸效率以及達(dá)到低功耗的要求,將NRF24L01設(shè)置為數(shù)據(jù)塊傳輸模式,每采樣32個點(diǎn)發(fā)起一次無線數(shù)據(jù)傳輸;(4)C8051 F320中的SPI口設(shè)置為4線主方式,NRF24L01的SPI為從方式。這樣不僅滿足實(shí)時采樣要求,還充分利用硬件資源和能源。圖4為數(shù)據(jù)采集盒軟件流程。
3.2 PC監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計
3.2.1 C8051F320固件程序
單片機(jī)與NRF24L01間通過SPI接口交換數(shù)據(jù),USB設(shè)置為塊狀傳輸模式與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為和數(shù)據(jù)采集盒相兼容,仍將每32個數(shù)據(jù)打成一個數(shù)據(jù)包,也可充分利用硬件資源并提高數(shù)據(jù)傳輸效率。其流程圖與數(shù)據(jù)采集盒類似。
3.2.2 PC機(jī)軟件設(shè)計
PC機(jī)軟件采用VC++6.0編寫。VC++6.0中集成MFC開發(fā)環(huán)境,該環(huán)境提供豐富的接口函數(shù)同時透明化程度較高,界面編寫靈活且方便,同時大部分硬件開發(fā)商都提供標(biāo)準(zhǔn)的C++接口函數(shù)供客戶使用,DLL也是VC++的便捷之處,它是基于Windows程序設(shè)計的一種裝置。其中USB通信接口的控制部分通過調(diào)用SIXUSB.DLL動態(tài)連接庫實(shí)現(xiàn);顯示部分調(diào)用:MFC提供的庫函數(shù)如Lineto()、Moveto()等,數(shù)據(jù)存儲采用數(shù)據(jù)流的方式存儲;調(diào)用SetTimer(1,0,NULL)每1 ms產(chǎn)生1次時鐘中斷消息,便于及時更新數(shù)據(jù)顯示。由于USB模式設(shè)置為塊狀數(shù)據(jù)傳輸模式,所以PC機(jī)讀取速度要大于數(shù)據(jù)采集盒采集速度才能保證數(shù)據(jù)包不丟失,故每次預(yù)讀128字節(jié),然后判斷真實(shí)讀到的數(shù)據(jù)量,將其放到數(shù)據(jù)存放地址以供顯示。具體流程如圖5所示。
4 聯(lián)機(jī)調(diào)試及數(shù)據(jù)記錄
4.1 數(shù)據(jù)采集盒的調(diào)試
在心電信號輸入端加10 mV、70 Hz的正弦波信號,將程控放大部分增益設(shè)置為1,觀察A/D轉(zhuǎn)換器輸入端波形,調(diào)節(jié)手動放大器上的可調(diào)電阻,使整個電路的增益為200倍,這樣在A/D轉(zhuǎn)換器處信號幅值應(yīng)為1 V;將示波器設(shè)置為直流模式,調(diào)整抬高電平電路至信號的中心線位于1.5 V左右。這樣整個數(shù)據(jù)采集盒調(diào)試完畢,打開PC機(jī)端軟件,將程控放大增益設(shè)為1,在顯示屏上應(yīng)能看到正弦波信號。
4.2 數(shù)據(jù)記錄
一次性心電電極同定位置:在左右肋骨下靠近胳膊處分別貼一個,在腹部右側(cè)貼一個。將 HOLTER導(dǎo)聯(lián)線連接到電極上,并將另一端插到數(shù)據(jù)采集盒上,打開電源后,測試者便可做一些基本活動。此時打開PC機(jī)端HeartECG軟件,先手動選擇程控放大倍數(shù),使心電信號處于屏幕中央,也可以選擇自動模式,這樣軟件會根據(jù)算法自動調(diào)節(jié)放大倍數(shù)便于心電信號的觀測。實(shí)測數(shù)據(jù)如圖6所示,其中圖左是放大500倍波形,圖右是放大1 000倍波形。
5 結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抑制基線漂移能力、低功耗、操作簡單和支持多個病人同時監(jiān)護(hù)等特點(diǎn)。在空曠環(huán)境下,測試者可在50 m范圍內(nèi)活動,室內(nèi)可穿過1面水泥墻。因全部采用SMT封裝,數(shù)據(jù)采集盒尺寸僅為5 cm×6 cm,佩戴方便,是一款廉價實(shí)用的無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。
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