基于ARM7的新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀的研制

　　摘要：本文介紹了一種新型便攜式心電監(jiān)測儀的軟硬件設(shè)計(jì)，基于ARM核的32位低功耗微處理器作為系統(tǒng)控制核心，系統(tǒng)采用源碼公開的嵌入式uClinux操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)心電信號的實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)測，具有輕便節(jié)能、功能強(qiáng)大，安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：心電ECG ARM uClinux 液晶顯示屏 TCP/IP協(xié)議

　　一、緒論

　　心血管疾病是目前對人類危害最大的一種疾病，而心電圖是檢查、診斷和預(yù)防該類疾病的主要手段和依據(jù)。由于傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺的心電監(jiān)護(hù)儀，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫(yī)院，而無法實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)患者的病情，給醫(yī)生和病人帶來了很大的不便。近年來，隨著嵌入式和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，我們研制出一種基于ARM7處理器的新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀，它采用Samsung公司的一款ARM7TDMI核的RISC的32位高速處理器S3C44B0X,具有成本低、體積小、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于個(gè)人、中小醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療單位，為家庭保健(HHC)和遠(yuǎn)程醫(yī)療(Telemedicine)等新興的醫(yī)療途徑提供良好的幫助與支持。

　　二、系統(tǒng)的工作原理

　　圖一 新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　心電信號通過專用電極從人的左右臂采集到后，送入信號調(diào)理電路，先經(jīng)過前置放大器初步放大，經(jīng)高通濾波濾除直流信號及低頻基線干擾后，由后級放大器放大，再經(jīng)濾波器進(jìn)一步濾除50HZ的工頻干擾，經(jīng)低通濾波器后得到符合要求的心電信號，由模擬信號輸入端送入ADC，進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換。為了更好的抑制干擾信號和防止導(dǎo)聯(lián)松動及脫落，我們在電路中還引入了右腿驅(qū)動電路和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路。系統(tǒng)控制核心采用Samsung公司的S3C44BOX,液晶顯示屏(LCD)建立良好的人機(jī)交互界面，采集到的信號可以通過LCD實(shí)時(shí)顯示和回放，數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)基于TCP/ IP(傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議) 順序可靠地傳輸數(shù)據(jù)到心電監(jiān)護(hù)中心,為醫(yī)護(hù)人員及時(shí)準(zhǔn)確的診斷提供參考。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用現(xiàn)在流行的uClinx,管理協(xié)調(diào)各模塊工作，為系統(tǒng)可靠的運(yùn)行提供保證。

　　三、系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

　　3.1、信號調(diào)理電路

　　信號調(diào)理電路主要包括：放大器、帶通濾波器、陷波器等。

　　圖二 心電前置放大電路

　　人體心電信號屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號，一般只有0.05-5mV,頻譜范圍為：0.05-100HZ,心電信號正常輸出時(shí)其幅值約為1mV,而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平要求到達(dá)1V左右，即心電放大倍數(shù)約為1000倍，由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。我們選用AD620儀表放大器作為系統(tǒng)前置放大器，它具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點(diǎn)。它的增益通過1腳和8腳的電阻Rg來調(diào)節(jié)，可達(dá)1-100倍，計(jì)算公式為：G=49.4 /Rg+1。我設(shè)計(jì)初級放大倍數(shù)在七級左右，選用精度為0.01%，阻值為8.25 的精密線繞電阻，后級選用TL064將信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平要求。

　　圖三 心電后級放大及濾波電路

　　為抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲，設(shè)計(jì)一個(gè)RC高通濾波器;因心電信號的頻率在100HZ以下，為消除高頻信號和50HZ的工頻干擾，還設(shè)計(jì)了低通濾波和帶阻濾波器。

　　為防止導(dǎo)聯(lián)松動和脫落，設(shè)計(jì)導(dǎo)聯(lián)檢測電路，電極脫落時(shí)，比較器的輸出電平由正常的高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生報(bào)警信號，提醒患者檢查導(dǎo)聯(lián)。右腿驅(qū)動電路，人體共模電壓檢測出后，經(jīng)倒相放大反饋到人的右腿上，而沒有直接與放大器的地相聯(lián)，這樣人體的位移電流不流到地，而是流到運(yùn)放的輸出端，對AD620減小了共模電壓的拾取。