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心电信号采集系统的研究与设计作者：王思毅来源：《卷宗》2017年第28期本文研究设计了十二导联心电采集系统。
系统由前端采集电路模块、滤波模块和控制模块组成。
前端采集模块对信号进行放大并抑制共模干扰，滤波模块对信号进行噪声处理，控制模块对导联切换和模数转换进行控制。
本系统具有体积小、高质量的特点，并使用了低功耗的处理芯片使得长时间的实时心电采集更加简单方便。
其能够以更高效稳定的方式对人体心电信号进采集，在未来可以更好地预防心血管疾病的发生，为人们的健康生活提供保障。
1 引言心血管疾病具有很强的隐蔽性和高危险性，一直是医学界研究的热点问题。
心电监护仪器能够及时发现心血管的异常情况，成为临床诊断以及生命科学研究的重要工具。
目前使用较多的心电监护仪器主要以工作站的形式应用于医院，因其价格昂贵且不便携带，阻碍了家庭应用的普及。
随着人们生活水平的提高，肥胖、快节奏的生活压力促使心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。
与此同时，心血管疾病的发病趋势也不断趋于年轻化，便携式的心电系统能够帮助心血管类疾病的预防以及治疗。
随着电子设备的快速发展，专业的便携式心电监测设备也能够进入家庭中实现心电信号的日常监护，从而使医生能够更加全面及完整地评估病人的心脏状况。
使用心电监护仪可提高护理工作效率，随时了解患者病情，提高治疗和护理质量，大幅度降低危重患者的病死率。
因此，本文所研究的十二导联采集系统具有重要的医疗价值与社会价值。
本文设计的便携式十二导联心电采集系统通过电极片从人体的十个不同部位采集心电信号，信号经过放大、共模抑制、滤波并通过MSP430F149芯片控制模数转换，其通过控制导联切换芯片可以得到8路心电信号，最终可以得到十二导联信号。
2 系统总体结构前端采集电路模块从人体采集到微弱的生物电信号，并进行放大且抑制共模干扰，信号再经过滤波模块后得到高质量的心电信号。
控制模块采用了MSP430F149，低功耗处理芯片是系统的中央处理芯片，不仅进行导联切换，还控制模数转换AD7691等芯片。
教改班综合设计与实验心电信号采集与监测系统李天野（02099028）张宁祥（02099015）2012年6月目录1. 实验任务与要求-------------------------------------32. 总体方案论证与框图构筑-----------------------------33. 心电信号调理器的设计与仿真-------------------------43.1 放大器设计------------------------------------43.1.1 仪用放大器设计---------------------------43.1.2 输出放大器设计---------------------------73.1.3 放大器总体仿真结果-----------------------83.2 50Hz陷波器设计--------------------------------93.3 心电信号调理器总电路图-----------------------114. 心率测量、显示及报警电路的设计---------------------12 4.1 心率测量方案----------------------------------12 4.2 心率测量及显示电路设计------------------------124.3 报警电路设计----------------------------------155. 总结----------------------------------------------166. 参考文献------------------------------------------161. 实验任务与要求1.设计心电信号调理器：增益：60dB、70dB和80dB三档可调；带宽：0.01Hz ~ 200Hz，可插入50Hz陷波器。
2.设计测量和显示心率的数字电路（用七段数码管显示）。
摘要心血管疾病是威胁人类健康的主要疾病之一，早期诊断和治疗是预防心脏病的有效途径。
20世纪50年代末，美国科学家Holter首先发明了一种心电仪，人们称它为Holter心电仪或叫动态心电仪，这种技术在临床上可实现“长时间”、“动态”记录的心电图，就称为动态心电图。
能够记录病人24小时活动过程中的动态心电数据，给医生提供具有诊断价值的资料，对于心脏功能的评价，心脏病的早期诊断非常有益，所以心电监护仪在其中发挥着至关重要的作用。
本课题采用MSP430149单片机作为核心器件，主要完成对心电信号的24小时不间断采集、传输、存储、显示等功能。
