基于51單片機的低成本心電監護系統設計

1 引言

虛擬醫學(xué)儀器充分利用計算機豐富的軟硬件資源，僅增設少量專(zhuān)用軟、硬件模塊，便可實(shí)現傳統儀器的全部功能及一些傳統儀器無(wú)法實(shí)現的功能，同時(shí)縮短了研發(fā)周期。本系統由兩部分組成：以C8051F320單片機為核心的數據采集裝置和以PC機為平臺的分析處理系統。設計中充分考慮數據采集裝置體積小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用SMT封裝的元器件。PC監護終端通過(guò)USB接口接收數據，傳輸速率高；采用圖形編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW編寫(xiě)顯示、存儲、分析處理等功能程序。該系統可實(shí)時(shí)監護并提供心動(dòng)周期，心率等參數，也可進(jìn)行數據的存儲回放，為心血管疾病的診斷提供依據。系統的軟件開(kāi)發(fā)和硬件與上位機軟件的集成測試表明，系統運行穩定可靠，取得了預期效果。

2 系統硬件設計

該系統由C8051F320數據采集模塊和PC機兩部分組成，如圖1所示。

數據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(guò)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(xiàn)傳輸至PC機顯示。PC機部分主要是軟件設計，包括通過(guò)C8051F320單片機片上USB主機API函數和LabVIEW軟件編寫(xiě)數據采集圖形用戶(hù)界面；實(shí)現接收、顯示和處理由數據采集模塊通過(guò)USB接口發(fā)送采集數據的程序。LabVIEW應用程序和C8051F320應用程序均采用Silicon Laboratories公司的USB Xpress開(kāi)發(fā)套件的API和驅動(dòng)程序實(shí)現對底層USB器件的讀寫(xiě)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(shí)存在很強的干擾，包括測量電極與人體之間構成的化學(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50 Hz工頻干擾．人體的運動(dòng)、呼吸引起的基線(xiàn)漂移，肌肉收縮引起的肌電干擾等。采用遙測HOLTER三導聯(lián)線(xiàn)和一次性心電電極與人體接觸，能很好地減小運動(dòng)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(xiàn)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(huì )附加直流成分，需在A(yíng)／D轉換電路前增加電平調節電路。個(gè)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(shí)際器件放大倍數與理論值的偏差，在程控放大電路前設置一個(gè)手動(dòng)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(dòng)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(kāi)關(guān)的數字選通實(shí)現，具有1～50倍的調節范圍。

為減少系統功耗，應采用低功耗、集成度高的器件。該系統選用C8051F320單片機作為數據采集卡的核心部件。該器件是完全集成的混合信號系統級器件，具有與8051兼容的高速CIP-51內核，與MCS-51指令集完全兼容，片內集成了數據采集和控制系統常用的模擬、數字外設及USB接口等其他功能部件。外部電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，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(shí)時(shí)轉換為數字信號，采集到的數據通過(guò)USB接口傳給PC機，進(jìn)一步分析處理信號數據。