（机械电子工程专业论文）基于arm、蓝牙通信的心电采集系统的设计.pdf

摘要 论文针对现代医疗的新要求，研制了一套适用于远程急救或家庭远程监护的 基于嵌入式处理器l p c 2 2 9 0 的心电无线传输系统。 系统采用嵌入式m c ul p c 2 2 9 0 ，通过前置放大电路采集心电信号；外扩 f l a s h 数据存储器和液晶显示器，对心电数据进行保存和显示；根据蓝牙技术 携带方便、应用灵活、适于短距离无线通信技术的优点，系统采用蓝牙接口与 p c 进行数据通信。 论文主要内容包括心电前置采集电路设计、液晶调试、蓝牙通信设计、心电 自适应滤波和特征识别五个主要部分。首先从性能指标角度分析设计了系统的软 硬件总体结构，采用分模块设计思想；其次分模块研究了系统各个软硬件功能的 具体实现；最后研究了心电自适应滤波处理、特征识别、蓝牙通信，这三部分是 本文的研究重点。其中心电自适应滤波处理利用l m s 算法和f m 滤波器实现了 5 0 h z 工频、基线漂移的滤除，并对滤除干扰后的心电信号进行了q r s 波群的识 别。在扩频通信基础上分析了蓝牙的跳频系统和协议的体系结构，使用r o k l 0 1 0 0 8 在h c ii ，a r t 传输层上设计了蓝牙h c i 通信流程。 论文最后对系统的软硬件进行了综合调试，给出了液晶模块r t l 2 8 6 4 m 的汉 字显示和上位机v c 抖6 o 中心电信号波形的显示。论文的研究取得了预期的成 果。 关键词：嵌入式，蓝牙通信，自适应滤波，h c i a b s t r a c t w i t ht l l ei m p m v 锄e n to fw i r e l 嚣sc o m m l | l l i c a t i o n 锄dn e wr e q u e s ti nm e m c a l n a n t l e m ， 趾e l e c 打o c a r d i o g m m ( e o g ) w i r e l e s s 慨l s m i s s i o ns y s t 锄b a s e d 0 1 l 锄b e d d e ds y s t 锄l p c 2 2 9 0 ，i sd c v e l o p e df o rl o 咯d i s t a i l c ef i 硌ta i do rh o m e h e a l t l l c a r e 。 1 1 1 i ss ”t 锄l l s e s 锄b e d d c dm c ul p c 2 2 9 0a i l dc o l l e c t st 1 1 ee c g 出l 诅t l l r o u 曲 f o m e r 锄p l i f i e rc i r c u i t ， t h es y s t 锄c a ns t o r a g e ， d i s p l a yd a t ab yn 鹅hs t o r a g ea n d l c m b e s i d e s ，i tc a n 仃a n s m i te c gd a t at op c 俯o u 曲b l u e t o o mi n t e r e ，b l u e t o o m t b c l l i l o l o g yi sn e ) 【i b l e 粕dc o n v e n i e n t ，s oi ti sf i tf o rs h o n d i s t a l l c ec o m m u n i c a t i o n d e t a i l e l yi n t r o d u c e dp r o c e s sa i l dm 如o dt 0d e v e l o pt h ef b m e r 锄p l i f i c r c i r c u i t ，t h ed i s p l a yo fl c m ，s e l f - a d o p t e df i l t e ra i l dc h a r a t o rd e t e c t i o no fe c g b l u e t o o l hc o m i 姗l n i c a t i o n ，t h ei n t e 孕a t e dd e b u go fh 雏e w a r e 蛐ds o f t w a r ei i l 也i s p a pc r f i r s t l y ，t l l ew h o l es y s t e mi sd e s i 伊e d 舶mt h ep o i n to fp 幽m a n c e w i t l l m e t h o do fm o d u l e ；舳e rt h a t e 础o n ei si 1 1 仃o d u c e d 锄p h 硒e s e do nm ef o r i l l e r 舢p l i 丘c rc i r c u i t 锄dt h ed i s p l a yo f l c m ；s e c o n d l y ，s e l f a d o p 硼f i l t e r 锄dc h a 僦t e r d e 奴：t i o no fe c gb l u e t 0 0 t l lc o m m u m c a t