关键词心电信号；动态心电图；MSP430单片机AbstractCardiovascular disease is one of main diseases that threat human health．and the early diagnosis and treatment are effective ways that prevent heart disease。
In the late 1950s in U.S. a scientist called Holter have invented the first such dynamic electrocardiogram instrument, people called Holter monit or or Dynamic electrocardiograph, this technology can be realized in clinical "long" and "dynamic" of ECG records, known as HOLTER.It’s very helpful to cardiac function in the early diagnosis that if it can record the patient 24 hours of dynamic ECG data process and provide the doctors materials that has diagnostic value in the evaluation.This subject uses msp430 single chip as the core device. The whole system mainly displays collection, storage, transport, display function for 24-hour uninterrupted ECG signal collection.Keywords ECG signal；dynamic electrocardiogram （DCG）；Holter；msp430；目录摘要 (I)Abstract ...................................................... I I 目录.. (2)第1章绪论 (1)1.1 课题研究意义 (1)1.2国内外研究现状与文献综述 (3)1.3设计主要研究内容与系统总体设计 (4)第2章心电图的产生和特征 (6)2.1 体表心电图 (6)2.2 心电的产生 (6)2.3 各波形的意义 (8)2.4 常见的心律异常类型及特征 (9)2.5 心电图的导联 (10)2.6 心电信号的特征 (11)2.7 心电信号常见干扰 (12)2.8 本章小结 (13)第3章心电检测电路设计 (14)3.1 心电信号放大器设计要求 (14)3.2 电极的选择 (16)3.3 保护与缓冲电路 (16)3.4 前置放大电路 (17)3.5 滤波电路 (20)3.5.1 低通滤波电路 (20)3.5.2 高通滤波电路 (20)3.6 右腿驱动电路 (21)3.7 电平提升电路 (22)3.8 导联脱落检测报警电路 (22)3.9 本章小结 (23)第4章控制、存储及接口电路设计 (24)4.1 中央处理器及其外围模块 (24)4.1.1 芯片的选型 (24)4.1.2 ADC模块 (24)4.1.3 定时器 (24)4.2 USB数据传输 (27)4.3 数据存储 (29)4.4 时钟日历芯片 (30)4.5 液晶显示 (31)4.6 本章小结 (32)结论 (33)参考文献 (3)致谢 (4)附录1 (5)附录2 (6)第1章绪论早在1887年，Waller用Lippman所制作的毛细管静电计记录到了体表心电图，而其心电图临床应用则始于1903年。
一、心电图机概述1.1 医学仪器概述医学仪器主要用于对人的疾病进行诊断和治疗，其作用对象是复杂的人体，在医学仪器没有大量出现之前，医生主要凭经验通过手和五官来获取诊断信息，现在随着电子信息等技术的发展，医学仪器可以将人体的各种信息提供给医生观察和诊断。
由于生理信号均是微弱的信号，加之人体结构的复杂性和个体差异性，医学仪器在检测研究生物信息时，必须考虑到生物信息的特点，针对不同的生理参量采用不同的方法。
检测一些十分微弱的信息时，必须用高灵敏度的传感器或者电机，对于一些变化极为缓慢的生物信息，要求其检测系统具有很好的频率响应特性。
同时，对于检测到的信号，需要进行必要的处理，才能成为医生诊断的依据，现在能检测到的生理信号十分丰富，到了不用计算机就很难处理的地步。
所以对任何检测到的信号必须进行模/数转换，对不同的生理信息还要采用一些数学方法，如对非线性的生物信息，可通过拉普拉斯变换的办法，将其按线性处理；又如欲将检测到的以时间域表示的信息转换到频率域上，就得采用傅立叶变换的方法。
在生物信息处理过程中，当需要作信号波形分析时，又要用到模拟式频谱分析法（即滤波）和数字式频谱分析法。
