（生物医学工程专业论文）基于USB传输的便携式心电监护系统的设计与实现.pdf

茎苎塑至 a b s t r a c t a m e r i c a np s y c h i a t r i s te n g e lf o r m a l l yb r o u g h to u tb i o p s y c h o s o c i a l m o d e li n1 9 7 7 h ep o i n t e do u t ，a ni n t e g r a t i v ec o n c e p to fh e m t ha n d d i s e a s es h o u l di n c l u d et h ei n t e r a c t i o no fb i o l o g y ，p s ) r c h o l o g ya n d s o c i o l o g y g s t a b l i s h i n gt h ep a t i e n t c e n t e r e dm e d i c a ls e r v i c e o d ea n d m e d i c a li n s t r u m e n t s y s t e mr e p r e s e n tt h es c i e n t i f i ci n t e n s i o no f b i o p s y c h o s o c i a lm e d i c a lm o d e t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f p o r t a b l ei n s t r u m e n t ss h o u l db eg r e a t yd e v e o p e dt oa d v a n c et h e t r a n s i t i o no fm e d i c a lm o d e b a s e do nt h ea n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ft h ee c gm o n i t o r i n gs y s t e m a n dt h er e q u i r e m e n to ff u n c t i o n ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s e u s s e st h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o re g gt h r o u g hu n i v e r s a l s e r i a lb u s ( u s b ) i n t e r f a c e is e l e c tm c ua d u c s l 2t o i m p l e m e n tt h e m o n i t o r i n gs y s t e m ，d e v i s et h ef l a s hm e m o r y ，l c hi n t e r f a c e ，k e ye t c ， a n de q u i pau s bi n t e r f a c e t h es o f t w a r ei nt h em o n i t o r i n gs y s t e mi s p r o g r a m m e db ya s m 5 1 c o n s i d e r i n gt h a tt h ee n v i r o n m e n tw h e r et h em o n i t o r i n gs y s t e mi s u s e dj sv a r i o u sa n dc o m p l i c a t e d ，a n dh a sa1 0 to fi n t e r a c t i o n i ti s i m p o r t a n tt oa d o p ta n t i i n t e r a c t i o nm e t h o d st od e v i s et h em o n i t o r i n g s y s t e m t h es y s t e ma d o p t ss o m ea n ti - i n t e r a c t i o nm e t h o d sf r o mh a r d w a r e a s p e c t ，f o re x a m p l ep o w e r ，a m p l i f i e ro u t p u t ，p c bb o a r d ，s i g n a li n p u t p o r te t c s o f t w a r ea n t i i n t e r a c t i o nm e t h o d si n c l u d ei n s t r u c t i o n r e d u n d a n c e ，p r o g r a mt r a p ，w a t c h d o ge r e s o f t w a r ed e s i g nh a ss o m e v i r t u e ss u c ha sf l e x i b i l i t y ，s t a b i l i t ya n ds a y i n gh a r d w a r er e s o u r c e s 英文摘要 e t c g o o de f f e c t sa r er e c e i v e di nt h em o n i t o r i n gs y s t e mt h r o u g ha b o v e w o r k t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf u e c t i o n s ，i n c l u d i n gm o n i t o r i n ga n d p r e l i m i n a r i l ya n a l y z ee c g ，s t o r i n g r e a l t i m ee c ga n da l a r m i n g ， t e a l t i m ed i s p l a y i n ga n dc o m m u n i c a t i n gw i t ht h ep cw o r