i o na r ct 、) l ，ok e y p o i n t so ft h i sa r t i c l e ，f 瓜 f i l t e ra 1 1 dl m sa r i t h m e t i ca u s c dt oe l i m i n a t en o i s eo f5 0 h z 瓤db 勰e l i n e - 血f t ， m e nt h a t t h eq r si sd e t e c t c df o rf o l m e fa i l a l y z i n g ；t h es t a ns y s t e ma 1 1 dp r o t o c 0 1 s 缸u c 慨o fm eb l u c t o o ma r ei l l n d d u e do nt h eb a s i so fd i f m s ec o n l m u i l i c a t i o n t l l i s s y s t 锄u s eb l u 曲0 0 t hm o d u l er o k l o l0 0 8t o 饥m s i i l i te c gd a t a m el a y c ro f u a r tt op c ，t l 圯h c ic o m m u l l i c a t i n o wi sa l d 懿i 耻e d 陆a l l y ，t l l ei m e 掣a t e dd 曲u go fh 锄州a r e 锄ds o f h a r ci si n 协o d u c c d t h ed i s p l y o fr t l 2 8 6 4 ma n de c gs i 缈a 1w i l hv c + + 6 oa r e 百v 锄1 1 l i ss y s t 锄c 锄w o r k e 日t l y 蛳r 凼：e m b e d e ds y s t e m ，b l u c t o o t hc 0 姗珊i c a t i o n ，s e l f - a d o p t i o n 撕衄e t i c ， h c i i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：丝 砰年月6 日 指导教师签名：! 鱼圣 0 2 叫7 年秘月6 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：雄 年月日 西北t 业人学硕十学付论文第一章绪论 1 1 论文选题的背景 第一章绪论 生物医学信号是强噪声背景下的低频微弱信号，是由复杂的生命体发出的不 稳定的自然信号，主要包括心电、脑电、肌电等生物电信号及体温、血压、呼吸、 血流量、脉搏、心音等非电量信号【l 】。 随着生活水平的逐步提高，人们对健康的理解越来越全面。健康不仅意味着 生理上没有疾病，还包括身体上，心理上，精神上和社会活动的完好状态。但是 目前人们生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类身体 健康的主要因素之一。而心电图则是治疗此类疾病的主要依据，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。随着电子和计 算机技术的发展，电子技术、计算机技术逐渐与医学问题相结合，为心电信号的 检测和处理提供了强有力的工具，在基础医学、i 临床医学、运动医学等学科的研 究中占有非常重要的地位。 不仅在医学研究领域用到心电采集系统，现在与健康相关的便携仪器已经进 入了家庭和社区。随着科技和医学的发展，当代高新技术和医疗工程相结合产生 了“家庭医疗工程”( 删c e ) ，删c e 设备具有明显的现代化医疗仪器的特点， 除了具有科学性、先进性之外，最重要的是可靠、操作简单，在体积、重量、价 格、维护、安全等方面适应家庭的需要。其中的诊断和监护仪器就是用来检测患 者的生理指标，如心电，帮助医生掌握病情。 常规的心电图仪的设计思路是通过p c i 接口或串并口将心电图仪所记录的 数据传送到主机上，其缺点是用户安装麻烦，使用繁琐。如果能选用一种方便快 速的总线和主机相连，将能大大提高方便性及可用性。蓝牙技术的出现为这一问 题的解决提供了良好的方案，用无线传输代替有线传输，给使用者带来了方便， 同时它每信道7 2 1 m b s 的传输速率可满足大量数据的实时传输，克服了早期采 集系统信道少，与p c 机通信速度慢的缺点。 蓝牙标准作为第一个面向近距离高速通信的计算机网络通信协议，定义了 o s i 网络模型中从物理层到网络应用层的一系列协议和服务。通过蓝牙协议栈的 形式，蓝牙设备可以实现不同蓝牙产品间的信息交换和数据传输。对蓝牙应用前 西北t 业大学硕十学何论文 第一章绪论 景的设想使采用低成本实现生命参数传输成为可能。例如：蓝牙的微微网结构具 有网络传输中点对点的唯一性、安全性和级联扩展性，从而为远距离跨网数据采 集奠定了基础。由于蓝牙地址的全球唯一性，可以明确建立信息对象的蓝牙标识， 进而应用于身份识别，成为独特的电子病历。通过嵌入蓝牙芯片的处理器能够实 现多种协议的转换，从而可以拓展蓝牙在网络领域的适用范围。 1 2 国内外研究现状 心血管疾病是威胁人们健康的主要疾病之一。