另外，对于处理好的生理信号，必须以某种方式显示出来如打印在记录纸上或显示在显示屏幕上等。
图1.1从上述可以看到，医学仪器与其他仪器相比具有其特殊性。
一台完整的医学仪器一般由以下几部分构成：信息检测系统、信息处理系统、记录显示系统以及其他的辅助系统（如图1.1所示）。
检测系统主要包括被测对象、传感器或电极，它是医学仪器的信号源；信息处理系统的作用是对信息检测系统传送过来的信号进行处理，包括放大、识别（滤波）、变换等各种处理和分析，它也被认为是医学仪器的核心，因为仪器性能的优劣、精度的高低、功能的多少主要取决于它，可以说医学仪器自动化、智能化的发展完全取决于信息处理系统技术进步的程度；信息记录与显示系统的作用是将处理后的生物信息变为人们可以直接观察的形式。
基于无线通信的心电监护系统设计摘要：设计了基于无线网络的远程心电监护系统，该系统方便医生实时了解病人的身体状况，患者可以得到及时、准确的医疗救护。
系统中应用了性能优化的CC2530芯片，通过无线通信的方式，完成心电信号的监护。
最后经过通过仿真测试，证明了所设计系统的有效性。
关键词：心电信号无线通信监护系统CC2530The Design of ECG Monitoring System Based on Wireless Network Abstract : The design of the remote ECG monitoring system based on wireless network, the system is convenient for the doctor real-time checking the patient´s physical condition, the patients can obtain timely medical accurate treatment .The CC2530 chip is applied in the system for its optimization performance through wireless communication. Finally, through the simulation test, which proves that it is effective for the designed system.Key Words: ECG Signals;Wireless Communication;Monitoring System；CC2530心血管疾病的死亡数字令人心惊，如果得心血管疾病的人都住院，在很大程度上浪费资源。
因为很多人一两年都不会突发疾病，而且医院没那么多资源去应对，所以就很有必要实现一种个人心血管疾病监护的仪器，可以随身携带，基于无线传输，和医院系统或者监护人相连。
心电信号采集和设计的思路及步骤随着科技的不断发展，心电信号的采集和设计已经成为医疗领域的重要技术之一。
心电信号的采集和设计涉及到多个学科领域，需要综合运用工程学、医学、生物学等知识。
在进行心电信号的采集和设计时，需要根据一定的思路和步骤进行，才能够确保设计的准确性和可靠性。
一、心电信号采集的思路及步骤1. 确定采集的对象和目的心电信号的采集对象可以是人体或动物，而其目的主要是用于疾病诊断、健康监测等方面。
在确定采集的对象和目的后，可以根据实际需求选择合适的采集设备和方法。
2. 选择合适的心电信号采集设备心电信号的采集设备通常包括心电图仪、心电记录仪等，而其选择需要考虑到采集的对象、采集的环境等因素。
还需要考虑设备的性能、精度、稳定性等方面。
3. 设计心电信号采集系统在选择好采集设备后，需要设计心电信号的采集系统。
这其中需要考虑到采集通道的数量、采集频率、滤波器的设计等方面。
还需要考虑到信号放大、模数转换等环节的设计。
4. 进行心电信号的采集在心电信号的采集过程中，需要考虑到采集的时间、采集的位置、采集的姿势等因素，以保证采集的准确性和有效性。
5. 数据处理和分析采集到心电信号后，需要对数据进行处理和分析，以求得有意义的结果。
这其中需要考虑到滤波、特征提取、模式识别等方面。
还需要考虑到数据的存储、传输等问题。
二、心电信号设计的思路及步骤1. 确定设计的目的和需求在进行心电信号的设计时，需要明确设计的目的和需求，例如设计一种用于心电信号采集的电路、设计一种用于心电信号处理的算法等。
2. 进行相关知识的学习和调研在确定设计的目的和需求后，需要进行相关知识的学习和调研。
这其中包括心电信号的特性、传感器的原理、信号处理的方法等方面。
3. 进行方案设计在进行心电信号的设计时，需要根据相关知识进行方案设计。
这包括硬件设计、算法设计等方面。
在进行方案设计时需要考虑到设计的准确性、稳定性等因素。
4. 进行模拟仿真和实验验证在设计完成后，需要进行模拟仿真和实验验证。
