基于C8051單片機的無線心電監(jiān)護系統(tǒng)設計

　　1 引言

　　隨著經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，健康已成為人們關注的焦點。心臟疾病是危害人類健康的一大殺手，其偶然性與突發(fā)性的特點使得心電監(jiān)護系統(tǒng)具有重要的臨床應用價值。由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護儀不能進行遠距離的實時監(jiān)護，所以便攜式無線心電監(jiān)護系統(tǒng)顯得更加重要。無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)主要由生理信息與數據采集、無線數據通信、控制和顯示等單元組成。目前國內已有用于臨床的無線心電監(jiān)護產品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機)”，從成本上看其價格昂貴；從無線傳輸方面看，大多是將心電數據以模擬信號傳輸，這必然導致信號在傳輸過程中發(fā)生失真。此外，由于人體電阻差異導致心電信號在1～10 mV之間變動，固定放大倍數系統(tǒng)缺乏適應性。

　　基于此，這里提出基于C8051F320單片機的無線監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數據采集盒和PC監(jiān)護終端兩部分。數據采集盒在設計中充分考慮其體積小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用SMT封裝的元器件；PC監(jiān)護終端通過USB接收數據。采用VC++編寫顯示、存儲、分析處理和報警等功能程序。實驗結果表明該系統(tǒng)能滿足病人在100 m范圍內活動，并能根據不同病人選擇合適的放大倍數；由于心電信號在數據采集盒內經MD轉換器處理后才發(fā)送，信號抗干擾能力更強。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2．1 系統(tǒng)整體構成

　　系統(tǒng)由數據采集盒和PC監(jiān)護終端兩部分構成，見圖1。數據采集盒采用C8051F320單片機為核心采集心電數據并控制程控放大器，采用NRF24L01模塊收發(fā)數據與PC監(jiān)護終端通信。PC監(jiān)護終端中 C8051F320單片機通過NRF24L01模塊接收心電數據并通過自帶的USB接口將數據送至PC機。

　　2．2 心電采集與程控放大電路

　　心電信號屬于微弱信號，由于個體差異，體表心電信號的測量幅值范圍為 1～10 mV，在測量心電信號時存在較強干擾，包括測量電極與人體之間構成的化學半電池所產生的直流極化電壓；以共模電壓形式存在的50Hz工頻干擾；人體運動、呼吸引起的基線漂移；肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對極化電壓和肌電干擾，采用HOLTER遙測三導連線和一次性心電電極與人體接觸，其中一次性心電電極采用氯化銀和醫(yī)用壓敏膠制成，能很好地減小肌電干擾。共模干擾的存在要求前置放大器具有極高共模抑制比(CMRR)，不低于80 dB。根據以上要求，前端放大器采用儀用AD620放大器，放大倍數約50倍；同時為抑制基線漂移和高頻噪聲的影響，后端電路采用0．05～100 Hz的帶通濾波器進一步處理信號進行，然后通過50 Hz的陷波電路再次處理信號。

　　為充分利用A/D轉換的精度，在轉換前先將信號放大到A／D轉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轉換電路前增加電平調節(jié)電路。個體心電幅度的差異要求電路中設計程控放大電路，又為便于心電信號的標定和考慮到實際器件放大倍數與理論值的偏差，在程控放大前設置一個手動可調的放大電路(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主要利用CD4051電子開關的數字選通功能，能夠實現1～50倍的調節(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寫人數據，其速率最高可達10 Mb／s，數據傳輸速率最高可達2Mb／s，并有自動應答和自動再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01數據傳輸率更快，數據寫入速度更高，內嵌的功能更完備。器件內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合增強式ShockBurst技術，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)能設計更方便。結合C8051F320內部資源．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)護終端設計

　　C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實現USB接口的外部設備(不能被用作USB主設備)。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進行數據通信(見圖1)。

　　1 引言

　　隨著經濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，健康已成為人們關注的焦點。心臟疾病是危害人類健康的一大殺手，其偶然性與突發(fā)性的特點使得心電監(jiān)護系統(tǒng)具有重要的臨床應用價值。由于傳統(tǒng)的心電監(jiān)護儀不能進行遠距離的實時監(jiān)護，所以便攜式無線心電監(jiān)護系統(tǒng)顯得更加重要。無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)主要由生理信息與數據采集、無線數據通信、控制和顯示等單元組成。目前國內已有用于臨床的無線心電監(jiān)護產品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機)”，從成本上看其價格昂貴；從無線傳輸方面看，大多是將心電數據以模擬信號傳輸，這必然導致信號在傳輸過程中發(fā)生失真。此外，由于人體電阻差異導致心電信號在1～10 mV之間變動，固定放大倍數系統(tǒng)缺乏適應性。

　　基于此，這里提出基于C8051F320單片機的無線監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為數據采集盒和PC監(jiān)護終端兩部分。數據采集盒在設計中充分考慮其體積小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用SMT封裝的元器件；PC監(jiān)護終端通過USB接收數據。采用VC++編寫顯示、存儲、分析處理和報警等功能程序。實驗結果表明該系統(tǒng)能滿足病人在100 m范圍內活動，并能根據不同病人選擇合適的放大倍數；由于心電信號在數據采集盒內經MD轉換器處理后才發(fā)送，信號抗干擾能力更強。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2．1 系統(tǒng)整體構成

　　系統(tǒng)由數據采集盒和PC監(jiān)護終端兩部分構成，見圖1。數據采集盒采用C8051F320單片機為核心采集心電數據并控制程控放大器，采用NRF24L01模塊收發(fā)數據與PC監(jiān)護終端通信。PC監(jiān)護終端中 C8051F320單片機通過NRF24L01模塊接收心電數據并通過自帶的USB接口將數據送至PC機。

