（信号与信息处理专业论文）基于zigbee和gsm网络的社区心电监护系统样机的设计.pdf

西华人学硕士学位论文 摘要 本设计基于远程医疗技术和家庭医疗保健工程，研究了一种符合社会发展的低成 本、低功耗、易组网以及网络容量大、网络稳定、可靠的社区心电监护系统。可以将心 电监护仪采集到的患者心电数据实时的通过社区心电监护网络系统平台传送到有医护 服务人员值班的医疗机构，并且使患者及时得到来自医护人员的治疗帮助和康复指导。 本课题选用t i 公司m s p 4 3 0 系列的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为核心处理器设计系统硬 件平台，包括m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的外围电路设计、s d 卡数据存储电路设计、心电采 集电路和调理电路的设计、接口设计以及键盘设计等。系统软件设计包括c 语言实现 m s p 4 3 0 单片机的控制、用c 语言实现心电监护仪与s z 0 5 一a d v 嵌入式无线模块和 t c 3 5 g s m 通信模块的接口通信、用l a b v 正w 图形化编程语言实现上位机软件界面的 控制设计。最终，在心电监护仪上采用3 2 0 牛2 4 0 的彩色液晶显示患者的心电波形图，界 面友好且便于控制。作为社区心电监护系统，实现了患者心电数据的采集、存储和远程 传输以及自动报警。 该课题选用z i g b e e 无线数据传输模块和g s m 通信模块实现心电数据的远程传输和 自动报警，因此基于它们的社区心电监护系统网络平台的实现成为了该设计的核心。充 分利用s z 0 5 a d v 嵌入式无线模块和t c 3 5g s m 通信模块的特性以及它们的内部资源， 完成监护系统网络平台的建立、实现。采用点对点的连接方式完成社区心电监护系统网 络平台的构建，不仅保证系统的稳定工作，而且使得各个模块协调有序稳定工作，同时 能使医疗服务机构的医护人员方便、快捷的找到求助者，并对其做出紧急帮助。 本论文详细阐述了该系统各个模块的设计要点、设计思想与设计方法；通过测试结 果验证设计方案的可行性；测试结果表明，本系统性能具有一定的优越性，为社区医疗 和家庭监护提供一种有效的解决方案。 通信 关键词：远程医疗；家庭医疗保健；社区心电监护系统；z i g b e e 无线网络；t c 3 5g s m 基于z i g b e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 a b s t r a c t w i 也t h et e l e i i l e d i c i n et e c l l i l o l o g y 锄dh 唧eh e a l 廿1c a r ee n g i n e 嘶n g ，al ( i n do f c o m m 谢哆e c gm o i l i t o r i n gs y s t e mw b i c hi sl o w - c 0 s t ，l o wp o w e rc o n s 啪p t i o n ，e a s y n 咖v o d d n ga n dl a r g ec a p a c 时n e 铆o r k ，s t a b i l i t yn e t 、) l ，o r kr e l i a b l ei sd e s i 印e di nt h i sp a p e r t h e e c gd a t aw l l i c hi sc o l l e c t e d 丘o mm ep a t i e n t sb ya ne a gm o l l i t o rc a nb es e n tt om e d i c a l i n s t i t u t i o n sw h e r eh e a l 1c a r es t a f fa r eo nd u t ) ，t h r o u 曲c o m m 戚t y - b a s e de o gm o i l i t o m g n e 似o r ks y s t e mp l a t f - o 册i na l l yt i n l e ，a i l ds ot h a tp a t i e m sr e c e i v et 沛e l y 仃e a n l l e n th e l pa n d r e h a b i l i t a t i o ng u i d a l l c e 丘。