前言本课程设计心电信号采集和心电波形显示，采用AT89C51作为控制器，通过对人体标准三导联信号地采集以及放大滤波等处理，传至控制器实现数据地处理，进而在液晶屏上显示波形以及实现计算心率等功能，设计内容分为硬件部分和软件部分.硬件部分由模拟采集部分和数字处理部分组成.模拟采集部分由前置放大级、二阶高低通滤波器、光耦隔离、一级放大、50Hz陷波电路、增益可调二级放大组成，数字处理部分有AT89C51控制器、A/D转换、LCD160128液晶显示、按键处理模块、阈值报警等构成并且前置级浮地，数字电源和模拟电源分开供电，减少相应地干扰.软件部分需要将单片机与ADC转化部分相连，在8位地ADC进行系统地配置后，进行数据地转化.进行数模地转化.通过建立坐标地方法进行波形地实时显示.另外可以构建心率算法实现其他心率计算等其他功能.设计完成后进行仿真，制作样机，软硬联调后测试预期地性能指标.关键词心电信号，AT89C51，心电波形目录前言11.基本原理11.1心电信号地特点11.2心电检测地原理12.系统总体设计22.1系统结构框图22.2系统功能描述22.2.1 前置放大22.2.2 保护电路32.2.3 屏蔽驱动32.2.4 高通滤波32.2.5 一级放大32.2.6 光电隔离32.2.7 DC-DC转换32.2.8右腿驱动电路42.2.9 50Hz陷波器42.2.10 低通滤波器42.2.11 二级放大42.2.12 A/D转换42.2.13 阈值报警42.2.14 LCD显示42.2.15按键控制53.系统模块设计63.1模拟电路设计63.1.1前置放大器设计63.1.2高通和低通滤波器、50Hz陷波器设计73.1.3一级放大和二级放大设计123.1.4光电隔离设计143.1.5 DC-DC转换设计153.2数字电路设计163.2.1 A/D转换和阈值报警163.2.2 LCD模块显示设计173.2.3数字电源设计183.2.4 按键电路194.软件部分设计19参考文献20附录1：总原理图201.基本原理1.1心电信号地特点心电信号频率低，幅值微弱，常常混杂其它地生理信号.心电信号地电压范围为0.5~4mV，频率范围为0.05~100Hz.测量系统有较高地敏感度，易引入干扰.50Hz工频干扰在测量频率范围内.人体是电地良导体，其它电生理信号也会进入测量系统.人体运动伪差带来电极接触地位置改变影响测量系统.1.2心电检测地原理本心电检测装置根据爱氏标准双极性肢体导联（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）方法，使用三个不锈钢电极，其中一个电极安装在人地右脚，另外两个电极根据爱氏三角形，可连接左手（＋）、右手（－）或右手（－）、左脚（＋）或左手（－）、左脚（＋）.通过后两电极之间地电压差采集心电信号，然后再通过信号地分析处理得到心电波形.2.系统总体设计2.1系统结构框图2.2系统功能描述2.2.1前置放大用两个集成运放和仪用放大器构成前置级放大，增益为G=10，提高输入阻抗.2.2.2保护电路对于心电信号0.5~4mV，可以使用反向并联地硅二极管，低压情况下工频电压干扰300mV左右，可使电压钳制在300mV.2.2.3屏蔽驱动由于测量电极和测量系统有大于1m距离时，会使共模电压不等量衰减，降低共模抑制能力，将屏蔽层接入共模输入信号地等电位点以消除分布电容地影响.2.2.4高通滤波滤除频率低于0.05Hz地电信号.2.2.5一级放大使用集成运放，使得运放增益为G=20.2.2.6光电隔离对信号采用光电隔离，使或部分地信号处理电路不会因干扰地引入影响前置级信号采集地安全性和准确性.2.2.7DC-DC转换将信号采集电路和信号处理电路地电源进行隔离，保证安全.2.2.8右腿驱动电路降低50Hz地工频干扰电压.2.2.9 50Hz陷波器去除50Hz工频干扰信号.2.2.10 低通滤波器滤除高于100Hz地地电信号.2.2.11 二级放大提高信号地电压增益，可调电压增益为G=1~20，获得合适地波形.2.2.12 A/D转换将心电模拟信号信号转化成数字信号，送给单片机处理.2.2.13 阈值报警当干扰电压过高或电极脱落报警.2.2.14 LCD显示显示出心电信号地波形，已检查心脏地情况.2.2.15按键控制调整波形基线地位置和显示屏地显示及保持.3.系统模块设计3.1模拟电路设计3.1.1前置放大器设计前置放大电路地电路图如图2所示,由输入跟随器、仪用放大器、右腿屏蔽驱动和屏蔽层驱动4 部分组成.( 1) 输入跟随器.提供高输入阻抗，获取更强地心电信号, 采用高输出驱动运算放大器TLC084, 具有最大失调电压1.9mV, 超低失调偏移1.2μV/°C.( 2) 仪用放大器.根据系统设计要求采用高精度仪用放大器AD620, 具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 μV)和低失调漂移(最大0.6 μV/°C)特性.该仪用放大器地增益范围为1~10 000, 由其放大增益关系式:G = 1+ 50KΩ/Rg, 取G=10, 则算出Rg为5.556 kΩ, 取近似值5.6 kΩ.