便攜式心電圖采集與控制系統設計方案

　　本系統設計在硬件上由基于ARM7TDMI-S內核的微控制器LPC2478、重復可擦寫(xiě)低功耗U盤(pán)、點(diǎn)陣LCD顯示器模塊等組成心電動(dòng)態(tài)采集存儲儀;軟件上則使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統mC/OSⅡ作為系統控制平臺，提高了系統的可靠性。本系統可連續記錄受檢者24～48小時(shí)的心電圖變化，檢查期間由受檢者隨身攜帶而不影響其日常生活與工作，可長(cháng)時(shí)間作動(dòng)態(tài)連續監測記錄，大容量的U盤(pán)和USB2.0協(xié)議的出現，使得數據的傳輸越來(lái)越方便和迅捷，這為便攜式手持移動(dòng)存儲心電圖設備提供了條件。該系統原理圖如圖1所示。

　　系統實(shí)現

　　系統主要模塊框圖如圖2所示。由于電極采集到的心電信號屬于強噪聲背景下的超低頻(0.5～100Hz)微弱信號(0.1～5mV)，所以需要前置放大部分將微弱的心電信號高保真放大，并通過(guò)低通濾波、高通濾波及50 Hz陷波濾除干擾，才可以送往LPC2478的A/D 轉換器AIN0進(jìn)行A/D轉換。

　　前置放大部分電路由輸入跟隨、儀用放大器、右腿浮地驅動(dòng)組成，輸入跟隨器為提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號，采用高精度運算放大器OPA427，接收來(lái)自左、右手的心電信號經(jīng)調整后送往儀用放大器，由高精度儀用放大器進(jìn)行一級倒相放大后的信號送到低通濾波器，原始心電信號中的共模噪聲經(jīng)過(guò)一級放大后返回人體，使其相互疊加，從而可以減小人體共模干擾的絕對值，提高信噪比。

　　低通及高通濾波部分，由于心電信號屬于低頻信號，為了去掉高頻的干擾，還須通過(guò)低通濾波。低通濾波器截止頻率為110Hz，放大器的溫漂、皮膚電阻的變化、呼吸和人體運動(dòng)都會(huì )造成心電信號出現所謂的“基線(xiàn)漂移”現象，也即輸出端的心電信號會(huì )在某條水平線(xiàn)上緩慢地上下移動(dòng)。從頻譜上說(shuō)，這些影響都可以歸結為一個(gè)低頻噪聲干擾，于是使用高通濾波器濾除這部分干擾。在主放大器部分，通過(guò)調整電位器的阻值 RP1來(lái)設置整個(gè)心電放大電路的總增益。主放大器采用低功耗低噪聲的運算放大器TLC225。50Hz頻率陷波部分主要用來(lái)濾除以差模信號方式進(jìn)入電路的工頻干擾。電平提升部分用來(lái)把雙極性信號轉化為單極性信號，以便可直接送入AIN0。

　　硬件設計

　　硬件平臺

　　負壓產(chǎn)生電路

　　由于心電圖原始數據處理中數據放大和濾波電路中OPA4277、AD620和TLC2254芯片需要用到負壓，故此在電路中加入負壓產(chǎn)生電路，主要應用電壓轉換芯片MC34063通過(guò)起振產(chǎn)生-12V的負壓，之后再進(jìn)行分壓得到芯片要求的-5V電壓。

　　信號前置放大電路

　　前置放大電路的組成和電路圖如圖3所示。前置放大電路由輸入跟隨器、儀用放大器和右腿浮地驅動(dòng)等三部分組成。

　　(1)輸入跟隨器：提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號，采用高精度運算放大器OPA4277，具有超低失調電壓l0 V，超低失調偏移±0.1V，偏置電流最大為l nA。

　　(2)儀用放大器：根據系統設計要求采用高精度儀用放大器AD620，輸入失調最大為50mV，輸入失調漂移為0.6mV/攝氏度，共模抑制比為120dB(G=10)。該放大器增益范圍為1~10000，其放大增益關(guān)系式為：

　　G=1+49.4k/Rg

　　當G=10時(shí)，Rg為5.489k，取近似值5.5k。

　　(3)右腿浮地驅動(dòng)：把混雜在原始心電信號中的共模噪聲提取出來(lái)，經(jīng)過(guò)一級反相放大后，再返回到人體，相互疊加，以減少人體共模干擾的絕對值，提高信噪比，主要應用高精度運算放大器OPA4277。

　　高通與低通濾波電路

　　由于心電信號屬于低頻信號，為了去掉高頻干擾，還須通過(guò)低通濾波。低通濾波器采用歸一化設計的四階低通濾波，截止頻率為100 Hz，在頻率轉折處有足夠的陡度，避免高頻信號的干擾?？紤]到元件的誤差，設定截止頻率為110Hz。低通和高通濾波電路如圖4所示，放大器采用低功耗低噪聲的運算放大器TLC2254。每通道供電電流為35mA。