o mh e a l t hc a r ew o r i ( s t h et o p i c ss e l e c t e dt i sm s p 4 3 0s 舐e sm s p 4 3 0 f14 9m i c r o c o n 仃o l l e ra s t l l ec o r e p r o c e s s o rt od e s i g nh a r d w a r ep l a t f o m = l ，w k c hi 1 1 c l u d e st h ep e r i p h e r a lc i r c u i td e s i g no ft h e m s p 4 3 0 f 1 4 9r n j c r o c o r l t r o l l e r ，s dc a r dd a t as t o r a g ec n u i td e s i g t l ，t h ee c g d a 切a c q u i s i t i o n c i r c u i ta n dc o n d i t i o 砒唱c 沁u i td e s i 盟，缸e r f a c ed e s i 弘，a sw e ua sk e y b o a r dd e s i 印s y s t 锄 s o f 时a r ed e s i 驴i n c l u d e st h et 1 mo f t h em s p 4 3 0m c u b yt h ecl a n g u a g ec o n 仃o l ，e c gm o n j t o r c o m m 砌c a t e sw i t hs z 0 5 一a d ve m b e d d e dw i r e l e s sm o d u l e sa i l dt c 3 5g s mc o m 瑚u 1 1 j c a t i o n m o d u l eu s i n gcl a n g u a g e 觚dm eh o s tc o n l p u t e rs o m y a r ei n t e r f a c ec o m r o lw 油l a b v i e w 黟印l l i c a lp r o 笋蛐g1 锄g u a g e 1 1 1t h ee i l d ，m ep a t i e n t se c gw a v e f o r n ld i s p l a y so n 也e3 2 0 宰 2 4 0c o l o rl c do fn l ee c gm o l l i t o r ，i t si m e r f a c ei s 衔e n d l va i l de a s vt oc o i l 廿0 1 a sa c o m m u n i t ye c gm o i l i t o r i n gs y s t e mm a ya c l l i e v ec o l l e c t i n g ，s t o r a g i l l ga n dr 锄o t et r a n s m i s s i i l g p a t i e l l t s e c gd a t aa n da u t o m a t i ca l a 咖i n g 7 r h e s u b j e c t s e l e c t e dt h ez i g b e ew i r e l e s sd a t at r a l l s m i s s i o nm o d u l ea 1 1 dg s m c o m m u n i c a t i o nm o d u l et oa c l l i e v et h e 瑚1 0 t et r a n s m i s s i o no ft l l ee o gd a t aa n da u t o m a t i c a l a n n ，s ot h ec o m m u m 够e c gm o l l i t o r i n gs y s t e mn e t w o r kp l a t f o 衄b a s e dt h e mi st h ec o r eo f t h ed e s i 盟t a k e 如1 1a d v a n t a g eo f t h es z 0 5 a d ve m b e d d e dw i r e l e s sm o d u l e sa i l dt c 3 5g s m c o m m i 埘c a t i o nm o d u l ea sw e l la st l l e i ri m e m a lr e s o u r c e st oc o n l p l e t em ee s t a b l i s h m e n to fn l e m o l l i t o m gs y s t 锄n e t w o r kp l a t f o n n t h eu s eo fp o n - t o p o i mc o 彻e c t i o nt 0c o m p l e t et l l e c o n s t n l c t i o no ft h ec o m 删t ) ，e c gm o m t o 血gs y s t 锄n e t w o r kp l a t f o r m ，n o to m yt oe 1 1 s u r e t h es t a b i l i t ) ，o ft l l es y s t e m ，b u ta l s ot oa l l o we a c hm o d u l ec o o r d i n a t l y ，o r d e r l ya 1 1 ds t a b l yw o f i 【 i nt h es a m ed m em a l ( e sh e a l t hc a r ew o r k e r so ft h em e d i c a ls e c t o rf i n dp a t i e m sf a c i l i t a t e l y 柚d q u i c 姐y