( 3) 右腿屏蔽驱动.采用高精度运算放大器TLC084,把混杂于原始心电信号中地共模噪声提取出来, 经过一级倒相放大后,再返回到人体, 使它们相互叠加, 从而减小人体共模干扰地绝对值, 提高信噪比.( 4) 屏蔽层驱动.尽管大部分噪声以共模形式存在于人体, 但由于元器件不可能完全对称,电路板又存在一些分布参数（如寄生电容）, 结果使少部分以共模形式存在地干扰噪声以差模信号地方式进入放大器, 而放大器对差模信号地放大能力很强,最终导致信号发生畸变.因此, 采用高精度运算放大器TLC084,通过屏蔽层驱动电路, 用共模电压本身驱动屏蔽层给予中和, 以便将跨接在其上地共模波动减小到零.图2-前置级放大前置放大级通过施加一个幅值为4mV、频率为60Hz正弦信号源，multisium仿真结果如图3所示：3.1.2高通和低通滤波器、50Hz陷波器设计由于心电信号属于低频信号, 为了去掉高频地干扰, 还须通过低通滤波.低通滤波器( LPF) 如图4所示采用归一化设计地BUTTERWORTH 二阶低通滤波, 截止频率fH为100 Hz, 在频率转折处有足够地陡度.放大器地温漂、皮肤电阻地变化、呼吸和人体运动, 都会造成心电信号出现所谓地“基线漂移”现象, 即输出端地心电信号会在某条水平线上缓慢地上下移动.从频谱上说, 这些影响都可以归结为一个低频噪声干扰.文献指出,这些噪声主要集中于0.03～2 Hz.但是, 心电信号中地ST 段和Q 波频率分量集中于0.05～2 Hz, 与上述低频噪声分量很接近.因此,不可简单地把高通截止频率定为2 Hz, 否则将使心电信号地波形出现较大失真.根据美国心脏协会(AHA) 地建议, 去除心电信号中地直流成分地带通滤波器(BPF) 截止频率不得超过0.05 Hz.高通滤波器（HPF）如图5所示截止频率设计为0.05Hz.采用低功耗低噪声地运算放大器TLC084, 每通道供电电流为2.5mA, 噪声8.5nV/Hz(在1kHz 时) , 适合便携式设备.虽然前置放大电路对共模干扰具有较强地抑制作用, 但部分工频干扰是以差模信号方式进入电路地, 且频率处于心电信号地频带之内, 加上电极和输入回路不稳定等因素, 经过前面地前置放大, 低通滤波和一级放大后, 输出仍然存在较强地工频干扰, 所以我们采用“双T 带阻滤波”电路来滤除工频干扰.50Hz 工频陷波电路如图6所示, 放大器采用低功耗低噪声地运算放大器TLC084.图4-低通滤波器图5-高通滤波器图6-50Hz陷波器低通滤波器施加一个幅值400mV、频率为60Hz地正弦电压信号，multisium仿真结果如图7所示：图7-LPF仿真结果高通滤波器施加一个幅值40mV、频率为60Hz地正弦电压信号，multisium仿真结果如图8所示：图8-HPF仿真结果双T陷波器施加一个幅值400mV、频率为60Hz地正弦电压信号，multisium仿真结果如图9所示：图9-50Hz陷波器仿真结果图3-前置级放大仿真结果图3-前置级放大仿真结果3.1.3一级放大和二级放大设计由于经过前置级放大得到地信号依然微弱，所以一级放大如图10所示采用低功耗低噪声地运算放大器TLC084实现增益G=10，提高信号地幅值.经过LPF后地信号幅值送入单片机进行处理幅值太低，需要使用变阻器R39实现G=1~20地增益可调二级放大如图11所示，便于单片机处理和显示.图10-一级放大图11-增益可调二级放大一级放大施加一个幅值40mV、频率为60Hz地正弦电压信号，multisium仿真结果如图12所示：图12-一级放大仿真结果二级放大施加一个幅值400mV、频率为60Hz地正弦电压信号，multisium仿真结果如图13所示：图13-增益可调二级放大仿真结果3.1.4光电隔离设计从人体地安全角度、信号地防干扰角度出发，设计了光耦隔离电路如图14所示，其采用隔离芯片ISO130和TLC084作为主要芯片，可以实现其光耦与放大地功能.图14-光电耦合隔离光电耦合施加一个幅值400mV、频率为60Hz地正弦电压信号，multisium仿真结果如图15所示：图15-光电耦合隔离仿真结果3.1.5 DC-DC转换设计光耦隔离前端电源浮地，采用MC78L05稳压如图16所示提供5V电源.光耦隔离后端电源接模拟地，采用MC78L05稳压如图17所示提供5V电源.图16-前端5V稳压图17-后端5V稳压5V稳压仿真结果如图18所示：图18-5V稳压仿真结果3.2数字电路设计3.2.1A/D转换和阈值报警AD0832是8位逐次逼近模数转换器，可支持两个单端输入通道和一个差分输入通道.电压分辨率为5/256V,约为19.5mV.A/D转换电路如图19所示.阈值报警如图20所示，当电极脱落或输出电压过高时，红色LED灯发光报警.图19-A/D转换图20-阈值报警3.2.2LCD模块显示设计LCD模块采用PG160128A为一个128行160列地点阵液晶屏，能显示各种字符、图形、汉字，基于T6963C内核控制，自带字符库，同时用户也可以自己建立汉字、图形库.LCD显示如图21所示.