基于C8051單片機(jī)的無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)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(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)儀不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，所以便攜式無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得更加重要。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由生理信息與數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)通信、控制和顯示等單元組成。目前國內(nèi)已有用于臨床的無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機(jī))”，從成本上看其價(jià)格昂貴；從無線傳輸方面看，大多是將心電數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)傳輸，這必然導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生失真。此外，由于人體電阻差異導(dǎo)致心電信號(hào)在1～10 mV之間變動(dòng)，固定放大倍數(shù)系統(tǒng)缺乏適應(yīng)性。

　　基于此，這里提出基于C8051F320單片機(jī)的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分。數(shù)據(jù)采集盒在設(shè)計(jì)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(jiān)護(hù)終端通過USB接收數(shù)據(jù)。采用VC++編寫顯示、存儲(chǔ)、分析處理和報(bào)警等功能程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足病人在100 m范圍內(nèi)活動(dòng)，并能根據(jù)不同病人選擇合適的放大倍數(shù)；由于心電信號(hào)在數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)經(jīng)MD轉(zhuǎn)換器處理后才發(fā)送，信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

　　系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分構(gòu)成，見圖1。數(shù)據(jù)采集盒采用C8051F320單片機(jī)為核心采集心電數(shù)據(jù)并控制程控放大器，采用NRF24L01模塊收發(fā)數(shù)據(jù)與PC監(jiān)護(hù)終端通信。PC監(jiān)護(hù)終端中 C8051F320單片機(jī)通過NRF24L01模塊接收心電數(shù)據(jù)并通過自帶的USB接口將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)。

　　2．2 心電采集與程控放大電路

　　心電信號(hào)屬于微弱信號(hào)，由于個(gè)體差異，體表心電信號(hào)的測(cè)量幅值范圍為 1～10 mV，在測(cè)量心電信號(hào)時(shí)存在較強(qiáng)干擾，包括測(cè)量電極與人體之間構(gòu)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(yùn)動(dòng)、呼吸引起的基線漂移；肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對(duì)極化電壓和肌電干擾，采用HOLTER遙測(cè)三導(dǎo)連線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(yī)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(jù)以上要求，前端放大器采用儀用AD620放大器，放大倍數(shù)約50倍；同時(shí)為抑制基線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(hào)進(jìn)行，然后通過50 Hz的陷波電路再次處理信號(hào)。

　　為充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換前先將信號(hào)放大到A／D轉(zhuǎn)換器電路參考電壓的70％左右，考慮到信號(hào)中有附加的直流成分，需在A／D轉(zhuǎn)換電路前增加電平調(diào)節(jié)電路。個(gè)體心電幅度的差異要求電路中設(shè)計(jì)程控放大電路，又為便于心電信號(hào)的標(biāo)定和考慮到實(shí)際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差，在程控放大前設(shè)置一個(gè)手動(dòng)可調(diào)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(yīng)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(xiàn)主要利用CD4051電子開關(guān)的數(shù)字選通功能，能夠?qū)崿F(xiàn)1～50倍的調(diào)節(jié)范圍。

　　2．3 NRF24L01無線發(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(dá)125個(gè)頻道可供選擇。通過SPI寫人數(shù)據(jù)，其速率最高可達(dá)10 Mb／s，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mb／s，并有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸率更快，數(shù)據(jù)寫入速度更高，內(nèi)嵌的功能更完備。器件內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序配置。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(jié)能設(shè)計(jì)更方便。結(jié)合C8051F320內(nèi)部資源．采用自帶的SPI接口控制NRF24L01的讀寫，節(jié)省硬件資源也方便軟件的編寫。圖3為無線發(fā)射控制電路。

　　2．4 PC監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)

　　C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實(shí)現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備(不能被用作USB主設(shè)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(chǔ)器和時(shí)鐘恢復(fù)電路(可以不用晶體)組成，無需外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線規(guī)范2．0版。監(jiān)護(hù)終端中的單片機(jī)也采用 C8051F320，無線接收部分和圖3相同。C8051F320通過自帶的USB接口與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(見圖1)。

　　1 引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)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(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)儀不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，所以便攜式無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)顯得更加重要。無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由生理信息與數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)通信、控制和顯示等單元組成。目前國內(nèi)已有用于臨床的無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機(jī))”，從成本上看其價(jià)格昂貴；從無線傳輸方面看，大多是將心電數(shù)據(jù)以模擬信號(hào)傳輸，這必然導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生失真。此外，由于人體電阻差異導(dǎo)致心電信號(hào)在1～10 mV之間變動(dòng)，固定放大倍數(shù)系統(tǒng)缺乏適應(yīng)性。