　　2．2 心電采集與程控放大電路

　　心電信號屬于微弱信號，由于個體差異，體表心電信號的測量幅值范圍為 1～10 mV，在測量心電信號時存在較強干擾，包括測量電極與人體之間構成的化學半電池所產生的直流極化電壓；以共模電壓形式存在的50Hz工頻干擾；人體運動、呼吸引起的基線漂移；肌肉收縮引起的肌電干擾等。針對極化電壓和肌電干擾，采用HOLTER遙測三導連線和一次性心電電極與人體接觸，其中一次性心電電極采用氯化銀和醫(yī)用壓敏膠制成，能很好地減小肌電干擾。共模干擾的存在要求前置放大器具有極高共模抑制比(CMRR)，不低于80 dB。根據以上要求，前端放大器采用儀用AD620放大器，放大倍數約50倍；同時為抑制基線漂移和高頻噪聲的影響，后端電路采用0．05～100 Hz的帶通濾波器進一步處理信號進行，然后通過50 Hz的陷波電路再次處理信號。

　　為充分利用A/D轉換的精度，在轉換前先將信號放大到A／D轉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轉換電路前增加電平調節(jié)電路。個體心電幅度的差異要求電路中設計程控放大電路，又為便于心電信號的標定和考慮到實際器件放大倍數與理論值的偏差，在程控放大前設置一個手動可調的放大電路(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主要利用CD4051電子開關的數字選通功能，能夠實現1～50倍的調節(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寫人數據，其速率最高可達10 Mb／s，數據傳輸速率最高可達2Mb／s，并有自動應答和自動再發(fā)射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01數據傳輸率更快，數據寫入速度更高，內嵌的功能更完備。器件內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合增強式ShockBurst技術，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)能設計更方便。結合C8051F320內部資源．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)護終端設計

　　C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實現USB接口的外部設備(不能被用作USB主設備)。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進行數據通信(見圖1)。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3．1 數據采集盒程序設計

　　數據采集盒中以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、流水結構的8051兼容的微控制器內核(可達25 MI/s)；(2)全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口(片內)；(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轉換器，帶模擬多路器；(5)硬件實現的SMBus／I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口。

　　采集參數分析與確定：(1)心電能量主要分布在0．05～100 Hz之間，根據采樣定理可知A／D轉換器的采樣頻率應大于200 Hz。綜合考慮A／D轉換器采樣速度高和低功耗，將其采樣率設置為2000Hz；(2)由于A／D轉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據傳輸效率以及達到低功耗的要求，將NRF24L01設置為數據塊傳輸模式，每采樣32個點發(fā)起一次無線數據傳輸；(4)C8051 F320中的SPI口設置為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為數據采集盒軟件流程。

　　3．2 PC監(jiān)護終端軟件設計

　　3．2．1 C8051F320固件程序

　　單片機與NRF24L01間通過SPI接口交換數據，USB設置為塊狀傳輸模式與PC機進行數據通信。為和數據采集盒相兼容，仍將每32個數據打成一個數據包，也可充分利用硬件資源并提高數據傳輸效率。其流程圖與數據采集盒類似。

　　3．2．2 PC機軟件設計

　　PC機軟件采用VC++6．0編寫。VC++6．0中集成MFC開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境提供豐富的接口函數同時透明化程度較高，界面編寫靈活且方便，同時大部分硬件開發(fā)商都提供標準的C++接口函數供客戶使用，DLL也是VC++的便捷之處，它是基于Windows程序設計的一種裝置。其中USB通信接口的控制部分通過調用SIXUSB．DLL動態(tài)連接庫實現；顯示部分調用：MFC提供的庫函數如Lineto()、Moveto()等，數據存儲采用數據流的方式存儲；調用SetTimer(1，0,NULL)每1 ms產生1次時鐘中斷消息，便于及時更新數據顯示。由于USB模式設置為塊狀數據傳輸模式，所以PC機讀取速度要大于數據采集盒采集速度才能保證數據包不丟失，故每次預讀128字節(jié)，然后判斷真實讀到的數據量，將其放到數據存放地址以供顯示。具體流程如圖5所示。

　　4 聯機調試及數據記錄

　　4．1 數據采集盒的調試

　　在心電信號輸入端加10 mV、70 Hz的正弦波信號，將程控放大部分增益設置為1，觀察A／D轉換器輸入端波形，調節(jié)手動放大器上的可調電阻，使整個電路的增益為200倍，這樣在A／D轉換器處信號幅值應為1 V；將示波器設置為直流模式，調整抬高電平電路至信號的中心線位于1．5 V左右。這樣整個數據采集盒調試完畢，打開PC機端軟件，將程控放大增益設為1，在顯示屏上應能看到正弦波信號。

　　4．2 數據記錄

　　一次性心電電極同定位置：在左右肋骨下靠近胳膊處分別貼一個，在腹部右側貼一個。將 HOLTER導聯線連接到電極上，并將另一端插到數據采集盒上，打開電源后，測試者便可做一些基本活動。此時打開PC機端HeartECG軟件，先手動選擇程控放大倍數，使心電信號處于屏幕中央，也可以選擇自動模式，這樣軟件會根據算法自動調節(jié)放大倍數便于心電信號的觀測。實測數據如圖6所示，其中圖左是放大500倍波形，圖右是放大1 000倍波形。

　　5 結束語

　　實驗結果表明該系統(tǒng)具有較強的抑制基線漂移能力、低功耗、操作簡單和支持多個病人同時監(jiān)護等特點。在空曠環(huán)境下，測試者可在50 m范圍內活動，室內可穿過1面水泥墻。因全部采用SMT封裝，數據采集盒尺寸僅為5 cm×6 cm，佩戴方便，是一款廉價實用的無線心電監(jiān)護系統(tǒng)。