基于C8051單片機的無(wú)線(xiàn)心電監護系統設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，健康已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。心臟疾病是危害人類(lèi)健康的一大殺手，其偶然性與突發(fā)性的特點(diǎn)使得心電監護系統具有重要的臨床應用價(jià)值。由于傳統的心電監護儀不能進(jìn)行遠距離的實(shí)時(shí)監護，所以便攜式無(wú)線(xiàn)心電監護系統顯得更加重要。無(wú)線(xiàn)醫療監護系統主要由生理信息與數據采集、無(wú)線(xiàn)數據通信、控制和顯示等單元組成。目前國內已有用于臨床的無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機)”，從成本上看其價(jià)格昂貴；從無(wú)線(xiàn)傳輸方面看，大多是將心電數據以模擬信號傳輸，這必然導致信號在傳輸過(guò)程中發(fā)生失真。此外，由于人體電阻差異導致心電信號在1～10 mV之間變動(dòng)，固定放大倍數系統缺乏適應性。

　　基于此，這里提出基于C8051F320單片機的無(wú)線(xiàn)監護系統。該系統分為數據采集盒和PC監護終端兩部分。數據采集盒在設計中充分考慮其體積小、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接收數據。采用VC++編寫(xiě)顯示、存儲、分析處理和報警等功能程序。實(shí)驗結果表明該系統能滿(mǎn)足病人在100 m范圍內活動(dòng)，并能根據不同病人選擇合適的放大倍數；由于心電信號在數據采集盒內經(jīng)MD轉換器處理后才發(fā)送，信號抗干擾能力更強。

　　2 系統硬件設計

　　2．1 系統整體構成

　　系統由數據采集盒和PC監護終端兩部分構成，見(jiàn)圖1。數據采集盒采用C8051F320單片機為核心采集心電數據并控制程控放大器，采用NRF24L01模塊收發(fā)數據與PC監護終端通信。PC監護終端中 C8051F320單片機通過(guò)NRF24L01模塊接收心電數據并通過(guò)自帶的USB接口將數據送至PC機。

　　2．2 心電采集與程控放大電路

　　心電信號屬于微弱信號，由于個(gè)體差異，體表心電信號的測量幅值范圍為 1～10 mV，在測量心電信號時(shí)存在較強干擾，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50Hz工頻干擾；人體運動(dòng)、呼吸引起的基線(xiàn)漂移；肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對極化電壓和肌電干擾，采用HOLTER遙測三導連線(xiàn)和一次性心電電極與人體接觸，其中一次性心電電極采用氯化銀和醫用壓敏膠制成，能很好地減小肌電干擾。共模干擾的存在要求前置放大器具有極高共模抑制比(CMRR)，不低于80 dB。根據以上要求，前端放大器采用儀用AD620放大器，放大倍數約50倍；同時(shí)為抑制基線(xiàn)漂移和高頻噪聲的影響，后端電路采用0．05～100 Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號進(jìn)行，然后通過(guò)50 Hz的陷波電路再次處理信號。

　　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)。

　　1 引言

　　隨著(zhù)經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，健康已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。心臟疾病是危害人類(lèi)健康的一大殺手，其偶然性與突發(fā)性的特點(diǎn)使得心電監護系統具有重要的臨床應用價(jià)值。由于傳統的心電監護儀不能進(jìn)行遠距離的實(shí)時(shí)監護，所以便攜式無(wú)線(xiàn)心電監護系統顯得更加重要。無(wú)線(xiàn)醫療監護系統主要由生理信息與數據采集、無(wú)線(xiàn)數據通信、控制和顯示等單元組成。目前國內已有用于臨床的無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機)”，從成本上看其價(jià)格昂貴；從無(wú)線(xiàn)傳輸方面看，大多是將心電數據以模擬信號傳輸，這必然導致信號在傳輸過(guò)程中發(fā)生失真。此外，由于人體電阻差異導致心電信號在1～10 mV之間變動(dòng)，固定放大倍數系統缺乏適應性。

　　基于此，這里提出基于C8051F320單片機的無(wú)線(xiàn)監護系統。該系統分為數據采集盒和PC監護終端兩部分。數據采集盒在設計中充分考慮其體積小、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接收數據。采用VC++編寫(xiě)顯示、存儲、分析處理和報警等功能程序。實(shí)驗結果表明該系統能滿(mǎn)足病人在100 m范圍內活動(dòng)，并能根據不同病人選擇合適的放大倍數；由于心電信號在數據采集盒內經(jīng)MD轉換器處理后才發(fā)送，信號抗干擾能力更強。

