基于51單片機的無(wú)線(xiàn)心電監護系統設計

為充分利用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(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，在程控放大前設置一個(gè)手動(dòng)可調的放大電路(1～10倍)。綜合上述分析，心電采集與程控放大部分應包括：AD620前端放大、0．05～100 Hz的帶通濾波、50Hz陷波、手動(dòng)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)現主要利用CD4051電子開(kāi)關(guān)的數字選通功能，能夠實(shí)現1～50倍的調節范圍。

2．3 NRF24L01無(wú)線(xiàn)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125個(gè)頻道可供選擇。通過(guò)SPI寫(xiě)人數據，其速率最高可達10 Mb／s，數據傳輸速率最高可達2Mb／s，并有自動(dòng)應答和自動(dòng)再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01數據傳輸率更快，數據寫(xiě)入速度更高，內嵌的功能更完備。器件內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合增強式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)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(shí)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)使節能設計更方便。結合C8051F320內部資源．采用自帶的SPI接口控制NRF24L01的讀寫(xiě)，節省硬件資源也方便軟件的編寫(xiě)。圖3為無(wú)線(xiàn)發(fā)射控制電路。

2．4 PC監護終端設計
C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實(shí)現USB接口的外部設備(不能被用作USB主設備)。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(shí)鐘恢復電路(可以不用晶體)組成，無(wú)需外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線(xiàn)規范2．0版。監護終端中的單片機也采用 C8051F320，無(wú)線(xiàn)接收部分和圖3相同。C8051F320通過(guò)自帶的USB接口與PC進(jìn)行數據通信(見(jiàn)圖1)。

3 系統軟件設計
3．1 數據采集盒程序設計
數據采集盒中以C8051F320單片機為核心，該器件是完全集成的混合信號片上系統MCU，具有以下特性：(1)高速、流水結構的8051兼容的微控制器內核(可達25 MI/s)；(2)全速、非侵入式的在系統調試接口(片內)；(3)通用串行總線(xiàn)(USB)功能控制器，有8個(gè)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轉換器，帶模擬多路器；(5)硬件實(shí)現的SMBus／I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口。
采集參數分析與確定：(1)心電能量主要分布在0．05～100 Hz之間，根據采樣定理可知A／D轉換器的采樣頻率應大于200 Hz。綜合考慮A／D轉換器采樣速度高和低功耗，將其采樣率設置為2000Hz；(2)由于A(yíng)／D轉換器每次采樣時(shí)問(wèn)并不相等，所以采用TIME2定時(shí)器觸發(fā)每個(gè)采樣周期；(3)為提高傳輸速度和數據傳輸效率以及達到低功耗的要求，將NRF24L01設置為數據塊傳輸模式，每采樣32個(gè)點(diǎn)發(fā)起一次無(wú)線(xiàn)數據傳輸；(4)C8051 F320中的SPI口設置為4線(xiàn)主方式，NRF24L01的SPI為從方式。這樣不僅滿(mǎn)足實(shí)時(shí)采樣要求，還充分利用硬件資源和能源。圖4為數據采集盒軟件流程。

3．2 PC監護終端軟件設計
3．2．1 C8051F320固件程序
單片機與NRF24L01間通過(guò)SPI接口交換數據，USB設置為塊狀傳輸模式與PC機進(jìn)行數據通信。為和數據采集盒相兼容，仍將每32個(gè)數據打成一個(gè)數據包，也可充分利用硬件資源并提高數據傳輸效率。其流程圖與數據采集盒類(lèi)似。