　　主放、50Hz工頻陷波和電平提升

　　主放電路圖通過(guò)調整電位器的阻值PI來(lái)設置整個(gè)心電放大電路的總增益。主放大器采用低功耗低噪聲的運算放大器TLC2254。雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但部分干擾是以差模信號方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內，加上其他各種不穩定因素，經(jīng)放大、低通濾波、高通濾波和主放后，輸出仍存在干擾，必須專(zhuān)門(mén)濾除。

　　經(jīng)過(guò)陷波器后的心電信號為雙極性，系統中的MD芯片只能量化單極性信號，所以，通過(guò)TLC2254把雙極性信號轉化為單極性信號。

　　LCD 模塊

　　此系統采用MGLS12864 LCD模塊，由于該液晶顯示器沒(méi)有內部字符發(fā)生器，所以在屏幕上顯示的任何字符、漢字均須事先建立點(diǎn)陣字模庫，然后按圖形方式進(jìn)行顯示。MGLS12864 模塊與LPC2478 連接，D0～D7 為數據/命令雙向總線(xiàn)，CS 為片選信號，RES 為復位信號，D/I 為數據/命令選擇信號，R/W 為讀寫(xiě)命令信號，CE為控制允許信號。

　　軟件設計

　　操作系統

　　本系統對數據處理、數據顯示及網(wǎng)絡(luò )傳輸需要很高的實(shí)時(shí)性，一個(gè)可靠的RTOS是系統穩定有效運作的保證，所以我們將在LPC2478上移植mC/OS II實(shí)時(shí)操作系統，用以滿(mǎn)足系統對多線(xiàn)程、硬實(shí)時(shí)的嚴格要求。

　　mC/OS II是一個(gè)成熟穩定的占先式實(shí)時(shí)內核，基于優(yōu)先級調度，支持56個(gè)用戶(hù)任務(wù)，提供信號量、郵箱、消息隊列等任務(wù)通信機制，能夠極大提高CPU的利用效率。由于基于優(yōu)先級來(lái)執行任務(wù)，如果其中一個(gè)任務(wù)跑飛，其它高優(yōu)先級則可以通過(guò)運行系統的監視程序對其進(jìn)行修復，因此在高安全性場(chǎng)合具有廣泛的應用。且mC/OS II源碼開(kāi)放，移植簡(jiǎn)單，在基于A(yíng)RM的32位微處理器中有大量成功的案例。在mC/OS II中，每個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的，處于5種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。

　　2.A/D轉換及轉存USB模塊：

　　由前端心電信號放大模塊放大后的心電信號直接送給LPC2478芯片的P0.23引腳進(jìn)行A/D轉換，經(jīng)轉換后的數據為無(wú)符號32位數據格式，將其放入緩存數組中送給USB進(jìn)行存儲，并留待給LCD顯示輸出，具體實(shí)現過(guò)程為：

　　首先，需創(chuàng )建兩個(gè)數據緩存區“GcWritFileData[DATA_N]”及“GcReadFileData[DATA_N]”做為“寫(xiě)文件緩沖區”及“讀文件緩沖區”，初始化mC/OS II操作系統，創(chuàng )建用于處理A/D轉換的任務(wù)Task0及用于LCD顯示的任務(wù)Task1，啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境，在Task0中首先進(jìn)行硬件平臺的初始化，設置P0.23為AIN0[0]功能，作為A/D轉換的輸入引腳，進(jìn)行ADC模塊設置，設置轉換時(shí)鐘等，采用直接啟動(dòng)ADC轉換，進(jìn)行轉換的參考電壓為精密恒壓源提供的2.5V電壓，最后轉換結果保存至“寫(xiě)文件緩沖區”。接著(zhù)初始化USB HOST，并創(chuàng )建文件系統任務(wù)“OSFileTask”，用“OSFileOpen”函數創(chuàng )建并打開(kāi)一個(gè)命名為“ECD.dat”的文件，通過(guò)“OSFileWrite”函數將“GcWritFileData” 寫(xiě)文件緩沖區的數據寫(xiě)入到U盤(pán)中，并通過(guò)其返回值判斷寫(xiě)文件是否成功，完成寫(xiě)文件后再使用“OSFileRead”函數將“GcWritFileData” 寫(xiě)文件緩沖區的數據讀寫(xiě)到“GcReadFileData” 讀文件緩沖區，再通過(guò)寫(xiě)、讀文件緩沖區數據的比較來(lái)確定寫(xiě)入文件數據是否正確，至此，完成從A/D轉換接收數據及轉存至USB的過(guò)程。程序流程圖如圖5所示。

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