据统计，目前全世界每年约有 2 0 0 0 多万人死于心血管疾病，因此，治疗心血管疾病成为现代医学的重要任务 之一。而心电监护为心脏病人的诊断和治疗提供了一个有效的手段。 心电监护【2 】是指通过连续监测病人的心电图( e c g ) 信号，及时了解病人的心 脏状况，并在发现严重的心脏异常情况时，及时采取有效的治疗和急救措施。心 电监护的主要内容是实时观测心律失常。由于早期心电图描记观察的间断性( 一 天一次或两次) ，相当高比例的心律失常病症未被注意到，而有4 0 以上的急性 心肌梗塞病人是由于心律失常并发症而死亡。直到2 0 世纪6 0 年代，人们才认识 到心律失常是急性心肌梗塞病人的特殊常见并发症，这归因于直到那时人们才发 展了实用的可进行心电连续监测的技术设备，其最先用于冠心病监护( c c u ) 中。 冠心病可以导致心脏骤停和早期泵衰竭等各种心律失常。冠心病人若能在疾病发 作的1 分钟内得到及时治疗，有9 0 的生存机会；而在3 分钟后才得到治疗，生 存机会就大为下降。据美国华盛顿医院中心心脏科研究报道，建立了c c u 监护 病房后，冠心病人的死亡率从原来的4 0 下降到1 2 5 。心电监测仪使人们可以 一直连续观察心脏的电活动，并即时提示重要的心律失常，从而为与心律失常相 关的心脏疾病的研究、急救和治疗提供了重要的手段【3 】。心电监护成为c c u 的 一个里程碑。 早在三、四十年代，n o 咖觚jh 0 1 i e 从事于生物信号遥测技术的研究，并于 1 9 4 9 年研制成了遥测心电图( r e c g ) 装置，接着又将r e c g 系统改成了由一个袖 珍发射器和一个便于携带的接收部分一磁带记录器( 在病人附近) 组成的结构。 1 9 5 7 年，他研制成了一个能以6 0 倍于记录带速的磁带回放机构。1 9 6 1 年，又将 发射器和接收器合并，终于制成了用磁带作为e c g 传递媒介的动态心电获得系 统。1 9 6 5 年，第一台商业化动态心电监护系统( h o n e l r ) 问世了。h o l t e r 能记录病 人处于正常生活、工作、活动条件下的心电变化，捕捉到初期潜在的心脏疾病的 心电信息，成为检出定量心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法，也使心 2 两北t 业大学硕十学位论文 第一章绪论 脏病的早期诊断成为可能。 随电子、计算机、特别是网络通信技术的飞速发展，心电监护系统得到迅速 的发展，可靠性和准确性不断提高，监护仪普遍实现了智能化，得到广泛的运用。 美国医院危重症病人管理产品市场在2 0 0 2 年超过3 0 亿美元，估计到2 0 1 2 年将 达到5 9 亿美元，年平均增长率是6 8 。负责病人监护产品主要包括远程监护系 统和无创伤功能监护仪器等，2 0 0 2 年该市场接近1 2 亿美元，2 0 1 2 年预计达到 2 8 亿美元i ”。 在2 0 世纪9 0 年代，国内一些生理实验室的条件和设备很落后，大部分生理 实验的进行仍然停留在由生物电放大器、刺激器、示波器、照相机等有关仪器组 成的一个测量系统。显然，这些仪器是零散的、孤立的，所以还需要人工来做很 多事情，而且还存在信号的存储和处理问题。 现代化医疗仪器除了具有科学性、先进性之外，最重要的是工作可靠、操作 简单，在体积、重量、价格、维护、安全等方面适应家庭的需要。心电监护仪作 为医生对病人诊断、治疗、观察监护的辅助性设备，应当和医院、医生保持良好 的通信联系。它具有以下特征： ( 1 ) 方便快捷。对被监测者来说，监护仪如同手机一样使用方便，轻轻的按 一个按扭，自身的心电信息就可以传送到医生那里。不论是在工作或是休息，室 内或是室外，只要需要，都可以监测心电信息，获取的心电信息将会更加全面。 ( 2 ) 多功能、智能化。很多时候，并不需要医生的指导，监护仪会告诉您自 身心脏的一些情况，以及是否需要医生的进一步诊断；在情况紧急的时候，还会 提供相应的急救措施。 ( 3 ) 低成本、高精度。随着半导体技术的迅猛发展，集成电路精度越来越高， 成本越来越低。 1 3 论文的主要研究内容 我国幅员辽阔，医疗水平区域性差别很大。随着人民生活水平的不断提高， 人们更加关注身体健康。然而目前多数医院的监护设备不易移动，缺乏灵活性。 为了满足这种需求，并降低医疗费用，需要一种能实时动态对生理信号尤其是心 电信号监控的可移动式设备。 本系统设计了基于3 2 位删微处理器和蓝牙通信接口的便携式心电采集 系统，具有功耗低、体积小、容量大，有良好的人机界面，可随身携带，长时间 监护和记录等优点。本文就以下几方面的内容进行了研究： 3 西北t 业大学硕十学何论文第一章绪论 ( 1 ) 前置采集模块； ( 2 ) 液晶显示和最小系统模块； ( 3 ) 自适应滤波和特征识别模块； ( 4 ) 蓝牙通信模块。 本系统需要完成以下工作： ( 1 ) 心电信号的采集，包括心电信号的放大滤波、a d 转换和心电数据的存 储。 ( 1 ) 研究a r m 体系结构，设计心电信号波形液晶显示和心电数据采集的最 小系统模块。 ( 2 ) 设计蓝牙接口通信电路。在这个环节，需要将采集端的心电数据通过蓝 牙接口传输给主机。 ( 3 ) 利用数字滤波算法，进一步消除5 0 h z 工频干扰和抑制基线漂移。