图21-LCD显示3.2.3数字电源设计供电电源接数字地，采用MC78L05稳压如图22所示提供5V电源.图22-数字5V稳压3.2.4 按键电路按键电路如图23所示控制波形地显示，1、2控制液晶显示基线地上下移动，3控制液晶显示屏上波形地保持和复原.图23-按键电路4.软件部分设计AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器地低电压、高性能CMOS 8位微处理器.将ADC0832与AT89C51对应连接，软件部分需要地ADC转化部分，进行数模地转化.通过建立坐标地方法进行波形地实时显示.另外可以构建心率算法实现其他心率计算等其他功能.经过电路处理后地ECG信号在8位地ADC进行系统地配置后，进行数据地转化.单片机快速采集数字信号，在液晶显示曲线中，通过对液晶建立坐标系，根据转化数据地大小处理后进行160*128像素地显示.我们可通过按键控制坐标系基线地上下移动和控制屏幕地波形显示保持及复原并且控制单片机使红色LED灯在电极脱落或输入电压过大时发光报警.参考文献1.邓亲恺，现代医学仪器设计原理，北京：科学出版社，2005,52.王保华，生物医学测量与仪器，上海：复旦大学出版社，2003,63.杨玉星，生物医学传感器与检测技术，北京：化学工业出版社，2005, 6附录1：总原理图。
第36卷第4期2013年8月电子器件Chinese Journal of Electron DevicesVol．36No．4Aug．2013收稿日期：2013－02－28修改日期：2013－03－15The Design and Implementation of WIFI Transmissionin ECG Monitoring SystemHUANG Jianfan ，ZHU Wei *，DU Guoliang（Electronic Science and Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ）Abstract ：The design and implementation of WIFI transmission are presented in ECG monitoring system．Consideringthe problem of WIFI module volume ，power consumption ，and error rate ，this ECG monitoring system uses RS9110－N －11－22module of REDPINE SIGNALS．SPI interface of the communication of WIFI module and MCU is used to im-prove the transmission speed ，and the communication speed can reach 25MHz．MCU transmited data to WIFI module in accordance with a certain data format．Afterwards WIFI module transmitted the collected data to server through TCP protocol．Ultimately the server side could show ECG waveform．This system can achieve real-time transmission system without dropping frames．Key words ：WIFI ；ECG ；TCP EEACC ：7510Ddoi ：10．3969/j．issn．1005－9490．2013．04．019心电监护系统中WIFI 传输的设计与实现黄建凡，朱为*，堵国樑（东南大学电子科学与工程学院，南京210096）摘要：提出了心电监护系统中WIFI 传输的设计与实现。
动态心电监护仪中心电信号采集与无线收发系统的设计Ξ王 伟,李章勇(重庆邮电学院生物信息学院,重庆400065)摘要:解决动态监护仪由于功能强大所导致的体积重量增大,从而用户佩戴不便的缺点。
利用ADμC812l控制芯片和nRF401无线收发芯片设计一个基于无线的心电信号采集与收发系统。
结果表明,装置中信号采集系统与信号分析系统得到分离,心电信号采集后通过无线方式传送至信号分析系统。
无线方式传递心电信号克服了用户佩戴装置过程中的不适,增强了设备应用的灵活性。
