基于ARM9的無線多床位心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著社會(huì)生活節(jié)奏加快、人口逐漸老齡化，心血管疾病已經(jīng)成為同前威脅人類生命的豐要疾病之一，此類疾病往往具有突發(fā)性、短暫性和危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行治療將會(huì)產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果。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)，對(duì)于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監(jiān)護(hù)儀的使用貫穿于治療、康復(fù)的整個(gè)過程。由于傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺(tái)的心電躲護(hù)儀，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫(yī)院，給醫(yī)生和病人帶來了很大的不便。因此，為了降低成本、縮小體積，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀。該監(jiān)護(hù)儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內(nèi)核的16／32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統(tǒng)控制核心，利用nRF401無線收發(fā)芯片發(fā)送和接收心電數(shù)據(jù)，具有功耗低、體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀可同時(shí)監(jiān)護(hù)1～12個(gè)床位．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示．其中與PC機(jī)相連的S3C2410A作為中心躲護(hù)端．其功能是傳遞由PC機(jī)發(fā)出的命令，與監(jiān)護(hù)各個(gè)床位的監(jiān)護(hù)終端進(jìn)行通信，將各個(gè)臨護(hù)終端所采集到的數(shù)據(jù)匯總到中心監(jiān)護(hù)端，并通過USB口傳遞給Pc機(jī)。監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的便攜式心電監(jiān)護(hù)終端作為終端節(jié)點(diǎn)，功能是采集心電信號(hào)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，同時(shí)當(dāng)收到中心監(jiān)護(hù)端的命令時(shí)，做出回應(yīng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)和監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的各個(gè)心電監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)兩大部分。中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)包括S3C2410A與PC機(jī)的連接和nRF401與S3C2410A的連接。由于S3C2410A具有USB設(shè)備控制器，因此可通過USB口與PC機(jī)相連，并得到5V的T作電壓。無線收發(fā)芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。圖2為監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的心電監(jiān)護(hù)終端硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖，包括ARM微處理器S3C2410A、心電放大及采集電路、外部擴(kuò)展的Nand FLash存儲(chǔ)器、電源、LCD顯示、鍵盤和nRF401尤線數(shù)傳模塊等。

3．1心電采集電路

心電采集電路包括放大器、低通濾波器、50Hz陷波器等。該電路的放大器由差動(dòng)放大電路和放大級(jí)電路兩級(jí)放大電路組成。導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)采用通用的二電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極．右腹下電極為右腿驅(qū)動(dòng)電極。由于采集的心電信號(hào)是籌模信號(hào)，采用三運(yùn)放籌動(dòng)放大電路作為第一級(jí)放大電路，增益約為22，再經(jīng)第二級(jí)放大電路，總增益接近1000。由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，因此，為消除高頻信號(hào)，本設(shè)計(jì)了采用了一階濾波電路的低通濾波器，截止頻率為100Hz。為抑制50Hz的工頻干擾，還設(shè)計(jì)了二階壓控電壓源帶阻濾波器，即50Hz陷波器。

圖2 監(jiān)護(hù)1個(gè)床位的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

3．2 ARM微處理器模塊

S3C2410A是二星公司推出的一款基于ARM920T處理器構(gòu)架的嵌入式CPUS3C2410，它提供8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器以2．5MHz MD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘將模擬輸入信號(hào)以最大500ksps轉(zhuǎn)換率轉(zhuǎn)換為lO位二進(jìn)制數(shù)字編碼。根據(jù)美困心臟學(xué)會(huì)AHA標(biāo)準(zhǔn)[3]和Nyquist采樣定律，當(dāng)信號(hào)采樣頻率等于或大干信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，就可以從抽樣后的信號(hào)中不失真的還原出原信號(hào)。ECG頻率范圍為0．05~100Hz，中心頻率在17Hz左右，故取采樣頻率取200Hz，即采樣周期為5ms即可滿足要求。采集到的信號(hào)經(jīng)通道1送入S3C2410A微處理器。經(jīng)分析處理后在液晶屏上顯示心電波形和分析結(jié)果。

3．3無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊采用Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片nRF401，該芯片工作在433MHzISM(Industrial，scientific and Medical)瀕段。該頻段無需申請(qǐng)?jiān)S可證。并采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻牢穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20kbDs，傳輸距離可達(dá)1000m，完全滿足本設(shè)計(jì)所需要的通信距離要求。不同于其他的RF單片芯片，nRF401通過單片機(jī)串口直接于MCU通信，而無需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，這使的nRF401的外圍元件很少，只包括一個(gè)基準(zhǔn)晶振和幾個(gè)無源器件，具有成本低、一致性好等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。