在这个 环节，需要借助m a i t l a b 数字信号处理工具，设计出适合本系统的数字滤波 器，运用m a i ：n ，a b 语言对滤波器性能进行仿真。 ( 4 ) 识别心电信号特征波形，以提取心电信号特征量。 本论文的关键技术： ( 1 ) 采用先进的删7 嵌入式微处理器实现低功耗、小型化和低成本的设计， 利用蓝牙技术进行数据的高速、无线、便捷传输，从而达到长时间心电信息监控 的目的。 ( 2 ) 设计自适应陷波器，能根据l m s 算法改变滤波系数，调节陷波带宽，比 一般的固定陷波器具有更深的零点，具有很好的陷波效果。 4 两北t 业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 系统的设计指标分析 便携式心电监护仪具有明显的现代化医疗仪器的特点和家用仪器的特征，除 了具有科学性、先进性之外，最重要的是工作可靠、操作简单，在体积、重量、 价格、维护、安全等方面能满足家庭的需要。便携式心电监护仪作为家庭使用电 子仪器，要能由非专业人士操作；作为医生对病人诊断、治疗、观察监护的辅助 性设备，需和医院、医生保持良好的通信联系。因此归纳起来对便携式心电监护 仪的主要要求如下： ( 1 ) 家庭诊断与检测设备应无创伤、无专业性很强的测试条件要求； ( 2 ) 自动化、智能化程度高，操作简单、安全、可靠、容错能力强，操作事 务不产生严重后果； ( 3 ) 轻便、小型，便于存放；具有通信、联网功能。 同时根据心电信号特征、生物信号处理系统和现代心电监护技术发展要求， 本心电采集系统实现功能如下： ( 1 ) 系统前置放大电路可方便准确地提取使用者的心电信号，并实现心电信 号的放大、低通滤波以及5 0 h z 工频滤波； ( 2 ) 能对前置放大电路采集的心电信号进行a d 转换，并对数字心电信号进 行相应的数字滤波以及心电特征信号的提取； ( 3 ) 能实时、准确、动态地显示心电信号波形，并显示使用者心率以及其它 参数； ( 4 ) 2 m b 的f l a s h 存储器能够长时间的存储使用者的心电数据和应用程序； ( 5 ) 能将所存储心电数据快速、可靠地传至p c 机，以供医生做准确的判断； ( 6 ) 由于是p c 采集数据端的下位机实现无线通信，主控p c 机与下位机的相 对位置应不固定。主控p c 机在实验室的任何位置均能与采集仪通信，无线通信 距离要求达到l o 米以上； ( 7 ) 室内实验干扰因素多，如移动电话、各种电子设备等电磁干扰，加之短 距离无线技术大部分均采用2 4 g h zi s m 频段。要保证数据的正确传输，就要求 设备抗干扰能力强： 两北t 业大学硕七学位论文第二章系统总体方案设计 ( 8 ) 主机端收发模块要能方便地实现与p c 机接口，增加设备的便利性； ( 9 ) 本文为无损伤抗运动病药物性能检测设备提供一个点到点的无线数据通 道，来完成双方数据交换，系统要容易实现，开发周期短，体积小等。无损伤抗 运动病药物性能检测设备是生物医学检测设备，被实验者为动物和人，要求无线 通信时辐射小，以免危害被实验者和污染环境。 2 2 硬件总体设计 心电信号是极其微弱的生理信号，易受外界信号干扰，在进行a d 转换之 前，要对其进行放大和滤波，通过蓝牙通信模块无线发送心电数据到上位机上， 以便存储管理。 根据心电信号的特点和本系统所要实现的功能，选取相应的器件： ( 1 ) 微控制器的选择 嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入 式系统的处理器可以分为两大类：一类是采用通用计算机的c p u 为处理器，如 x 8 6 系列；另一类为微控制器和d s p ，微控制器具有单片化、体积小、功耗低、 可靠性高、芯片上的外设资源丰富等特点，成为嵌入式系统的主流器件。由于 删芯片强大的处理能力和极低的功耗，现在越来越多的公司在产品选型的时 候考虑到使用删处理器。应用比较多的是a r m 7 系统、删9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 系列、s e c u 以o r e 系列和h l t e l 的s 缸舶l r m 和x s c a l e 系列【3 】。 a 尉7 t d m i 微处理器系列应用最广，采用a 瑚7 ) m i 微处理器作为内核 生产芯片的公司最多，同时其性能价格比也是最高的，故论文选用p h i l 口s 的 c 2 2 9 0 做为m c u 。l p c 2 2 9 0 是一个基于实时仿真和嵌入式跟踪的1 6 3 2 位 删7 ) m i sc p u 的微控制器，对代码规模有严格控制，可使用1 6 位t i l u m b 模式将代码规模降低超过3 0 而性能的损失却很小。由于l p c 2 2 9 0 的1 4 4 脚封 装、极低的功耗、2 个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个 外部中断使它们应用非常广泛。并通过外部存储器接口，可将存储器配置成4 组， 每组容量高达1 6 m 字节，共6 4 m 字节【6 ，”。因此，l p c 2 2 9 0 高性能的舢t m 7c p u 内核、丰富的片上外设，可使系统设计简化，大大降低系统成本。 ( 2 ) 液晶模块的选择 在嵌入式系统应用中，如果微控制器本身带有液晶驱动控制，则可以直接对 6 西北丁业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 点阵式液晶直接控制。如果没有，则需要另外接一个驱动板来连接显示屏，或者 使用点阵式液晶显示模块。由于点阵式液晶显示屏的引脚较多，生产产家经常会 把液晶显示屏和液晶驱动板连接在一起，装配起来，形成液晶模块( l c m ) ，以 方便用户的使用。 l c m 是将液晶显示器件，连接件，驱动和控制集成电路，p c b 线路板，背 光源，结构件装配在一起的组件，用户只需要知道厂家提供的各外部接口管脚的 功能和电气特性，就可以接线并进行图形和文字的显示控制。 系统选用液晶模块r t l 2 8 6 4 m ，内嵌s s t 7 9 2 0 微控制器。正确理解s t 7 9 2 0 控制指令和控制时序是编写液晶驱动的基础。 ( 3 ) 外扩f l a s h 的选择 f l a s h 存储器又称闪存，是一种可多次编程擦除的非易失性存储器，即掉 电后数据不会丢失。它具有体积小，功耗低，抗震性强等优点。论文选用的f l a s h 是s s t 3 9 v 1 6 0 ，它有2 m 的存储空间。 ( 4 ) 蓝牙通信模块 蓝牙无线传输部分的关键在于实现蓝牙模块问的无线数据通信。蓝牙模块的 性能决定了数据的传送速率、效率等，因此蓝牙模块的选择很重要。论文选用的 是爱立信的r o k1 0 10 0 8 。在后面的章节我们将详细讨论硒0 kl o l0 0 8 的特性 【加1 。 通过以上芯片器件的选择，我们可以设计出系统的总体框图： 2 3 软件总体设计 图2 1 系统总体框图 心电信号采集和分析系统软件的主要功能有数据的采集、滤波算法、通讯和 显示等。软件编写采用模块化程序设计，易于编写与工程管理，也便于子模块的 7 西北工业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 功能调试与仿真。首先，对所用l p c 2 2 9 0 的所有片上资源进行寄存器设置，以 便正确使用其功能，即完成初始化程序的编写。然后，编写各功能模块子程序， 完成模块子功能以便主程序调用。最后，通过主程序调用子程序完成系统的功能 实现。 软件系统主要有二大部分组成：一是基于a d s l 2 发平台的a j u v i 应用程序， 这是本系统的主程序；二是基于v c + + 的上位机监护软件。系统各模块的功能描 述如下： 系统 l p c 2 2 9 0 应用程序 上位机管理软件 初始化模块 看门狗模块 心电信号采集模块 自适应滤波算法模块 液晶显示模块 实时时钟模块 外部中断模块 蓝牙通信模块 凡4 跚烧写程序设计 蓝牙通信数据接受 数据显示 数据存储 数据管理 2 3 1l p c 2 2 9 0 软件系统的前后台设计 ( 1 ) 前后台系统概述 图2 - 2 所描述的软件系统是典型的前后台系统( f o r e g r o l l l l d b a c k g 瑚d ) 。应 用程序是一个无限循环，在循环中调用相应的函数完成相应的操作，这部分可以 看成后台行为( b a c k g r o u n d ) 。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台 行为( f o g r o l l l l d ) 。后台也可以叫做任务级。 8 两北t 业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 前台 后台 图2 - 2 前后台系统的示意图 前台也叫做中断级。时间相关性很强的关键操作( c r i t i c a lo p e r a t i o n ) 一定是靠 中断服务来保证的。很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，这样的系 统一般功能不是很复杂。在另外一些基于微处理器的应用中，为了省电，处理器 通常处在停机状态，一切都靠中断服务来完成。 心电信号采集和分析系统的主程序是一个无限循环，通过中断来实现外部控 制的系统，为典型的前后台系统。在本系统中，主程序完成系统的信号采集、滤 波处理、液晶显示、串行通信和上位机处理，这是前后台系统中的后台 ( b a c k g r o u n d ) ，是一个无限循环。系统通过键盘实现外部中断，控制程序的执行 和参数的设置，这就是所谓的系统前台( f o r e g r o u n d ) 。 ( 2 ) 键盘控制系统的设计( 系统前台) 为便于对软件系统主程序设计，本文首先分析系统的键盘中断控制( 前台) 。 本系统的键盘除了手动复位按键外，还使用了2 个按键，主要为系统的控制 键盘，通过外部中断进行控制。两个键盘的功能分别为：开始采集、停止采集。 系统主程序和按键的中断服务子程序之间通过全局变量实现同步，所以本系 统定义了全局变量s t a n 用来实现程序的同步： i n ts t a r t ；s t a n 控制采集的开始和停止( 1 开始，o 停止) 对应2 个按键有2 个中断服务程序如下： 1 ) 按键1 ( 开始采集) 按键l 对应于l p c 2 2 9 0 的e 矾t 0 脚，也就是外部中断o 的信号输入引脚。 