t od oe i l l e r g e i l c yh e l p t m st h e s i si se l a b o r a t e do ne a c hm o d u l ew l l i c hi i l c l u d e st l l em a mp o i l l t s ，d e s i 鲷t b 曲k i n g a n dd e s i g nm e t l l o d si nt h es y s t e md e s i g n t e s tr e s u l t sv e t i f yt 1 1 ef e a s i b i l i t yo ft l l ed e s i g n 锄d h o w 吐l a tt h ep 刊b 姗a n c eo f t h i ss y s t e mh a sc e n a i l la “a n t a g e s ，p r o d i v ee f l f 色c t i v es o l u t i o n st o c o m m u i l i 哆h e a l mc a r ea 1 1 df 撕l yc a r e 西华大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：t e l 锄e d i c m e ；h o m eh e a l t l lc a r e ；c o m m u i l i t ) re c gm o i l i t 0 血gs y s t e m ； z i g b e ew h l e s s ；t c 3 5g s m c o m m l l i l j c a t i o n l 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景及意义 随着社会的进步、人民生活水平的提高、医疗卫生条件的改善，人类的疾病谱、健 康观念、健康方式和途径发生了巨大的变化，现代医学模式由原来治疗为主的生物医学 模式发展到预防保健、治疗、康复、提高身体整体素质结合的生物、心理、社会医学模 式，主要包括病前的预防保健、病中治疗、疾病的康复治疗【l 儿2 1 。科学技术的发展使得 医疗仪器由大型化向中小型发展，自动化、智能化、可靠性和安全性的提高以及操作的 简化使用这些医疗仪器已经不再是专业人员( 包括医生、护士等) 的专利；非专业人员 ( 包括患者等) 也可以更好、更方便的在家庭环境使用这些仪器，得到更好的健康护理， 提高和改善医疗效果和生活质量，并且在一定程度上减少医疗费用 3 】。计算机技术和无 线通信技术的发展降低了高速信息医疗保健网的建设成本，提高了它的网络传输速度和 网络覆盖率，加上社会的推动，远程医疗得到快速发展，今后患者诊病、康复不需要都 去医院，可以在家里，通过医疗保健网将生理参数发送到医院，得到相应的医疗指导或 者救援，这就是家庭医疗保健工型4 1 ，即h o m eh e a l t i lc a r ee n g i l l e e 血g ，简称h h c e 。 h h c e ，是一门新兴的边缘技术学科，是当代高技术和医疗结合的产物。它最早出 现于2 0 世纪7 0 年代，在2 0 世纪9 0 年代得到了迅速的发展，并已成为当今世界医疗领 域的研究热点。主要内容是：将千家万户和医疗联系起来，实现医疗进入家庭，在配备 先进适宜的医疗设备的条件下，病人可以在家中( 社区) 以通信方式将信息( 生理参数) 迅速传递，报告给远方的医生，从而得到相应治疗指导甚至救援。在家中对病人实施监 护、诊断、治疗、康复和保健【5 】。 目前h h c e 的服务对象主要包括手术后在家中进行康复的病人、行动不便的残疾人 和老年人、高发病人群的健康检测、健康人群的身体参数采集。其中h h c e 技术最重要 的一个应用是采用远程监护技术对家中患者的重要参数进行检测，并在发生意外时实施 紧急救助。目前家庭监护运用的远程监护平台主要基于因特网和无线通信网两种通信平 台，当前较为常见的无线通信技术有c d m a 、g p r s 、蓝牙、红外以及3 g 技术等【6 】。基 于无线通信的远程监护系统给了用户较大的活动自由，用户可以不受时间、地点的限制， 随时随地得到医院监护中心的监护，在出现紧急情况时可以被及时发现并救治。通过 h h c 产品的应用，“医院”式护理模式进入家庭，以家庭为基础的医疗保健结构和实施发 生了根本的变化。单纯的医院内临床医疗模式，逐步发展成为院前预防、急救，院内诊 断、治疗，院外检测、康复的多元化、多层次的现代医疗卫生保障体系。 基于z i g b e e 和g 洲网络的社区心电监护系统样机的设计 解决长期慢性疾病的监护成为重要的社会问题，慢性疾病需要长期、系统、动态规 范的监护治疗，我国现有的医疗体制和技术方法还很难满足这一要求。伴随着远程医疗 监护的快速发展，研究基于公用网络的家庭医疗监护，建立社区医疗网络，可以实现医 疗资源共享，提高边远地区医疗水平，减轻患者负担，具有重大的现实意义。 1 2 国内外发展状况 1 2 1 h h c e 的国外发展状况 美国、日本和欧共体1 9 9 3 年6 月在正e e 生物医学工程学杂志上发表了关于2 l 世纪生物医疗工程发展战略的文章，其中他们都以发展面向家庭的医疗技术( h h c e ) 作为主要内容。