单片机实现三导联远程心电监护.docx

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单片机实现三导联远程心电监护

用单片机实现三导联远程心电监护系统

1引言

随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类躯体健康的要紧因素之一。

而心电图则是治疗此类疾病的要紧依据，具有诊断可靠，方法简便，对病人无损害的优点，在现代医学中，变得越来越重要。

常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时仅为几s～1m，只能猎取少量有关怀脏状态的信息，因此在有限时刻内即使发生心率失常，被发觉的概率也是专门低的。

因此有必要通过相应的监护装置对患者进行长时刻的实时监护，记录患者的心电数据。

又由于心脏病的发生具有突发性的特点，患者不可能长时刻地静卧在医院，但又需实时得到医护人员的监护，因此研发相应的便携式无线心电监护产品就显得更加重要。

目前虽讲国内已有成型的无线心电监护产品，但其采纳的方案大差不多上“采集器+发送器（PDA或手机）”，这必定导致其价格昂贵，且PDA或手机的其他功能关于绝大部分患者完全没有必要，因此到目前为止国内有用的无线心电监护产品领域依旧空白。

本文所述的远程心电监护系统是在医院的提案基础之上，进行充分调研之后设计的总体方案，要紧实现如下功能：

三导联心电信号采集；无线传输紧急情况下40s的心电数据及诊断结果；24小时心电图连续记录；通过高速USB上传心电数据至PC机；紧急呼叫。

2系统总体设计

作为便携式手持远程移动终端，在设计时应充分考虑其体积小，功耗低，存储容量大和处理速度高的要求，因此在CPU的选择上十分慎重。

通过资料收集和反复比较，最终选择了Samsung公司推出的基于ARM920T内核的S3C2410处理器，该处理器资料丰富，性价比高。

采纳RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：

体积小，功耗低，成本低，性能高；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集；大量使用寄存器，使指令执行速度更快；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。

能够看出基于ARM的嵌入式处理器是便携式手持终端的最佳选择，因此在设计系统方案时首先定位在该系列处理器上。

S3C2410处理器基于ARM920T处理器核，采纳0.18μm制造工艺的32位微操纵器，采纳五级流水线和哈佛结构，最高运行频率为203MHz。

该处理器具有：

独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD操纵器、NAND闪存操纵器、3路UART、4路带PWM的Timer、丰富的I/O口、8路10位ADC、TouchScreen接口、IICBUS接口，以及2个USB主机和1个USB设备等丰富的外围设备。

S3C2410提供了一套较完整的通用外围设备，且使整个系统的功耗最低，从而免去了添加、配置附加外围接口的苦恼，有效地缩小了线路板的面积，这也正是本系统选择该处理器的重要缘故。

系统的整体结构如图1所示，以S3C2410为核心，外扩了8MB的NORFLASH、64MB的NANDFLASH以及16MB的SDRAM等存储芯片，通过GPIO口扩展了键盘、LCD和蜂鸣器等人机接口单元，对外提供USB和UART等通信接口，同时连接了Siemens公司的MC35模块，以实现无线传输和紧急呼叫功能。

从系统的总体功能结构来看，可将系统划分为5个模块：

电源模块、心电数据采集模块、数据无线传输模块、图形用户界面模块、数据存储治理模块。

图1系统总体结构

2.1电源模块

系统采纳单节1700mAh锂离子可充电电池供电，但随着电量的释放，电压也在不断降低，变化范围为4.2~2.75V。

而本系统中分不需要一个4.3V的MC35工作电压、一个3.3V的I/O电压、一个1.8V的CPU核电压和一个1.8V的CPU职守电压。

为了满足系统的要求，电源电路中必须同时具备升压稳压器和低压差线性稳压器。

为了解决该问题系统采纳1个开关型升压DCDC稳压器、1个3.3V极低压差线性稳压器和2个带有Shutdown引脚的1.8V低压差线性稳压器来组成供电系统，供电方案如图2所示。