如果外部信号拉低，就会触发中断o 。中断服务子程序的主要功能是设置s t a n 9 西北t 业大学硕十学位论文 第二章系统总体方案设计 值为l ，程序开始采集。 2 ) 按键2 ( 停止采集) 按键2 对应于l p c 2 2 9 0 的e i n t l 脚，也就是外部中断1 的信号输入引脚。 如果外部信号拉低，就会触发中断l 。中断服务子程序的主要功能是对s t a n 清o ， 程序停止采集。 ( 3 ) 程序的主流程设计( 系统后台) 开始 警兰 心电信号采集 自适应处理和 特征识别 液晶显示 传送敦据刊上位机 j 至 结束 图2 - 3 主程序框图 l p c 2 2 9 0 应用程序中的主程序是系统后台程序，按照特定的顺序完成系统的 功能，先进行心电信号采集，然后进行心电数据的滤波处理，最后通过蓝牙接口 同计算机进行通讯。这是一个循环程序，通过对全局变量进行判断，可以实现系 统后台程序的过程控制。图2 3 就是本软件系统主流程设计。 2 3 2 软件系统各子模块的设计 ( 1 ) 系统初始化模块包过以下几个方面【7 】 1 ) 设置中断向量表 删7 要求中断向量表必须设置在从o ) 【o o 地址开始的连续字节的空间， 删7 共有7 个异常，分别为复位、未定义指令、软件中断、中止( 预取) 、中 1 0 两北丁业大学硕+ 学位论文第二章系统总体方案设计 止( 数据) 、保留、瓜q 中断和f i q 中断。这些异常在向量表的位置是特定的， 不能随意更改。如果用户要使用c p u 支持的硬件中断方式，还需要按要求在硬 件中断向量表的地址上进行正确设置。对于未使用的中断，使其指向一个只含返 回指令的哑函数，可以防止错误中断引起系统的非正常运行。 2 ) 初始化总线控制 总线主要对外部存储器进行初始化配置，使得外部存储器能正常工作。程序 需要设置p s e l 2 寄存器的值，就是设置总线的i ，0 引脚功能。然后分别配置 外部存储区( b a l l l 【o b a i l l 【3 ) 的时序和总线宽度。 3 ) 初始化堆栈 a 】l m 7 的7 种工作模式对应不同的堆栈指针s p ，所以需要对特定的工作模 式进行s p 指针的初始化和堆栈空间的分配。 4 ) 改变处理器模式和状态 如果前面已经进行了堆栈的初始化，那么堆栈初始化时的最后一个模式就是 现在的处理器运行模式，用户如果有需要改编处理器模式和其它( 如中断使能) ， 可以通过设置c p s r 来实现。 5 ) 时钟系统初始化 l p c 2 2 9 0 上有一个片内时钟发生器，它可以利用数字锁相环( p u 0 分频或者 倍频来产生输入时钟频率，送到c p u ，以使它工作在所需要的时钟频率。分频 或倍频值可以通过p l l 配置寄存器( p l l c f g ) 来设定，根据这些要求，可以得 f 出倍频值，因此，m l = 5 写入p l l c f g 【4 ：o 】。p 值可由p = j 超薏( 只。为p l l c c c 内部工作频率) 得出，瓦。必须在1 5 6 m h z 口3 2 0 姗z 内，乙= 1 5 6 m 玉z ，p = 1 3 ， 兄。= 3 2 0 m h z ，p = 2 6 7 ，p 值只能为正数，为了满足要求将p - 2 写入p u c f g 【6 ： 5 】中。 片内外设的基准频率则是处理其时钟经过v p b 分频器( 分频寄存器 v p b d ) 来产生，如图2 - 4 所示。片内外设总线一般工作在处理器时钟速率的， 4 v p b d 【1 ：0 】= o o 。 图2 4 时钟系统框图 ( 2 ) 看门狗( w a t c hd o g ) 模块 当器件由于程序错误或硬件错误而进入死锁状态时，会影响l p c 2 2 9 0 的正 l l 两北t 业大学硕七学位论文第二章系统总体方案设计 常工作，看门狗定时器w a t c h d o g 可检测该错误状态，并给出硬件复位，初始 化整个系统，使系统重新进入正常工作状态。本系统w a t c h d o g 的具体工作原 理是：启动看门狗定时器，定时t 秒( 通常该时间远大于程序正常运行周期) ，如 果程序运行正常，不到t 秒后又会运行到这里，看门狗会再次启动，同时告诉系 统程序没有出错，系统不做任何操作，继续正常运行，即通常所谓的“喂狗”； 反之，如果程序“跑飞”，经过t 秒后程序未运行到这里，此时系统会自动复位。 系统的“喂狗”操作就是向w d f e e d 寄存器顺序写入o x a a 和o 】【5 5 ，这样就 会使计数器重新装载并开始计数。 其他模块将在后面的章节中进行详细设计，这里就不再叙述。 2 4 本章小结 本章通过对系统性能和要求的分析，提出了系统所应达到的设计指标。并且 分别从软、硬件两方面对系统进行总体设计，在软件设计中提出了前后台设计思 想。 西北r 业大学硕士学位论文 第三章前置采集电路 第三章前置采集电路 心电图是临床疾病诊断中常用的辅助手段。人体心电信号的主要频率范围为 o 0 5 l o o h z ，幅度约为o 4 m v 。由于心电信号中通常混杂有其它生物电信号， 加之体外以5 0 h z 【b 】工频干扰为主的电磁场的干扰，使得心电噪声背景较强，测 量条件比较复杂。