　　基于此，這里提出基于C8051F320單片機(jī)的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分。數(shù)據(jù)采集盒在設(shè)計(jì)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(jiān)護(hù)終端通過USB接收數(shù)據(jù)。采用VC++編寫顯示、存儲(chǔ)、分析處理和報(bào)警等功能程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足病人在100 m范圍內(nèi)活動(dòng)，并能根據(jù)不同病人選擇合適的放大倍數(shù)；由于心電信號(hào)在數(shù)據(jù)采集盒內(nèi)經(jīng)MD轉(zhuǎn)換器處理后才發(fā)送，信號(hào)抗干擾能力更強(qiáng)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

　　系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集盒和PC監(jiān)護(hù)終端兩部分構(gòu)成，見圖1。數(shù)據(jù)采集盒采用C8051F320單片機(jī)為核心采集心電數(shù)據(jù)并控制程控放大器，采用NRF24L01模塊收發(fā)數(shù)據(jù)與PC監(jiān)護(hù)終端通信。PC監(jiān)護(hù)終端中 C8051F320單片機(jī)通過NRF24L01模塊接收心電數(shù)據(jù)并通過自帶的USB接口將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)。

　　2．2 心電采集與程控放大電路

　　心電信號(hào)屬于微弱信號(hào)，由于個(gè)體差異，體表心電信號(hào)的測(cè)量幅值范圍為 1～10 mV，在測(cè)量心電信號(hào)時(shí)存在較強(qiáng)干擾，包括測(cè)量電極與人體之間構(gòu)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(yùn)動(dòng)、呼吸引起的基線漂移；肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對(duì)極化電壓和肌電干擾，采用HOLTER遙測(cè)三導(dǎo)連線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(yī)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(jù)以上要求，前端放大器采用儀用AD620放大器，放大倍數(shù)約50倍；同時(shí)為抑制基線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(hào)進(jìn)行，然后通過50 Hz的陷波電路再次處理信號(hào)。

　　為充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換前先將信號(hào)放大到A／D轉(zhuǎn)換器電路參考電壓的70％左右，考慮到信號(hào)中有附加的直流成分，需在A／D轉(zhuǎn)換電路前增加電平調(diào)節(jié)電路。個(gè)體心電幅度的差異要求電路中設(shè)計(jì)程控放大電路，又為便于心電信號(hào)的標(biāo)定和考慮到實(shí)際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差，在程控放大前設(shè)置一個(gè)手動(dòng)可調(diào)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(yīng)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(xiàn)主要利用CD4051電子開關(guān)的數(shù)字選通功能，能夠?qū)崿F(xiàn)1～50倍的調(diào)節(jié)范圍。

　　2．3 NRF24L01無線發(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(dá)125個(gè)頻道可供選擇。通過SPI寫人數(shù)據(jù)，其速率最高可達(dá)10 Mb／s，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mb／s，并有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01數(shù)據(jù)傳輸率更快，數(shù)據(jù)寫入速度更高，內(nèi)嵌的功能更完備。器件內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序配置。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(jié)能設(shè)計(jì)更方便。結(jié)合C8051F320內(nèi)部資源．采用自帶的SPI接口控制NRF24L01的讀寫，節(jié)省硬件資源也方便軟件的編寫。圖3為無線發(fā)射控制電路。

　　2．4 PC監(jiān)護(hù)終端設(shè)計(jì)

　　C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實(shí)現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備(不能被用作USB主設(shè)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(chǔ)器和時(shí)鐘恢復(fù)電路(可以不用晶體)組成，無需外部元件。USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串行總線規(guī)范2．0版。監(jiān)護(hù)終端中的單片機(jī)也采用 C8051F320，無線接收部分和圖3相同。C8051F320通過自帶的USB接口與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信(見圖1)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 數(shù)據(jù)采集盒程序設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集盒中以C8051F320單片機(jī)為核心，該器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)MCU，具有以下特性：(1)高速、流水結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制器內(nèi)核(可達(dá)25 MI/s)；(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；(3)通用串行總線(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(zhuǎn)換器，帶模擬多路器；(5)硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus／I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口。