图2电源模块方案

2.2心电数据采集

由于心电图信号的检测是属于强噪声背景下的超低频（0.5～100Hz）微弱（0.1～5mV）信号检测，具有微弱性、稳定性、低频特性和随机性等特点，故要求前置级应满足高输入阻抗、高共模抑制比（CMRR）、低噪声、低漂移和高安全性。

微弱的心电信号受到来自人体内外的多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中，为了使其特征突出，就有必要对其进行预处理。

系统采纳的心电信号采集原理如图3所示。

其中前置级采纳差动放大电路，其放大倍数为22.4倍；后级放大电路的放大倍数为37倍，则总放大倍数为828.8倍。

图3心电信号采集原理

由于心电信号为低频信号，因此在模拟电路上，设计截止频率为100Hz的一阶低通滤波器来滤除高频干扰，采纳二阶VCVS带阻滤波器来滤除50Hz工频干扰。

在数字处理上，为了抑制对心电信号阻碍较大的工频干扰和基线漂移，采纳2048点FFT对输入的一帧心电数据进行时域—频域的变换，然后去除0.5Hz以下的低频和50Hz的工频；同时为了抑制高频噪声和50Hz倍频造成的干扰，又滤除了100Hz以上的频率，然后再进行IFFT将此组数据变换回时域。

2.3数据无线传输模块

本系统为远程移动终端，涉及数据的无线传输，为实现此功能采纳了Siemens公司的MC35模块，并移植了TCPIP协议栈和PPP协议，以完成心电数据的发送和诊断结果的接收。

MC35是Siemens公司推出的第一款支持GPRS的GSM/GPRS模块，它体积小,易于集成到便携式手持终端中，支持VOICE、DATA、FAX以及SMS等业务。

处理器S3C2410通过异步串行通信接口与MC35相连，并通过AT命令对该模块进行操纵和数据传输。

在发送数据时，首先，应用层将采集到的心电数据提交给TCPIP协议栈；然后，TCPIP协议栈依照目的地址和端口将该心电数据封装成完整的IP数据报，再提交至PPP层；最后，该IP数据报经PPP层封装之后，通过串口逐字节地提交至MC35并发送。

在接收数据时，MC35首先将接收的数据逐字节地提交至PPP层；经PPP层将分散的各字节重组成一帧完整的IP数据报之后，再提交至TCPIP层进行详细的处理，具体流程如图4所示。

在开机初始化时要完成MC35的启动并登录移动梦网网关，建立与服务提供商的连接。

一般在发送指令之前先要发送一条测试指令，以检测MC35的当前状态，该指令的格式为“AT\r”；在入网网关及流量操纵等参数通过AT指令设置完成之后，便可通过服务编码99开始呼叫与服务提供商建立连接，指令格式为ATDT*99***1#\r\n。