　　2 系統硬件設計

　　2．1 系統整體構成

　　系統由數據采集盒和PC監護終端兩部分構成，見(jiàn)圖1。數據采集盒采用C8051F320單片機為核心采集心電數據并控制程控放大器，采用NRF24L01模塊收發(fā)數據與PC監護終端通信。PC監護終端中 C8051F320單片機通過(guò)NRF24L01模塊接收心電數據并通過(guò)自帶的USB接口將數據送至PC機。

　　2．2 心電采集與程控放大電路

　　心電信號屬于微弱信號，由于個(gè)體差異，體表心電信號的測量幅值范圍為 1～10 mV，在測量心電信號時(shí)存在較強干擾，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50Hz工頻干擾；人體運動(dòng)、呼吸引起的基線(xiàn)漂移；肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對極化電壓和肌電干擾，采用HOLTER遙測三導連線(xiàn)和一次性心電電極與人體接觸，其中一次性心電電極采用氯化銀和醫用壓敏膠制成，能很好地減小肌電干擾。共模干擾的存在要求前置放大器具有極高共模抑制比(CMRR)，不低于80 dB。根據以上要求，前端放大器采用儀用AD620放大器，放大倍數約50倍；同時(shí)為抑制基線(xiàn)漂移和高頻噪聲的影響，后端電路采用0．05～100 Hz的帶通濾波器進(jìn)一步處理信號進(jìn)行，然后通過(guò)50 Hz的陷波電路再次處理信號。

　　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。

　　3．2．2 PC機軟件設計

　　PC機軟件采用VC++6．0編寫(xiě)。VC++6．0中集成MFC開(kāi)發(fā)環(huán)境，該環(huán)境提供豐富的接口函數同時(shí)透明化程度較高，界面編寫(xiě)靈活且方便，同時(shí)大部分硬件開(kāi)發(fā)商都提供標準的C++接口函數供客戶(hù)使用，DLL也是VC++的便捷之處，它是基于Windows程序設計的一種裝置。其中USB通信接口的控制部分通過(guò)調用SIXUSB．DLL動(dòng)態(tài)連接庫實(shí)現；顯示部分調用：MFC提供的庫函數如Lineto()、Moveto()等，數據存儲采用數據流的方式存儲；調用SetTimer(1，0,NULL)每1 ms產(chǎn)生1次時(shí)鐘中斷消息，便于及時(shí)更新數據顯示。由于USB模式設置為塊狀數據傳輸模式，所以PC機讀取速度要大于數據采集盒采集速度才能保證數據包不丟失，故每次預讀128字節，然后判斷真實(shí)讀到的數據量，將其放到數據存放地址以供顯示。具體流程如圖5所示。

　　4 聯(lián)機調試及數據記錄

　　4．1 數據采集盒的調試

　　在心電信號輸入端加10 mV、70 Hz的正弦波信號，將程控放大部分增益設置為1，觀(guān)察A／D轉換器輸入端波形，調節手動(dòng)放大器上的可調電阻，使整個(gè)電路的增益為200倍，這樣在A(yíng)／D轉換器處信號幅值應為1 V；將示波器設置為直流模式，調整抬高電平電路至信號的中心線(xiàn)位于1．5 V左右。這樣整個(gè)數據采集盒調試完畢，打開(kāi)PC機端軟件，將程控放大增益設為1，在顯示屏上應能看到正弦波信號。

　　4．2 數據記錄

　　一次性心電電極同定位置：在左右肋骨下靠近胳膊處分別貼一個(gè)，在腹部右側貼一個(gè)。將 HOLTER導聯(lián)線(xiàn)連接到電極上，并將另一端插到數據采集盒上，打開(kāi)電源后，測試者便可做一些基本活動(dòng)。此時(shí)打開(kāi)PC機端HeartECG軟件，先手動(dòng)選擇程控放大倍數，使心電信號處于屏幕中央，也可以選擇自動(dòng)模式，這樣軟件會(huì )根據算法自動(dòng)調節放大倍數便于心電信號的觀(guān)測。實(shí)測數據如圖6所示，其中圖左是放大500倍波形，圖右是放大1 000倍波形。

　　5 結束語(yǔ)

　　實(shí)驗結果表明該系統具有較強的抑制基線(xiàn)漂移能力、低功耗、操作簡(jiǎn)單和支持多個(gè)病人同時(shí)監護等特點(diǎn)。在空曠環(huán)境下，測試者可在50 m范圍內活動(dòng)，室內可穿過(guò)1面水泥墻。因全部采用SMT封裝，數據采集盒尺寸僅為5 cm×6 cm，佩戴方便，是一款廉價(jià)實(shí)用的無(wú)線(xiàn)心電監護系統。