目前，与h h c e 有关的研究项目已经成为他们国家基金会中的优先资助 课题。 发达国家和地区非常重视h h c e 战略规划，并投入巨资进行研究。美国在1 9 9 6 2 0 0 0 年期间投入约1 5 0 亿美元进行远程医疗的研究，欧共体也在1 9 9 6 2 0 0 0 年间投入约1 7 5 亿美元，香港地区仅在1 9 9 6 年度投入约1 6 7 5 3 亿港元到医疗中的信息技术研究。 美国生物医学工程界权威人士认为：h h c e 可以减少医疗费用，同时将使患者更加 独立地生活在自己熟悉的家庭环境因此提高其生活质量，更有利于患者的康复治疗。本 世纪，在生物医疗工程方面，与其采用高技术取代原有技术，不如发展适合个体患者的 合适技术。美国国家基金会将h h c e 列为重中之重，来缓解医疗费用过高所带来的社会 问题。 欧共体把h h c e 作为具有重大社会影响的工程技术项目列入发展规划，把“通过增 进健康来改善生命质量”、“提高保健质量，控制保健费用”作为发展战略，并在德国、 西班牙、奥地利、法国等地建立研究试验中心，部分成果达到实用水平并在欧洲推广应 用。 日本社会的老龄化问题严重，如何照顾老人已经成为日本一个严重的社会问题，发 展和实现可自理的家庭式医疗保健技术是一个迫切的任务。日本将h h c e 作为今后生物 医学工程发展的中心任务，日本厚生省已经将发展家庭健康管理系统列为重点，各大公 司和大学纷纷合做投入相应系统的开发研究。 目前西方国家从产品的技术水平、生产规模和品种、产品的临床应用以及产品的更 新换代和新产品的研发等领域在删c e 研究中均处于的绝对领先地位。他们的产品基本 上代表了h h c e 产品的方向和最高技术，从开始开发设计到进入家庭已经形成了相对完 备、成熟的产业链。 西华人学硕士学位论文 1 2 2 h h c e 的国内发展现状 我国开展h h c e 的研究已经有数年的时间，近年来我国的家庭医疗保健仪器也有较 大的发展，例如红外治疗、电疗、光疗、磁疗等小型仪器相继进入了市场并受到人们重 视，不过与国外相比，在科技水平等方面，还有一定差距。 针对心脏病患者，国内的h h c e 监护网系统可分成两大类： 1 珠海华诚集团的亚仿生命卡、珠海中立电子公司的心脏b p 机、北京卡迪欧医疗 设备有限公司的护心神等便携式微型监护仪( 也称心脏b p 机) 。这类系统以微型电脑 作为医疗中心站，患者随身携带监护仪，当感觉不适时，通过按键控制，记录6 s 2 8 8 s 的心电图。在适合时间采用音频耦合方式或者光电耦合方式通过公共电话网传输心电图 到心电监护中心。其优点是携带方便，居家旅行使用方便。缺点是心电图的记录时间短， 操作复杂。 2 清华大学研制的家庭心电血压远程监护网系统属于家用的小型监护仪，位于医疗 中心的是基于u n 操作系统的工作站，能够对多个家庭中的患者心电图进行实时监护、 归档、信号处理和病案管理等。家庭配置的家用监护仪采用心电遥测方式，不影响患者 在家中的日常生活。监护仪的监护功能强大，具有自动报警( 即监护软件发现异常心电 图超过警戒线时自动与医疗中心联网传输心电图) 、手动报警( 即患者感觉不舒服时， 通过按键操作，监护软件自动与医疗中心联网传输心电图) 和长时间记录传送心电图( 类 似h o l t e r 功能，即上时间记录心电图后自动传送到医疗中心) 功能。通信方式采用调制 解调器通过公共电话网进行心电信号的传输。其优点是能长时间记录心电信号，智能化 程度高，具有较强的心律失常分析，采用全自动控制，易于功能扩展。缺点是使用场所 固定，不方便患者的活动。 h h c e 具有广阔的发展前景，将更多地融入和应用现代科学技术成就，在家庭保健、 治疗、诊断、监护和建立通信保健网方面得到快速的发展。 1 3 本课题研究内容 本课题对h h c e 和z i g b e e 无线网络以及t c 3 5g s m 通信模块进行了研究，设计出 了便携式心电监护仪，并且构建了基于z i g b e e 和g s m 网络的社区心电监护系统，完成 了系统测试。 本论文的研究内容以及章节安排分为以下几部分： ( 1 ) 第一章：绪论，主要介绍了本课题的研究背景、意义以及国内外的发展状况； ( 2 ) 第二章：设计方案的选择，主要介绍基于z i g b e e 和g s m 网络的社区心电监 护系统的设计方案； 基于z i g b e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 ( 3 ) 第三章：便携式心电监护仪的硬件设计，主要内容包括处理器的选择，单片 机外围电路的设计，包括电源电路、接口电路、数据存储电路以及心电采集电路设计等； ( 4 ) 第四章：心电监护仪的软件设计，主要内容包括开发环境的介绍，心电数据 采集的控制，l c d 液晶显示的设计以及s d 卡存储的驱动设计等； ( 5 ) 第五章：社区心电监护系统网络平台的组建，主要内容是通过z i g b e e 无线网 络以及g s m 通信模块构建社区心电监护系统的远程监护平台： ( 6 ) 第六章：医疗服务机构上位机界面的设计，主要完成医疗服务机构和患者之 间的通信； ( 7 ) 第七章：系统测试； ( 8 ) 第八章：结论与展望。 