基于C8051單片機的無線心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計

為充分利用A/D轉(zhuǎn)換的精度，在轉(zhuǎn)換前先將信號放大到A／D轉(zhuǎn)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／D轉(zhuǎn)換電路前增加電平調(diào)節(jié)電路。個體心電幅度的差異要求電路中設(shè)計程控放大電路，又為便于心電信號的標(biāo)定和考慮到實際器件放大倍數(shù)與理論值的偏差，在程控放大前設(shè)置一個手動可調(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125個頻道可供選擇。通過SPI寫人數(shù)據(jù)，其速率最高可達10 Mb／s，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達2Mb／s，并有自動應(yīng)答和自動再發(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)護終端設(shè)計
C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實現(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存儲器和時鐘恢復(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)護終端中的單片機也采用 C8051F320，無線接收部分和圖3相同。C8051F320通過自帶的USB接口與PC進行數(shù)據(jù)通信(見圖1)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 數(shù)據(jù)采集盒程序設(shè)計
數(shù)據(jù)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(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個靈活的端點管道、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)硬件實現(xiàn)的SMBus／I2C、增強型UART和增強型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)換器每次采樣時問并不相等，所以采用TIME2定時器觸發(fā)每個采樣周期；(3)為提高傳輸速度和數(shù)據(jù)傳輸效率以及達到低功耗的要求，將NRF24L01設(shè)置為數(shù)據(jù)塊傳輸模式，每采樣32個點發(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。這樣不僅滿足實時采樣要求，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)護終端軟件設(shè)計
3．2．1 C8051F320固件程序
單片機與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機進行數(shù)據(jù)通信。為和數(shù)據(jù)采集盒相兼容，仍將每32個數(shù)據(jù)打成一個數(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。