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嵌入式遠程心電監護系統的設計
作者：
時(shí)間：2010-12-23
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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穿戴式心電采集設備的電路主要是由傳感器、放大濾波電路及陷波電路組成。
(1)傳感器：傳感器是將所要監測的生理信號轉化為電信號。實(shí)驗時(shí)，傳感器采用的是貼片電極，通過(guò)CM1導連方式來(lái)獲取信號。
(2)放大濾波電路：經(jīng)傳感器轉換后得到的生理電信號一般幅值較低，且帶有很大的噪聲干擾，必須進(jìn)行放大濾波處理。該電路包含一個(gè)前置放大電路，一個(gè)帶通濾波電路及二級放大電路。前置放大電路采用的是一個(gè)AD620儀用放大器作為前置放大器。帶通濾波電路由一個(gè)二階高通濾波電路和一個(gè)二階低通濾波電路串聯(lián)而成?？紤]到心電信號的頻率范圍及后續A／D的動(dòng)態(tài)范圍，帶通濾波電路的通頻帶設計為O．1～
100 Hz，總放大倍數為1 000左右。
(3)陷波電路：50 Hz工頻干擾(國外為60 Hz)是生理信號最主要的噪聲來(lái)源，50 Hz干擾消除的效果直接決定了最后獲取信號的好壞。區別于傳統的雙T對稱(chēng)有源陷波器，該系統采用非對稱(chēng)阻容網(wǎng)絡(luò )陷波器，其優(yōu)點(diǎn)在于可根據干擾源頻率和干擾強度進(jìn)行陷波頻率和Q值的調節，使設計更具通用性。
1．2 射頻發(fā)射和接收
目前，穿戴式遠程醫療系統的無(wú)線(xiàn)通信手段包括藍牙、射頻、紅外等，以藍牙的使用最為廣泛，但使用藍牙成本高，這對于推廣普及是個(gè)很大的障礙。紅外的傳輸距離短，抗干擾差，現在已基本不使用。射頻具有價(jià)格低，傳輸距離長(cháng)等特性，特別是高性?xún)r(jià)比射頻芯片的不斷出現，使它的使用越來(lái)越受青睞。該系統采用的是2塊挪威Nordic公司nRF905的射頻芯片，用以實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)。nRF905不僅能夠滿(mǎn)足穿戴式醫療儀器低功耗的要求，并且能同時(shí)保證傳輸速率以及傳輸距離。經(jīng)實(shí)際測量，在室內有墻壁阻隔，無(wú)劇烈運動(dòng)的情況下，傳輸距離達到25 m以上，因而被監測者可以在室內自由活動(dòng)。無(wú)線(xiàn)傳輸丟包率在1／10 000內，能保證傳輸數據不丟失，最大傳輸速率可達100 Kb／s。設計時(shí)，處理器通過(guò)SPI接口對2塊nRF905寄存器進(jìn)行相同的配置。在實(shí)際工作中，nRF905就可以自動(dòng)濾除地址不相同的數據，只有地址匹配且校驗正確的數據才會(huì )被接受，并存儲在接收數據寄存器中。nRF90提供了433／868／915 MHz三個(gè)ISM頻道(可以免費使用)，該系統中采用的是915 MHz。
1．3 單片機
該系統中，單片機采用C8051F330。單片機具有體積小(MLP-20封裝)，功耗低，功能強大(自帶10位A／D、SPI總線(xiàn)、24．5 MHz晶振)等特性，能夠大大提高前端的輕便性。該單片機的作用是與nRF905進(jìn)行通訊，對心電采集電路獲取的信號進(jìn)行A／D轉換，以及對轉換后的數據進(jìn)行射頻傳輸前的加密。
(1)與nRF905通訊：通過(guò)SPI總線(xiàn)來(lái)對nRF905的內部寄存器進(jìn)行配置及數據輸送。
(2)A／D轉換：C8051F330自身帶有一個(gè)10位的A／D轉換器，其動(dòng)態(tài)范圍為-2．7～+2．7 V。設計中心電的采樣率采用250 Hz。
(3)數據加密：由于設計中采用nRF905射頻芯片實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)，任何相同的芯片，只要內部寄存器配置一致，它們之間就能實(shí)現數據的通信。由于用戶(hù)的生理信息涉及到用戶(hù)的隱私問(wèn)題，而nRF905傳輸覆蓋的范圍較寬。為了保證用戶(hù)數據在無(wú)線(xiàn)傳輸時(shí)的安全性，必須對數據進(jìn)行加密處理，而這一過(guò)程在其他類(lèi)似采用射頻傳輸的設計中常被忽略掉。在該系統中，采用了AES軟件加密算法來(lái)完成這一過(guò)程。這相對于常用的硬件加密，一方面提高儀器的輕便性，另一方面又可以降低儀器的成本。AES支持128 b，192 b或256 b三種密鑰長(cháng)度，該設計采用128 b密鑰長(cháng)度。
1．4 ARM處理器
ARM處理器采用的是三星公司的S3C2440處理器，用于完成以下功能：
(1)與nRF905通信：其過(guò)程與單片機類(lèi)似，即對nRF905進(jìn)行配置，讀取nRF905接收到的數據等。
(2)數據解密：由于nRF905接收到的心電數據需要經(jīng)過(guò)加密處理。為了對數據作進(jìn)一步處理，必須先將數據還原。解密過(guò)程是加密過(guò)程的標準逆運算。
(3)LCD顯示：主要是將解密后的心電數據，以及監護中心的反饋信息(如診斷結果、報警等)顯示在LCD上。采用的是一個(gè)320×240的三色LCD，運用MINIGUI進(jìn)行編程。
(4)與DSP進(jìn)行通信：主要是將解密數據傳給DSP，然后再將DSP處理后的數據讀回來(lái)。ARM和DSP的通訊采用HPI總線(xiàn)方式。
(5)與GPRS通信：包括向監護中心發(fā)送監護請求、將從DSP處理后的數據發(fā)送給監護中心，以及讀取中心的反饋信息等。ARM和GPRS通過(guò)RS 232串口進(jìn)行連接。GPRS采用ETPro-221An模塊。
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