西华火学硕士学位论文 2 社区心电监护系统的构建 2 1 社区监护系统的组建方案 h h c e 提倡“在家就医，自我保健，远程诊断”，要求监护设备能够实时检测到患者 的生理指标，并且通过通信系统能够将检测到的患者生理信息直接从患者家中传送到医 疗服务机构，使得医护人员及时掌握患者的病情，患者在家中得到医疗救助、进行医疗 保健和康复治疗。 现代技术，尤其是网络通信、计算机、微电子技术等的发展为远程医疗监护的发展 提供了技术条件支持。因特网( i n t e m e t ) 和移动通讯网等宏观基础设施的普及、发展， 通讯手段、技术等的发展，使社区远程监护近年来沿着因特网和无线移动监护两个方向 发展，给患者以实惠的远程医疗监护和家庭保健监护【。 社区监护系统作为家庭医疗保健工程的具体应用，其主要包括家庭监护仪( 采集患 者的生理信息) 、医疗服务机构( 通过分析采集到的患者生理信息，给患者康复指导) ， 以及连接两者之间的通信平台等三部分。其系统框图如图2 1 所示。 图2 1社区监护系统框图 f i g 2 1 t h eb l o c kd i a g 姗o fc o 姗m u n 毋m o n i t o 血l gs y s t e m 2 。2 基于z ig b e e 和g s m 网络的社区心电监护系统的设计方案 目前家庭监护系统的监护平台主要基于因特网( i m e m e t ) 和无线移动( 主要包括蓝 牙、c d m a 、g p r s 、3 g 等) 两种传输模式组建。但基于i m 锄e t 的远程监护系统存在患 者活动范围小并且只能在固定环境活动的不足；另外，系统必须接入i i l t e n l e t 或者个人计 算机，造成系统的成本和功耗较大。基于蓝牙、c d m a 等无线技术的远程医疗监护系统 存在着无线辐射的安全性、无缝漫游和无线网络成本高等不足之处 引。 基于z i g b e e 和g 刚网络的社区心电监护系统样机的设计 z i g b e e 技术是一种新兴的低功耗、低复杂度、通信可靠、低成本，组网灵活、稳定、 可靠的无线网络数据传输技术，广泛应用于数据的传输，它的出现为传感器信号的无线 传输提供了新的解决方案【9 】。利用z i g b e e 技术和g s m 通信技术组建的高可靠无线数据传 输平台，家庭心电监护仪将采集到的患者心电数据传送到医疗服务中心，达到对患者进 行实时监护、实时医疗指导的目的。在患者出现紧急情况时，通过g s m 通信的基本服务， 进行自动报警，把患者的信息及时的报告给医疗服务机构，达到紧急求助的目的。 社区心电监护系统主要包括心电监护仪和社区心电监护系统的网络监护平台。其中 心电监护仪主要完成患者心电数据的采集、一次存储以及心电波形图的显示等；社区心 电监护系统的网络监护平台主要完成心电监护仪与医疗服务机构之间的通信，即患者和 医护人员之间的信息交互。如图2 2 所示，本系统主要分为三部分： 图2 2 社区心电监护系统 f i g 2 2 t h ec o 咖1 1 i 哆e c gm o n i t o r i n gs y s t e m 第一部分是若干个基于z i g b e e 数据传输模块和g s m 通信模块的心电监护仪，主要是 对患者进行实时监护，负责采集、一次存储患者的心电数据以及出现突发情况时的报警 ( 由g s m 通信模块通过移动服务向医疗服务机构报警) ；丽z i g b e e 数据传输模块主要负 责数据的传输并通过第二部分，也就是由z i g b e e 数据传输模块组成的社区无线网络监护 系统平台把数据传送到医疗服务机构( 即第三部分) ，由专业的医护人员对采集到的心 电数据进行二次存储，并为患者提供相关的医疗服务，达到远程监护的目的【1 0 j 。 6 西华大学硕士学位论文 3 家庭心电监护仪的硬件设计 3 1心电监护仪的总体方案设计 心电监护仪在病情检测、临床应用、康复医疗等方面具有广泛的应用。作为h h c e 设备的具体应用心电监护仪具有明显的现代化医疗仪器特点和家用仪器设备特色：作为 家庭设备，心电监护仪由非专业人员( 主要是患者) 操作；作为医疗设备，工作的好坏 关系着患者的生命健康；作为对患者进行监护的辅助性设备，应当和医疗服务机构保持 良好的通信联系。因此，本设计的家庭心电监护仪有如下特点：测试条件的专业性很低， 主要完成的是患者心电数据的采集、存储；操作简单、轻便、小型，为便携式设备；操 作失误不产生严重后果；安全性、可靠性、容错能力强，具有通信、联网的功能；工作 范围有一定的限制，主要在患者家庭及其附近使用。 本设计基于m s p 4 3 0 单片机实现了心电监护仪的主体部分设计，主要包括心电采集 模块、s d 卡数据存储模块、液晶显示模块以及通用接口模块以及外围电路等。心电监 护仪的硬件整体框图如图3 1 所示。m s p 4 3 0 单片机是整个系统的控制中心；心电采集 电路完成对人体心电的采集，并将采集到的心电调理到单片机内部a d 所需要的范围； 内部a d 完成模数转换；s d 卡实现心电数据的大量存储；液晶显示界面为心电监护仪 的人机交互界面，帮助患者对心电监护仪进行操作。各模块功能相对独立，便于模块升 级与维护，心电监护仪通过串口通讯与z i g b e e 无线网络和g s m 通信模块结合组成无线 通信网络完成对心电监护仪的远程控制、医疗服务机构和患者家庭之间的通信以及心电 监护仪的自动报警等功能，提高心电监护仪的工作效率，并且为家庭医疗保健其它生理 参数的采集提供了接口设计。 