　　采集參數(shù)分析與確定：(1)心電能量主要分布在0．05～100 Hz之間，根據(jù)采樣定理可知A／D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率應(yīng)大于200 Hz。綜合考慮A／D轉(zhuǎn)換器采樣速度高和低功耗，將其采樣率設(shè)置為2000Hz；(2)由于A／D轉(zhuǎn)換器每次采樣時(shí)問并不相等，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(shù)據(jù)傳輸效率以及達(dá)到低功耗的要求，將NRF24L01設(shè)置為數(shù)據(jù)塊傳輸模式，每采樣32個(gè)點(diǎn)發(fā)起一次無線數(shù)據(jù)傳輸；(4)C8051 F320中的SPI口設(shè)置為4線主方式，NRF24L01的SPI為從方式。這樣不僅滿足實(shí)時(shí)采樣要求，還充分利用硬件資源和能源。圖4為數(shù)據(jù)采集盒軟件流程。

　　3．2 PC監(jiān)護(hù)終端軟件設(shè)計(jì)

　　3．2．1 C8051F320固件程序

　　單片機(jī)與NRF24L01間通過SPI接口交換數(shù)據(jù)，USB設(shè)置為塊狀傳輸模式與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為和數(shù)據(jù)采集盒相兼容，仍將每32個(gè)數(shù)據(jù)打成一個(gè)數(shù)據(jù)包，也可充分利用硬件資源并提高數(shù)據(jù)傳輸效率。其流程圖與數(shù)據(jù)采集盒類似。

　　3．2．2 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　PC機(jī)軟件采用VC++6．0編寫。VC++6．0中集成MFC開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境提供豐富的接口函數(shù)同時(shí)透明化程度較高，界面編寫靈活且方便，同時(shí)大部分硬件開發(fā)商都提供標(biāo)準(zhǔn)的C++接口函數(shù)供客戶使用，DLL也是VC++的便捷之處，它是基于Windows程序設(shè)計(jì)的一種裝置。其中USB通信接口的控制部分通過調(diào)用SIXUSB．DLL動(dòng)態(tài)連接庫實(shí)現(xiàn)；顯示部分調(diào)用：MFC提供的庫函數(shù)如Lineto()、Moveto()等，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用數(shù)據(jù)流的方式存儲(chǔ)；調(diào)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(shù)據(jù)顯示。由于USB模式設(shè)置為塊狀數(shù)據(jù)傳輸模式，所以PC機(jī)讀取速度要大于數(shù)據(jù)采集盒采集速度才能保證數(shù)據(jù)包不丟失，故每次預(yù)讀128字節(jié)，然后判斷真實(shí)讀到的數(shù)據(jù)量，將其放到數(shù)據(jù)存放地址以供顯示。具體流程如圖5所示。

　　4 聯(lián)機(jī)調(diào)試及數(shù)據(jù)記錄

　　4．1 數(shù)據(jù)采集盒的調(diào)試

　　在心電信號(hào)輸入端加10 mV、70 Hz的正弦波信號(hào)，將程控放大部分增益設(shè)置為1，觀察A／D轉(zhuǎn)換器輸入端波形，調(diào)節(jié)手動(dòng)放大器上的可調(diào)電阻，使整個(gè)電路的增益為200倍，這樣在A／D轉(zhuǎn)換器處信號(hào)幅值應(yīng)為1 V；將示波器設(shè)置為直流模式，調(diào)整抬高電平電路至信號(hào)的中心線位于1．5 V左右。這樣整個(gè)數(shù)據(jù)采集盒調(diào)試完畢，打開PC機(jī)端軟件，將程控放大增益設(shè)為1，在顯示屏上應(yīng)能看到正弦波信號(hào)。

　　4．2 數(shù)據(jù)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(cè)貼一個(gè)。將 HOLTER導(dǎo)聯(lián)線連接到電極上，并將另一端插到數(shù)據(jù)采集盒上，打開電源后，測(cè)試者便可做一些基本活動(dòng)。此時(shí)打開PC機(jī)端HeartECG軟件，先手動(dòng)選擇程控放大倍數(shù)，使心電信號(hào)處于屏幕中央，也可以選擇自動(dòng)模式，這樣軟件會(huì)根據(jù)算法自動(dòng)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)便于心電信號(hào)的觀測(cè)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(jié)束語

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抑制基線漂移能力、低功耗、操作簡單和支持多個(gè)病人同時(shí)監(jiān)護(hù)等特點(diǎn)。在空曠環(huán)境下，測(cè)試者可在50 m范圍內(nèi)活動(dòng)，室內(nèi)可穿過1面水泥墻。因全部采用SMT封裝，數(shù)據(jù)采集盒尺寸僅為5 cm×6 cm，佩戴方便，是一款廉價(jià)實(shí)用的無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。