为了不失真地检出有临床价值的心电信号，往往要求心电数据 采集系统具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干 扰能力等性能。本文利用l p c 2 2 9 0 的片上a d 转换和多路模拟开关设计了一种 符合上述要求的多路心电数据采集系统。 图3 1 是心电数据系统的组成框图，其中心电信号由专用电极拾取后送入前 置放大器初级放大，并对各干扰信号进行一定抑制后送入带通滤波器，以滤除心 电频率范围以外的干扰信号。主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范围 后，再经5 0 h z 陷波器滤除工频和合适的电平抬升，然后将符合要求的心电模拟 信号由模拟输入端送入l p c 2 2 9 0 片上a d c ，以进行高精度a d 转换和数据的 采集存储。 3 1 电路设计 3 1 1 前置放大电路 图3 1 心电调理原理框图 前置放大是心电数据采集的关键环节。由于人体心电信号十分微弱，噪声背 景强且信号源阻抗较大，加之电极引入的极化电压差值较大( 比心电差值幅度大 几百倍) ，因此，通常要求前置放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、 低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围等性能，设计时一般都采用差分放 大电路。前置放大器选用美国a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 6 2 0 a n 。a d 6 2 0 a n 是 一款价格低廉、性能优良的仪表放大器。图3 2 是内部结构简化图。a d 6 2 0 a n 为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管 西北t 业大学硕十学仿论文第三章前置采集电路 提供简单的差分双极输入，并采用b 工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级 内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增 益控制电阻r g 上。虽然a d 6 2 0 由传统的三运算放大器发展而成，但一些主要 性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计。 a d 6 2 0 的主要特点： ( 1 ) 电源电压范围：2 3 v 1 8 v ； ( 2 ) 高精度：输入最大偏置电流：1 m a ； ( 3 ) 高输入阻抗：l o g q ； ( 4 ) 输入电压噪声( f = 1 k h z ) ：9 n v 王扬； ( 5 ) 共模抑制比( 增益g = 1 0 ，d c 6 0 h z ) ：1 1 0 d b ； ( 6 ) 外部电阻设定增益，g = 1 1 0 0 0 ； ( 7 ) 输入偏移电压，最大5 0 “v ； ( 8 ) 输入偏移漂移，最大o 6 州，o c ； ( 9 ) p - p 噪声0 2 8 小，( o 1 h z 到1 0 h z ) ； ( 1 0 ) 提供的低功耗模式，最大电流仅1 3 m a 。 图3 - 2 a d 6 2 0 简化结构图 共模抑制比随着增益的增大而提高，放大器的噪声性能一般随第一级增益的 提高而变差，同时为防止前置放大器工作于饱和区或截止区，其增益不能过大， 一般增益g q 0 为宜，其放大倍数可由式( 3 1 ) 来确定。 g ：l + 坐 ( 3 一1 ) 其中的以为a d 6 2 0 、脚之间所接电阻( 单位：k q ) 。该电阻要十分精确， 选用精度为o 0 1 的金属膜电阻。实验表明：增益g 为1 0 倍左右效果较好。在 图3 3 中，u 2 、r 2 、r 8 、c l 构成的“浮地”驱动电路可将人体共模信号倒相放 1 4 西北t 业大学硕十学何论文 第三章前置采集电路 大后用于激励人体右腿，从而降低甚至抵消共模电压，以达到有效抑制5 0 h z 工 频干扰之目的。 图3 3 前置放大 3 1 2 带通滤波及主放大电路 图3 - 4 所示为带通滤波器，由单运放集成电路o p 0 7 构成。0 p 0 7 具有高精度、 低偏置、低功耗等特性，可灵活组成各类放大和滤波电路。其中，u 嶙、c 2 、c 3 、 r 1 9 、i 也o 构成高通滤波器，为不损失心电信号的低频成分，下限截止频率设计 【1 0 】为： 石2 面南一o o s m 。 图3 _ 4 带通电路 u 5 、r 6 、r 9 、c 2 4 、c 2 1 构成低通滤波器，同样，为不损失其高频成分， 上限截止频率设计为： 厶2 再杀赢卅s 呲 ， 西北t 业大学硕十学付论文第三章前置采集电路 7 图3 5 主放大电路 主放大电路如图3 5 所示，由u 6 、r 2 l 、r 2 2 构成。考虑到心电信号幅度约 为0 4 m v ，而a d 转换输入信号要求1 v 左右，因此，整个信号电路的放大倍 数需1 0 0 0 倍左右。