图3 1心电监护仪硬件框图 f i g 3 1 n eh a r d w a r ed i a g r a mo fe c gm o n i t o 血gi 1 1 s 仃啪n e n t 基于z i 邸e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 3 2c p u 模块电路设计 3 2 1 微处理器选择 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机j 是美国德州仪器( t e x a si i l s 们珊c i l t s ) 公司推出的1 6 位r i s c 结 构的新型混合信号处理器。它的主频为8 m h z ，将大量的外围模块整合到片内，形成丰 富的片内外设，特别适合于开发和设计单片系统；系统工作的稳定性较好，处理能力强 大，功耗超低，为我们开发功耗和成本要求比较低的便携式仪器方面提供了质优价廉的 微处理器解决方案。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机特点如下： 处理能力强采用1 6 位精简指令集( r i s c ) 结构，指令周期1 5 0 n s ，有丰富的 寻址方式( 7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令 以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可进行多种运算； 还有高效率的查表处理方法等。 夺超低功耗、低电压工作电压1 8 v 3 6 v ，耗电电流因工作模式不同而不同，等 待方式下工作电流为o 7 衅，在洲保持关闭工作方式下工作电流仅为0 1 肚； 有1 6 个中断源，可任意嵌套，使用灵活；c p u 置于省电模式，采用中断方式 唤醒程序只需要6 u s 。 片内资源丰富具有1 2 位的模数转换器( a d c l 2 ) ，内部温度传感器，3 个捕获 比较寄存器的1 6 位定时器，存储器方面具有多达6 0l 的f 1 a s hr o m 和2l 的洲以及两通道串行通信接口和硬件乘法器。 令开发环境高效串行在系统编程，通过仿真器对程序进行下载，并通过专用软 件对程序及单片机的工作状态进行监控，极大地方便了程序的调试。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的框图如图3 2 所示： 8 西华火学硕士学位论文 图3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的框图 f i g 3 2 t h eb l o c kd i a g r 锄o ft h em s p 4 3 0 f 1 4 9m c u 3 2 2 电源电路设计 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的工作电压为3 3 v ，同时外围器件需要3 3 v 的工作电压。因 此，为了使系统能够稳定的工作在3 3 v 电压下，我们采用a m s l l l 7 3 3 芯片将5 v 直 流电压转化为所需要的3 3 v 。如图3 3 所示。本设计的电路结构简单，但功耗较大。在 c p u 周围设计有多组数字电源，用于多点输入、多点接地，提高电路的抗干扰能力。另 外，我们在每一个电源输入端均接入高频电容和低频电容，起到滤除电源干扰的作用。 图3 3电源设计原理图 f i g 3 3 p o w e rc i r c u i t 基于z i 邸e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 3 2 3 复位电路设计 系统设计的复位电路如图3 4 所示，包括上电复位和手动复位，以完成系统上电时 的复位以及系统运行时的手动复位。当系统上电，电容充电没达到门限值之前，r s t 处 于低电平，系统处于复位状态，在充电达到门限值以后，r s t 输出高电平，系统进入正 常状态。该电路是低电平有效的复位电路，在系统运行时，可以通过按键操作进行手动 复位。当复位键按下以后，电容释放其存储的电能，使r s t 输出低电平，系统完成复 位。 = = - 一 复位电路一一_ “4 一j“、。1。1。_。 图3 4 复位电路 f i g 3 4 r e s e tc i r c u i t 3 2 4 系统时钟电路设计 处理器的工作频率对系统的耗电量产生影响，m s p 4 3 0 f 1 4 9 有三个振荡器可供我们 选择。在系统设计过程中，我们可以根据需要进行选择，以节省功耗。 这3 个振荡器分别为： 夺l f x t lo s c i l l a t o r 接低频振荡器，不需要负载电容； x t 2o s c i l l a t o r 接标准晶体振荡器，要接负载电容； 夺d i 酉t a l l y - c o n 仃0 1 l e do s c i l l a t o “d c o ) 数控r c 振荡器，芯片内部集成，不用时 可以关闭。 本设计，为x t 2 配置8 o o m h z 石英晶体作为主振荡器，为c p u 工作提供系统时钟： 为l f x t l 配置典型的3 2 7 6 8 l z 钟表振荡器，用来降低系统休眠状态下的能量消耗。 