若在该指令执行之后给定的时刻内返回CONNECT信息，则表明与服务提供商的连接建立成功；否则，表明拨号失败，无线传输功能无法正常启动。

MC35成功登录移动梦网网关之后，将自动从命令模式切换到数据通信模式，且串口通信方式由原来的查询式变为中断方式。

现在由系统主动发送一帧PPP请求信息，服务提供商接到该请求信息后主动发出询问帧，协商相关参数的设置。

待服务参数及用户身份验证成功之后，服务提供商为系统分配一独立IP，至此便可认为GPRS成功上线。

GPRS成功上线后能够认为MC35要紧处在两种工作状态：

数据传输状态和空闲状态。

在数据传输状态，MC35的峰值电流可达400mA；在空闲状态一般为15mA。

另外，在空闲状态MC35还支持多种休眠模式。

考虑到系统的功耗问题，启用了MC35的休眠功能。

系统采纳了MC35的休眠模式七。

在该休眠模式下，电流一般为3mA左右；MC35不管从串口依旧从服务提供商接收到数据，都会赶忙将MC35设置为正常模式，待数据传输结束之后自动进入休眠模式。

该休眠模式的设置能够通过指令“AT+CFUN=7\r\n”来完成，且该指令必须在GPRS上线之后执行。

如此在空闲状态下即可自动将MC35设置为休眠模式，将电流值从15mA降到3mA。

在休眠指令执行前涉及MC35的状态切换，因为在执行该指令前MC35处在数据通信模式，因此要通过指令“+++”将其切换到命令模式之后再执行该休眠指令。

在休眠指令执行之后还需通过指令“ATO\r”将MC35切换到数据通信模式；否则MC35会把将要发送的数据也当作指令来处理。

2.4图形用户界面

系统采纳深圳蓬远公司生产的低功耗、128×64点阵液晶模块MOBI2006来图形化显示系统信息。

MOBI2006支持并行和串行两种数据通信方式，工作电压为3.3V。

在本系统应用中，使用S3C2410的I/O口模拟LCD的操纵时序来实现对液晶的操纵。

在具体实现相关信息的显示时采纳了Framebuffer技术。

首先预分配一块缓冲区并声明为二维数组，数组的一维长度和二维长度分不与液晶的宽和高相对应，如此数组的每个元素都代表液晶中的一个点。

在系统运行中若要刷新液晶显示，则首先要更新Framebuffer缓冲区，再从Framebuffer更新液晶显示。

MOBI2006列向基于点寻址；横向基于页寻址，每一页由8个点组成。

基于液晶的特点，假如不采纳Framebuffer技术，刷新屏幕中的一小块，则会导致整个屏幕的变动，给上层应用的开发带来专门大困难。

因此，虽讲采纳Framebuffer技术将占用一部分内存和刷新时刻，但会为后续的开发带来专门大方便：

在上层具体应用中不再受页寻址的限制，在上层开发者看来列向、横向均为点寻址，能够方便灵活地操纵液晶。

另外，为了保证Framebuffer与液晶的同步，采纳基于事件的方法刷新液晶屏同时是局部刷新，如此既节约了液晶的刷新时刻又减小了屏幕的抖动。

例如，应用层要显示一张图片，只须给出图片的显示位置，即对应于二维数组的行列值、图片的宽和高，以及相应的点阵数据。

首先将图片的点阵数据刷新到Framebuffer缓冲区，然后再依照显示位置确定液晶的刷新区域，其中缓冲的列值对应于液晶的列值，而行值要转换为液晶的页面值，可通过如下公式转换：

Page_start=row/8

Page_end=（row+high-1）/8

其中：

Page_start和Page_end分不对应于液晶的起始、终止页面值；row对应于图片显示位置的横坐标；high对应于图片的高度。

计算出相应的页面值之后便可通过如下过程刷新液晶的指定区域，完成预期图片的显示。

2.5数据存储治理

在S3C2410的BANK0中扩展了1片4M×16位的NORFLASH；在BANK6中扩展了一片8M×16位的SDRAM，同时利用S3C2410的NANDFLASH操纵器扩展了一片64M×8位的NANDFLASH。

NORFLASH要紧用来存储程序代码；NANDFLASH要紧用来存储采集的心电数据以及部分程序代码。

S3C2410支持从NOR和NAND两种方式启动，能够通过配置S3C2410的OM[1:

0]来选择CPU的启动方式。

系统能够实现全天24小时无间断心电数据采集，如此必将产生大量数据。

为了将大量心电数据传输到PC机中供医护人员分析、诊断，系统采纳了通用的USB端口。

S3C2410内部集成了USBDevice操纵器，因此只须设计简单的外围电路，即可实现此功能.该USBDevice操纵器完全兼容USB1.1协议规范，集成了USB传输器，支持操纵传输、中断传输和批量传输；5个具有FIFO的端点，为批量传输的端点提供DMA接口同时支持挂起和远程唤醒功能。

3结束语

本系统具有专门强的有用性，能够对心脏病患者进行实时监护。

由于本系统具有无线传输功能，因而患者能够不受时刻和空间的限制使用本系统，不管在家中依旧在野外都能对心脏进行实时监护。

系统的24小时无间断心电图记录功能，足以捕捉突发性的异常心电数据，为医护人员提供有力的诊断依据。

本系统研制成功后受到医疗界专家的高度评价，在临床测试过程中也受到患者和医护人员的一致好评。