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基于GPRS 的遠程心電實(shí)時(shí)監護終端
作者：
時(shí)間：2010-04-08
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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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用的干凈心電信號, 必須對心電信號進(jìn)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、低失調電壓和漂移、在低增益條件下具有穩定性的儀表放大器INA326[2]。人體皮膚和電極之間存在原電池效應, 使電極之間存在連續的電位差, 為避免該電位差經(jīng)過(guò)放大后造成后級電路飽和, 前置放大器的增益設置為5。信號需放大至數伏量級才能滿(mǎn)足A/D 轉換的要求, 因此設置次級放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調電壓和漂移、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、導電介質(zhì)和皮膚之間的化學(xué)反應而產(chǎn)生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設計了截止頻率為0.1Hz 的二階高通濾波器來(lái)濾除這部分干擾。相應地, 高頻干擾信號通過(guò)一個(gè)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(lái)抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過(guò)右腿驅動(dòng)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(shí)驗表明, 該采集方案所得到的心電波形毛刺少,基線(xiàn)漂移很小, 具有良好的效果。
為防止導聯(lián)脫落或松動(dòng)而造成誤判, 還設計了導聯(lián)脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358 采用單電源供電時(shí)可接成跟隨器, 當其同相端處于懸空狀態(tài)時(shí)會(huì )輸出穩定的高電平。導聯(lián)脫落檢測電路就是利用LM358 的這一特性而設計的。
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(xiàn)調試和編程, 便于開(kāi)發(fā), 而且功耗很低, 適合應用于對功耗敏感的場(chǎng)合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉換并與GPRS 模塊進(jìn)行通信, 還負責外擴Flash 存儲器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘的管理。
PIC16F877A 單片機具有10 位片內A/D 轉換器, 其工作方式和轉換結果存放格式通過(guò)寄存器ADCON0 和ADCON1 進(jìn)行設置, A/D 轉換結果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設計中, 選擇系統時(shí)鐘作為A/D 轉換時(shí)鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉換結果格式為左對齊, 即高8 位存于A(yíng)DRESH 中, 低2 位存于A(yíng)DRESL 中?？紤]到A/D 轉換本身存在的誤差以及壓縮無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送數據量的要求, 在設計中忽略ADRESL 寄
存器中的數據, 即只采用轉換結果的高8 位。系統中心電信號的采樣頻率為500Hz, 采用定時(shí)器TMR0 完成2ms 定時(shí)。
單片機片外擴展了4MB Nand Flash 存儲器, 用于暫存心電數據, 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后由無(wú)線(xiàn)模塊集中發(fā)送, 用戶(hù)也可以選擇在A(yíng)/D 轉換后不經(jīng)存儲就直接發(fā)送。在心電監護中, 醫生常要求知道心電信號出現異常的時(shí)間, 因此使用DS1302設計了實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。
2 .3 GPRS 無(wú)線(xiàn)模塊
GPRS 無(wú)線(xiàn)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(shí)隙class 10, 可提供語(yǔ)音、數據、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(gè)電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內嵌了GSM/GPRS 協(xié)議棧,是否嵌入TCP/IP 協(xié)議?？捎捎脩?hù)選擇。根據系統需要,這里選擇了內嵌TCP/IP 協(xié)議棧的模塊。
GPRS 無(wú)線(xiàn)模塊硬件連接如圖4 所示。單片機對無(wú)線(xiàn)模塊的控制通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊主串口實(shí)現。無(wú)線(xiàn)模塊提供了一個(gè)符合V24 協(xié)議的6 線(xiàn)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 口復用的DCD 和RI 信號接口。為節省單片機引腳資源, 在設計中將無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)模塊主串口引腳則不使用。單片機發(fā)送AT 命令和心電數據給無(wú)線(xiàn)模塊, 無(wú)線(xiàn)模塊則將響應信息發(fā)送給單片機, 從而完成單片機對無(wú)線(xiàn)模塊的狀態(tài)控制和數據發(fā)送。無(wú)線(xiàn)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(shí)使SIM 卡復位, SIMCLK 提供時(shí)鐘信號, SIMDATA 用來(lái)實(shí)現與SIM 卡的數據通信, SIMPRES 用來(lái)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]。為調試和使用方便, 在設計中還提供了GPRS 連接狀態(tài)指示燈和硬件復位電路。
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