嵌入式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計
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穿戴式心電采集設(shè)備的電路主要是由傳感器、放大濾波電路及陷波電路組成。
(1)傳感器：傳感器是將所要監(jiān)測的生理信號轉(zhuǎn)化為電信號。實驗時，傳感器采用的是貼片電極，通過CM1導(dǎo)連方式來獲取信號。
(2)放大濾波電路：經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的生理電信號一般幅值較低，且?guī)в泻艽蟮脑肼暩蓴_，必須進行放大濾波處理。該電路包含一個前置放大電路，一個帶通濾波電路及二級放大電路。前置放大電路采用的是一個AD620儀用放大器作為前置放大器。帶通濾波電路由一個二階高通濾波電路和一個二階低通濾波電路串聯(lián)而成。考慮到心電信號的頻率范圍及后續(xù)A／D的動態(tài)范圍，帶通濾波電路的通頻帶設(shè)計為O．1～
100 Hz，總放大倍數(shù)為1 000左右。
(3)陷波電路：50 Hz工頻干擾(國外為60 Hz)是生理信號最主要的噪聲來源，50 Hz干擾消除的效果直接決定了最后獲取信號的好壞。區(qū)別于傳統(tǒng)的雙T對稱有源陷波器，該系統(tǒng)采用非對稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器，其優(yōu)點在于可根據(jù)干擾源頻率和干擾強度進行陷波頻率和Q值的調(diào)節(jié)，使設(shè)計更具通用性。
1．2 射頻發(fā)射和接收
目前，穿戴式遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的無線通信手段包括藍(lán)牙、射頻、紅外等，以藍(lán)牙的使用最為廣泛，但使用藍(lán)牙成本高，這對于推廣普及是個很大的障礙。紅外的傳輸距離短，抗干擾差，現(xiàn)在已基本不使用。射頻具有價格低，傳輸距離長等特性，特別是高性價比射頻芯片的不斷出現(xiàn)，使它的使用越來越受青睞。該系統(tǒng)采用的是2塊挪威Nordic公司nRF905的射頻芯片，用以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF905不僅能夠滿足穿戴式醫(yī)療儀器低功耗的要求，并且能同時保證傳輸速率以及傳輸距離。經(jīng)實際測量，在室內(nèi)有墻壁阻隔，無劇烈運動的情況下，傳輸距離達(dá)到25 m以上，因而被監(jiān)測者可以在室內(nèi)自由活動。無線傳輸丟包率在1／10 000內(nèi)，能保證傳輸數(shù)據(jù)不丟失，最大傳輸速率可達(dá)100 Kb／s。設(shè)計時，處理器通過SPI接口對2塊nRF905寄存器進行相同的配置。在實際工作中，nRF905就可以自動濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗正確的數(shù)據(jù)才會被接受，并存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中。nRF90提供了433／868／915 MHz三個ISM頻道(可以免費使用)，該系統(tǒng)中采用的是915 MHz。
1．3 單片機
該系統(tǒng)中，單片機采用C8051F330。單片機具有體積小(MLP-20封裝)，功耗低，功能強大(自帶10位A／D、SPI總線、24．5 MHz晶振)等特性，能夠大大提高前端的輕便性。該單片機的作用是與nRF905進行通訊，對心電采集電路獲取的信號進行A／D轉(zhuǎn)換，以及對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行射頻傳輸前的加密。
(1)與nRF905通訊：通過SPI總線來對nRF905的內(nèi)部寄存器進行配置及數(shù)據(jù)輸送。
(2)A／D轉(zhuǎn)換：C8051F330自身帶有一個10位的A／D轉(zhuǎn)換器，其動態(tài)范圍為-2．7～+2．7 V。設(shè)計中心電的采樣率采用250 Hz。
(3)數(shù)據(jù)加密：由于設(shè)計中采用nRF905射頻芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，任何相同的芯片，只要內(nèi)部寄存器配置一致，它們之間就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。由于用戶的生理信息涉及到用戶的隱私問題，而nRF905傳輸覆蓋的范圍較寬。為了保證用戶數(shù)據(jù)在無線傳輸時的安全性，必須對數(shù)據(jù)進行加密處理，而這一過程在其他類似采用射頻傳輸?shù)脑O(shè)計中常被忽略掉。在該系統(tǒng)中，采用了AES軟件加密算法來完成這一過程。這相對于常用的硬件加密，一方面提高儀器的輕便性，另一方面又可以降低儀器的成本。AES支持128 b，192 b或256 b三種密鑰長度，該設(shè)計采用128 b密鑰長度。
1．4 ARM處理器
ARM處理器采用的是三星公司的S3C2440處理器，用于完成以下功能：
(1)與nRF905通信：其過程與單片機類似，即對nRF905進行配置，讀取nRF905接收到的數(shù)據(jù)等。
(2)數(shù)據(jù)解密：由于nRF905接收到的心電數(shù)據(jù)需要經(jīng)過加密處理。為了對數(shù)據(jù)作進一步處理，必須先將數(shù)據(jù)還原。解密過程是加密過程的標(biāo)準(zhǔn)逆運算。
(3)LCD顯示：主要是將解密后的心電數(shù)據(jù)，以及監(jiān)護中心的反饋信息(如診斷結(jié)果、報警等)顯示在LCD上。采用的是一個320×240的三色LCD，運用MINIGUI進行編程。
(4)與DSP進行通信：主要是將解密數(shù)據(jù)傳給DSP，然后再將DSP處理后的數(shù)據(jù)讀回來。ARM和DSP的通訊采用HPI總線方式。
(5)與GPRS通信：包括向監(jiān)護中心發(fā)送監(jiān)護請求、將從DSP處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護中心，以及讀取中心的反饋信息等。ARM和GPRS通過RS 232串口進行連接。GPRS采用ETPro-221An模塊。
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