关键词:心电信号;数据采集;无线传送;ADμC812l控制芯片;nRF401无线收发芯片中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:167226278(2005)022*******The Design of ECG Data Acquisition andWireless T ransceiver System in Ambulatory ECG MonitoringWANG Wei,LI Zhang-yong(College o f Biological Information,Chongqing Univer sity o f Posts and Telecommunications,Chongqing400065China)Abstract:T o overcome one of the drawbacks of ambulatory ECG m onitoring which is not suitable for patient.A data acquisition and wire2 less transceiver system was designed which was based on ADμC812l and nRF401.The results showed that data acquisition can be separated from signal processing system.In this way,drawbacks can be overcome and the m ore flexible method can be obtained.K ey w ords:E lectrocardiogram;Data acquisition;Wireless transceiver;ADμC812;nRF401 由于未能及时发现病变进行早期抢救,许多心脏病患者会极易死亡。
如果实时观察患者处于正常生活、工作、活动条件时的心电变化,将会获得患者初级、潜在的心脏疾病的心电信息,使心脏病的早期诊断和治疗成为可能。
动态心电监护仪作为一种对心血管疾病进行长期监测小型随身佩戴装置,在临床与健康护理中得到广泛应用。
但随着电子技术、计算机技术的发展,人们对其功能提出越来越高的要求,如图形显示、网络连接、实时诊断等过去依靠PC机实现的高级功能也成为其必备的基本功能,从而使装置整体体积变大,重量也随之增大,佩戴过程中会影响患者的正常生活[1,2]。
因此,我们设计一个基于无线传输的心电信号采集与传送系统,将数据采集端与信号处理部分分开,使用户只需佩戴采集端即可实现心电信号的长期监测与实时分析,增强了设备的灵活性,减轻用户携带完整装置给生活造成的不便。
1 系统原理 系统硬件结构主要分为3部分:(1)心电采集及放大电路;包括心电电极、放大电路,实现心电信号的采集及放大工作;(2)核心控制及A/D转换电路,主要由ADμC812单片机构成,实现电路系统控制、信号A/D转换功能;(3)无线发送/接收电路。
利用nRF401无线收发芯片设计信号发送与接收电路,实现心电信号的无线发送和控制信号接收。
1.1 心电采集及放大电路生物医学工程研究Journal of Biomedical Engineering ResearchΞ国家自然科学基金资助项目(60471041);重庆邮电学院科学基金资助项目(A2004-61)。
作者简介:王伟(1977-),男,重庆邮电学院生物信息学院教师,主要从事智能医学仪器的开发。
心电采集及放大电路设计采用两级放大电路设计[3,4],前置放大电路的性能指标决定了整个电路的输入特性,因此选用输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低和功耗低的AD623芯片。
后置放大电路选用功耗极低的IC L7642构成。
电路原理图见图1,总放大倍数为1000。
此外,滤波电路选用IC L7642外接电阻电容构成,高通滤波电路截止频率0.05H z ,用以去除基线漂移;低通滤波电路截止频率100H z ,既抑制高频干扰又满足采样抗混叠的要求。
图1 心电采集及放大电路框图Fig 1 The frame of ECG d ata acquisition and amplification system1.2 核心控制及A/D 转换电路AD μC812[5]是一款完整数据采集系统芯片,其内部包含了一个A/D 转换器和一个与8051兼容的MC U ,具有多路传输、采样/保持、片内基准电压、自校准等特性,利用其设计信号采集系统时无需外接A/D 转换器及采样保持电路。
而且,AD μC812芯片内部还固化了方便实用的监控调试软件,使电路具有在线下载/调试/编程的功能,开发过程中无需仿真器即可进行系统调试,降低了开发成本。
因此,我们选用AD μC812作为核心控制及A/D转换芯片,可以直接利用P1口对放大后的模拟心电信号进行采样,从而直接实现数据采集与A/D 转换功能,明显简化了电路结构,减小了整个系统的体积重量。
而且,ADμC812的MC U 内核和A/D 转换器均有正常、空闲和掉电工作模式,使系统具有灵活的电源管理模式,低功耗得到了保证。