电路图如图3 5 所示。 口电路设计 y 1 皿) 口 3 2 7 6 1 2 8 h z 图3 5晶体振荡器电路 f 嘻3 5c r y s t a lo s c i l l a t o rc i r c u i t 本系统设计的有j t a g 调试接口、r s 2 3 2 串行通讯接口。在e m b e d d e dw o r l ( b e l l c h 环境下编译程序，经由l 讯软件的调试之后，即可通过j t a g 接口将之下载到单片机里 面进行在线仿真、运行。r s 2 3 2 是目前比较通用的通信接口之一，在本系统我们用它连 接z i g b e e 数据传输模块和g s 信。设计电路图如图3 6 所示 12 34 56 78 91 0 l l1 2 1 31 4 m 通信模块完成心电监护仪与医疗服务机构之间的无线通 d 鲐? 一 串口 图3 6 单片机接口电路图 f i g 3 6 i i l t e r f a c ec 沁u i to fm c u 基于z i 邸e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 3 2 6 按键电路设计 在本设计的社区心电监护系统中，为了方便患者和医护人员操作使用心电监护仪， 我设计了四个按键，提高心电监护仪的使用效率，每个按键的输出端对应连接到m s p 4 3 0 单片机的通用i o 口上，通过单片机的按键扫描程序，进行相应的操作。四个按键的功 能分别为：显示周期的控制功能，通过按键控制显示波形的周期；手动报警功能，通过 按键进行手动报警；手动发送s d 卡存储的心电数据的功能，通过按键操作，患者将心 电监护仪采集到的心电数据发送到医疗服务机构；心电波形回放显示的控制，通过按键 控制显示患者某一时间内的心电波形。按键的设计电路图如图3 7 所示。 t 一一一_ 一+ j t t 一一+ v c c 3 三广一一一一卜一_ 上 1 r 5 0 。一l 鉴lr 5 2r 5 3 1 3 3 k3 3 k3 3 k3 3 k l j 。k3 一 。 p l 辱 x e y 4 一 x 9 一一- 一 一_u p 1 5 k e 一4 一一| 一一 一 k 1 0 l p 1 6 一x e 啊一 一 i ，1 l _ l - 。 p 1 7 u u 一 一k e 7 4 一 一 ；1 。一一。= 一+ 一一一一t 一_ _ _ 一一一；，：。， + 一，一。 + ；4 图3 7 按键电路图 f i g 3 7 k e yc 疵u i t 3 3 心电采集模块电路设计 3 3 1 心电的产生以及特点 心脏是人体循环系统中的重要器官，由于心脏不间断的、有节奏的进行收缩和舒张 活动，使得血液在人体循环系统，由窦房结发出的一次兴奋开始，依次流向心房和心室， 引起整个心脏的兴奋，并且产生心肌电激动。心肌的电激动传至人体全身，使得身体各 部位在每个心动周期也都发生有规律的电变化，在体表不同部位形成不同的电位差。如 果在体表放置两个电极，分别用导线连接到心电图机的两端，那么就会按照心脏活动的 时间顺序，将体表两点间的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心电图【1 2 】【1 3 l 。 西华大学硕士学位论文 心电图反映心脏兴奋的产生、传导和恢复过程，是心脏运动的基础反映。心电信号 从宏观上记录了心脏细胞的除极和复极过程，反映了心脏各部位的生理状况，因而在各 种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心率异常、电解质紊乱、心衰等临床医学中有 着重要意义。 人体体表的心电信号是微弱的、低频的电信号，其幅度范围是0 5 5 m v ，频率范围 是0 0 5 - 1 0 0 h z 【1 4 】。在心电信号的采集过程中，由于心电信号本身非常微弱并且是直接在 人体采集，因此非常容易混入干扰信号，主要干扰信号如下【1 5 】- 【1 7 】： 夺工频干扰最严重、最普遍的干扰信号，主要频率是5 0 h z ，共模信号，包括由 位移电流经过人体形成的信号，和外部环境5 0 h z 组成； 令呼吸干扰理想心电波形的基线应稳定在固定的电位上，由于人体生理作用( 如 呼吸等) ，随着时间的变化，基线会发生缓慢的变化，称为基线漂移。主要集 中在o h z 附近。 夺极化电压 由于金属与电解液组合会形成半电池效应，因此，电极与活组织接 触时会产生电动势。因为电动势不平衡产生了电位差，即极化电压。极化电压 最大可达几百毫伏，其频率近似直流。 夺高频干扰无线电广播、电视发射台、通讯设备、雷达等通信设备的使用，使 空气中电磁波干扰增大。高频电磁干扰信号通过导联线进入系统，使得测量结 果不稳定。 另外还有肌电干扰、运动伪迹等其他的干扰，各种干扰信号与人体的心电信号混合 在一起随心电信号的放大而放大，使有用的信号难以采集。因此，设计相应的调理电路， 在放大心电信号的同时对各种干扰加以抑制，得到信噪比高的心电信号再送入a d 进行 采集，是我们在设计中必须考虑的条件。 3 3 2 心电的采集及调理电路设计 人体心电信号的主要频率范围是o 0 5 h z 1 0 0 h z ，幅度范围是0 5 5 m v ，信号十分弱， 再加上5 0 h z 的工频干扰等，使得心电的采集比较复杂。