而前置放大约1 0 倍左右，因此本级放大倍数设计为l o o 倍左 右，即 g ；l + ! 量。1 0 0( 3 - 4 ) 恐1 3 1 3 陷波和电平抬升电路 常规的有源r c 滤波电路，由于要求较大的电容和精确的i 时间常数，以 致在芯片上制造集成组件难度较大，甚至不可能。随着m o s 工艺的迅速发展， 由m o s 开关电容和运算放大器组成的开关电容滤波器已于1 9 7 5 年实现了单片 化，这种滤波器不需要模数转换器，可以直接对模拟量的离散值进行处理。与数 字滤波相比，省去了量化过程，因而具有处理速度快，结构简单等优点【9 j 。 ( 1 ) 开关电容滤波器原理 1 6 西北t 业大学硕十学付论文第二章前置采集电路 中1 厂 厂 中2 厂 厂 釉 c b c 2 d 图3 6 开关电容的基本原理 开关电容滤波器的基本原理是电路两节点间接有高速开关的电容器，其效果 是相当于在这两节点接入了一个电阻，图3 - 6 ( a ) 所示是一个有源r c 积分器， 图3 6 ( b ) 中，用一个接地电容器c l 和用作开关的源漏极可互相交换的增强型 m 0 s f e tt 1 ，t 2 来代替输入电阻。t l ，t 2 用一个不相重叠的两相时钟脉冲来驱 动。图3 6 ( c ) 画出了两相脉冲波型中1 和中2 ，假定时钟频率远高于信号频率， 那么，在中1 为高电平时，t l 导通而t 2 截止( 如图3 6 ( d ) ) ，此时电容与输入信 号相连接并被充电，即有鲍= c 1 咋。在中2 为高电平期间，t l 截至，t 2 导通，于 是电容转接到运放的输入端( 如图3 6 ( e ) 所示) 并放电，所充电荷量供给了积 分器。因此，在节点1 ，2 通过的平均电流为o = 孕。如果时钟周期t c 足够短 jf 1 7 西北t 业大学硕士学位论文第三章前置采集电路 的话，可认为该过程连续，因而可以在两个节点之间定义一个等效的电阻，即： - ，t = 和= 詈，这样，就可以得到一个等效的积分器常数，即： l 1 r f = c 2 = 疋詈 ( 3 5 ) o l c 显然，影响滤波器频率的时间常数取决于时钟周期互和电容比值署，而与 0 1 电容的绝对值无关，在m o s 工艺中，电容比的精度可控制在o 1 以内。这样， 对低频运用来说，就可获得合适的较大的时间常数。 ( 2 ) 电路设计 工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前置放大电路对共模干扰具有较强的 抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率处于心电信 号的频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因素，前级电路输出的心电信号仍 存在较强的工频干扰，所以必须专门滤除。常规有源陷波器的频率特性对电路元 件的参数比较敏感，因此难以精确调试，且电路稳定性不高。而开关电容集成滤 波器无需外接决定频率的电阻或电容，滤波频率仅由外接或片内时钟频率决定， 且其频率特性对时钟和外围电路的参数不敏感，因而性能较稳定。凌特公司的 l ，t c l 0 6 8 5 0 集成开关电容滤波器内部集成了四个独立的二阶开关电容滤波器， 时钟与中心频率之比为5 0 ：1 ，误差为士o 3 ，可采用圭5 v 、5 v 供电。可灵活配 置成各类滤波器( 低通、高通、带通、全通等) 。为较好地滤除工频干扰，本设计 利用l ，t c l 0 6 8 5 0 的优点专门设计了一个8 阶巴特沃斯5 0 h z 陷波器，采用的时 钟信号频率为e 。= 5 0 ) 【5 0 - 2 5 k h z 【1 “，设计电路如图3 7 所示。陷波深度可达 5 0 d b ，可衰减1 0 0 倍左右，效果比较理想。 图3 - 75 0 h z 陷波 1 8 西北工业大学硕十学何论文第三章前置采集电路 经过一系列信号调理后，陷波输出的心电信号为交变信号，而本系统中单片 机内置a d c 转换输入电压范围为0 3 3 v ，因此，在送入a d c 之前还需进行 电平抬升，在图3 8 中，电平抬升部分由以、墨：、马构成，抬升电平： 焘司矿 ) 8 通道心电数据采集系统的各路心电信号可从人体体表不同部位获取。由于 各路信号频率特性相同，仅波形的形状不同，因此各路信号可采用相同的信号调 理电路。 3 2 软件实现 图3 - 8 电平抬升 由于本部分涉及到 c 2 2 9 0 几个重要的功能结构，因而，我们先分析中断 系统和a d 转换模块后，再进行本部分的软件编写。 3 2 1l p c 2 2 9 0 的中断系统 j 堰m 中的中断时通过向量中断控制器( v i c ) 来完成，向量中断控制器有 3 2 个中断请求输入，可将其编程为3 类：f i q ，向量瓜q ，非向量m q 。可编程 机制意味着不同外设的中断优先级可以动态分配及调整。 v i c 将所有向量和非向量瓜q 相“或”来向a r m 处理器产生瓜q 信号。如 果有任意一个向量瓜q 发出请求，则v i c 提供最高优先级请求瓜q 服务地址； 西北t 业大学硕士学位论文第三章前置采集电路 如果非向量m q 中断，则提供默认服务程序的地址，己q 中断入口地址可通过 向量地址寄存器(