1.3 无线发送/接收电路电路设计自始至终均要求体积小、功耗低。
但传统的无线传送设计方案不是电路繁琐,就是调试困难,且所需的外围器件多,限制了它在本设计中的应用。
nRF401是一款利用蓝牙核心技术设计的无线收发一体芯片[6],它内部集成高频接收/发射、P LL 合成、FSK 调制/解调和双频切换等单元,频率稳定性极好,具有较强的抗干扰能力。
芯片本身可直接与单片机串口连接,也可经电平转换后与PC 机串口连接,而且传输数据时无须进行曼彻斯特编码,明显减少了软件的编写量和产品开发难度。
电路结构示意图见图2,只需利用一个nRF401芯片和简单的外围电路,即可实现设计所要求的信号无线发送/接收功能。
电路中,nRF401芯片的DI N 、DOUT 引脚直接与AD μC812的TX D 、RX D 引脚连接,实现了AD μC812与nRF401之间的数据传输,省略了数据的曼彻斯特编码过程。
nRF401芯片进入正常工作状态后,还需进行收发转换控制和电源管理状态转换,因此,选用AD μC812的P0.0、P0.1、P0.2引脚分别与nRF401的CS 、PWR-UP 、TXE N 引脚相连接,用户即可方便地实现电路无线发送与接收过程的转换和芯片的电源管理方式。
图2 无线收发系统框图Fig 2 The block diagram of wireless transceiver system2 系统软件设计 系统软件主要包括AD 采集控制部分和无线收发控制部分。
由于AD μC812内部包含的MC U 与8051兼容,系统软件可直接采用单片机语言编写,图3为主程序流程图。
在采集控制部分,系统只需对AD μC812内部ADCC ON1、ADCC ON2和ADCC ON33个特殊功能寄存器进行配置,即可控制ADC 的转换和采样时间、转换模式、掉电模式和通道选择,比传统的ADC 芯片的工作方式更加灵活方便[3]。
在无线收发控制部分,直接利用单片机的引脚对nRF401状态进行控制,而无线收发的实现和普通的串口通信的实现基本一样,只需要对ADUC812的通用串行接口进行初始化操作。
但为避免开机时产生干扰,上电过程中TXE N 引脚必须为低电平,以便频率合成器进入稳定工作状态。
此外,nRF401工作于半双工状态,不同工作模式切换时,电路出现延迟现象,程序中需做相应的延时处理。
具体转换时间见表1。
3 结束语 在动态心电监护系统中,利用无线方式传送心69 生物医学工程研究 第24卷图3 主程序流程图Fig 3 M ain program flow ch art表1 不同工作模式的转换时间T able 1 The switching time of different w ork p attern模式控制最大延时t/ms条件TX →RX 3RX →TX 1待机模式→RX 3待机模式→TX 2连续工作VDD =0→TX 4VDD =0→RX5上电电信号不仅可以解决设备体积重量增大所引起的用户佩戴不便的缺点,也较好地克服了使用传统的有线系统所造成的患者不能自由活动的缺点。
此外,由于本系统采用的核心控制部分内部资源丰富,除了监测心电信号外,还可进行功能扩展,例如监测血压、体温等其他生理参数。
参考文献:[1]梁小容,万相奎,叶顺流等.基于Linux 的嵌入式心电监护仪[J ].重庆大学学报,2004,27(10):14-17.[2]巫琦.监护仪的临床应用和发展[J ].医疗装备,2004,17(3):10-12.[3]胡刚,常富杰,刘志华等.高性能胎儿心电检测电路设计[J ].山东生物医学工程,2003,22(3):56-58.[4]王忠友,吴才水.心室晚电位检测仪前置放大电路的研制[J ].山东生物医学工程,2000,19(1):35-38.[5]李刚.ADuC8XX 系列单片机原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.20-24,82-85.[6]蒋正义,朱善安,韩东芳.基于MSP430和nRF401的无线自动抄表系统[J ].电子技术应用,2004,11:74-77.(收稿日期:2005-03-07)德国发明人造眼 让失明者重见光明5年内推向市场德国科学家日前研发出一种能够让失明人士重新看见的人造眼,而且他们正准备将这种人造眼移植到一名病人身上。
来自德国亚琛大学(德意志联邦共和国西部城市)的研究人员已经成功制成了这样一对假眼。
这一对假眼上安装了微型摄像机,同时还有一个编码器将信号输送到假眼后面的传输器上。
研发人员相信他们能够让原来失明的人再次看到这个美好的世界。
项目领导人威尔福里德教授称,植入假眼后将会使使用者认清物体的轮廓,同时也能够分辨出黑白,以及不同光线阴影之间的区别。
这一研发最开始是为了让那些天生患有色素性视网膜炎的患者能够重见光明。
色素性视网膜炎是指那些逐渐对光敏感度消失的人。
但是科学家们希望在满足最初的设计要求之后,这一装置也能够让那些因为其它原因而失明的人再次见到光明。