因此，为了有效的采集到心电 信号，保证心电监护仪工作的稳定性和采集数据的准确性。我们对心电的采集电路进行 了如图3 8 所示的设计。 基于z i 妒e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 1 瓦一 _ j 后 前 级 人级 0 0 51 0 0放 体放 h zh z 5 0 h 大 体大 高 低 z 限 电 表电通 通路 m 路 滤滤 波 以 d c 波波 电 及 u 电极日 电电 路 电 _ j 路路 压 - 一 调 理 右腿驱动电路 图3 8 心电采集及调理框图 f 嘻3 8 t l l ed i a 鲥l i no f m ee c ga c q u i s i t i o na l l dr e g u l a t e 通过人体体表的电极得到的心电信号先经过前置放大电路进行放大，为了减小由共 模信号引入的误差，在设计中引入右腿驱动电路。经过放大和右腿驱动电路处理后的信 号具有低噪声、低漂移、低共模抑制比等性能。为了消除0 0 5 h z 1 0 0 h z 外的干扰信号， 需要对信号进行带通滤波。因此，将放大后的心电信号送到0 0 5 h z 的高通滤波器和1 0 0 h z 的低通滤波器进行滤波处理，这时候的心电信号主要受5 0 h z 工频干扰，再将通过带通滤 波处理后的心电信号送到5 0 h z 陷波器进行处理，消除5 0 h z 工频信号，心电信号经过5 0 h z 陷波和0 0 5 h z 1 0 0 h z 的带通滤波处理，实现消除噪音的目的，得到较为光滑的波形，再 将处理过的心电信号进行二次放大和电压调整，以适合后级a d 的采集和单片机的处理。 下面我们将对心电采集和调理电路的一些模块做详细介绍。 ( 1 ) 前级放大电路设计 通过电极从人体表面获取的信号包括有效的只有o 5 5 m v 的心电信号以及以共模形 式存在的5 0 h z 工频干扰信号，并且工频干扰信号较大，我们直接滤除干扰信号得到微弱 的心电信号是十分困难的，因此首先要将通过电极得到的信号进行放大处理。但是放大 的倍数也不能够过大。放大倍数过大，就会增加后续电路的功耗，减少监护仪在没有外 接电源情况下的工作时间，从而失去动态监护的目的。在设计本前置放大电路时，我们 选择美国a d i 公司的a d 6 2 0 运算放大器作为本放大电路的主芯片。 a d 6 2 0 【1 8 1 是一款低成本、高精度的仪表放大器，使用一个外部电阻即可对其增益进 行设置( 范围为1 到1 0 ，0 0 0 ) 。由于其本身的尺寸小( 小于分立电路设计) ，功耗低( 晟 大工作电流1 3 m a ) ，使其非常适合电池供电设备以及便携式设备( 或者远程) 的使用。 另外由于具有高精度( 最大非线性度4 0 p p m ) 、低失调电压( 最大5 0 ) 和低失调漂移 ( 最大0 6 州) 等特性，是设计电子秤和传感器接口等精密数据采集系统仪器时的理 西华大学硕士学位论文 想之选。此外，a d 6 2 0 还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗、高共模抑制比( 1 0 0 d b ) 等特性，使之非常适合e c g 和无创血压监测仪等医疗应用。因此，在本设计中我们选择 a d 6 2 0 作为前级放大器使用。 采用a d 6 2 0 设计的前级放大电路的电路图如图3 9 所示。 一 5 v 一一。一一 一一 前级放大一一 一 图3 9 前级放大电路 f i 9 3 9p r e f e d 锄p l i 刨n gc 硫u i 廿y 其中r 1 0 1 、r 1 0 2 以及r 1 0 3 ，混联起来的电阻值r g 的大小决定了前级放大电路的放 大倍数即增益g ， g ：! 竺：兰塑+ 1 尺g ( 3 1 ) ( 2 ) 带通滤波器电路设计 由于人体心电信号的频率范围主要是在o 0 5 h z 1 0 0 h z 之间，因此我们将这个频率范 围以外的信号视为干扰信号，需要设置一个带通滤波器，将这些干扰信号滤除掉。为了 获得较好的滤波效果，本设计采用有源二阶滤波器设计截止频率为1 0 0 h z 的低通滤波器 和截止频率为0 0 5 h z 的高通滤波器组成o 0 5 h z 1 0 0 h z 的带通滤波器。其中低通滤波器的 设计【1 9 】电路如图3 1 0 所示。 基于z i 邙e e 和g s m 网络的社区心电监护系统样机的设计 1 0 5 v c 3 0 3 卜 y = c 3 0 1 卜 c l 】0 4u 3 0 1 ， 脚lr 3 0 2 。 3 、 、 r _h 蠛_ 一一。63 2 式 一 一”、 u a 7 4 l c 3 0 奇_ 一 q 。 c l 5 v 正：蔷冉出h 皇 f l 戌盟仙b 也x 图3 1 0 低通滤波器电路 f i g 3 1ol o w - p a s sf i l t e rc i r c u i t 该设计电路是二阶压控电压源低通滤波器，其电压增益以r = 1 ，截止频率c _ l o o h z 。 使用查表计算法选定电路元器件的阻抗值步骤如下： 夺选定c 3 0 2 的电容值根据心电信号的频率范围，低通滤波器的截止频率为 1 0 0