ks t a t i o n t h e p a t i e n tc a nt r a n s m i tt h es t o r e de c gd a t at o p cw o r ks t a t i o nt h r o u g h u s ba ta n ym o m e n t ，s ot h ed o c t o rc a n m a k ed i a g n o s e s ，g i v ei n s t r u c t i o n s a n do r g a n i z er e s c u ei nt i m e a n da l lo f e c gd a t ah a v eb e e nf i l e db y c o m d u t e rt oh a v eaf o llo w - u ps t u d yo nt h ed is e a s ed e v e lo p m e n ta n dt h e c u r a tiv ee f f e c t t h ein s t r u m e n th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lsiz e ， l o wd r i c ea n dg o o dp r a c t i c a li t y i t isw o r t h yi n t r o d u c i n ga n d p o p u l a r i z i n gt oa 1 1g r a d eh o s p i t a l s k e y w o r d ：m e d i c a lm o d e e c g m o n i t o r i n g l c m f l a s hm e m o r y u n i v e r s a ls e r i a lb u so j s b ) i n t e r a c t i o na n t i - i n t e r a c t i o n 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 医学模式是指人们观察处理疾病和健康问题的思维方法和行为方式，是 医学实践的产物。新的医学模式是美国精神病学家e n g e l 提出的生物心理 一社会医学模式。从传统的生物医学模式向生物一心理一社会医学模式的转变， 无疑会使疾病观、健康观、卫生观等产生根本的变化。 新的医学模式要求医学研究的重点不单单放在疾病上，更重要的是要把 健康也纳入医学研究的范围内。医院必须确立“以患者为中心”的医疗服务 模式，在临床实践中既了解疾病的产生过程，又注重患者的生理改变，更注 重患者的生活特点及社会环境，形成“以患者为中心”的整体诊断治疗思维 方式。 医学模式的转变要求医院从单纯医疗型向医疗、预防、保健型转化，医 院的服务也逐步扩展到了社区医疗、社区护理等服务体系。即由以往的以 医生为中心的服务模式转变为以病人为中心、以家庭为基础的社区卫生服务 模式，把重点放到健康教育为中心的各项保健措施上去，真正实现“预防为 主”“人人享有健康”的目标。同时，为之服务的医学电子仪器的设计方向 也必然要进行相应的调整，有必要发展适应这一模式要求的产品和产业，例 如：适合进入家庭的保健、监测、理疗仪器；建立在同一分析平台上，具有 多种检测功能的医疗仪器，以及适于家庭病房联网、遥测使用的医疗产品等。 这就对传统的医学仪器在功能性、智能化、小型化和网络化等方面提出了新 的要求。 心血管疾病是严重危害着人类健康的四大疾病之一，随着人们生活水平 的提高，其发病率和病死率呈逐年提高的趋势，且越来越年轻化。据世界卫 第一章绪论 生组织“2 0 0 1 年世界卫生报告”【3 】，2 0 0 0 年全球因心血管疾病死亡人数高 达1 6 7 0 万，其中一半以上发生在发展中国家，l 3 以上为中年人。 某些心脏病的发作带有很大的偶然性和突发性，不但给患者精神上带来 很大的压力、痛苦，乃至会危及到生命。因此，心血管疾病的早期诊断和监 护就显得尤为重要。虽然现在所使用的设备已可大致满足临床需要，但仍然 不能解决社区及家庭的需求。加之现代医学模式转变对医护提出的新的要求， 有必要研制一种结合常规心电图( e c g ) 和动态心电图( h o l t e r ) 两种系统的 新的便携式心电监护设备。 1 2 现有心电检测设备的类型及分析 心脏生物电体现了心脏活动的节律，由电极从人体表面测得的心电信号 经放大后描记或显示的波形称为心电图( e l e c 们c a 础。彤l l ，简称e c g ) 。临床 上，e c g 是医生诊断心脏疾病的重要依据之一。常用的心电检测设备主要分 为e c g 和h o l t e r 两种系统。现从两种心电图仪的发展、功能及优缺点分别加 以分析。 1 2 1 常规心电图机 普通心电图机又叫常规心电图机或叫静态心电图机，自从1 9 0 3 年第一台 心电图机开始使用至今，已有9 0 多年的历史。目前，已经发展到电子式和一 定智能化的心电图机。常规心电图机主要在医院使用，记录时间短，般只 有1 2 分钟。其体积较大，不便随身携带，整机采用模拟数字混合线路构 成，集成度较低，心电波形采用热笔描记输出，根据心电记录纸的格数诊断 病情，智能化水平不高。 常规心电图机的特点如下： 1 电路设计简单： 第一章绪论 2 使用热笔在热敏纸上记录心电波形，观察显示波形直观，但对心电的高 频分量的隐示病情不能分析，且心电数据不易保存； 3 直流电机驱动走纸机构增加了整机体积； 4 操作简单、便于移动，可进行多导联转换描记： 5 由于需要使用标准记录纸等因素而不适宜进行长时间连续的波形描记； 基于上述分析，常规心电图机的监测时间短，对于偶发性心律失常的生 物电波形很难捕捉到，对于受检者在睡眠、各种活动、体育活动、工作劳累 或情绪激动等特定状态下出现的心电变化亦无法记录，从而对心脏疾病的早 期诊断有一定的局限性。 针对常规心电图机存在的上述缺点，为了及时发现和治疗早期心脏病和 各类隐性、偶发性心律失常、心肌局部缺血，就须使用动态心电图进行检测。 1 2 2 动态心电图仪 由于一些异常心电信息只有在某些特定情况下才出现，在非发作期进行 常规心电图检查时，常常不会被捕捉到。因此对心电波形进行长时间的记录 有着极其重要的临床价值。 动态心电 ( d y n a m i ce l e c t r o c a r d i o g r a p h y ，d c g ) 系美国物理学博士、实 验物理学家h o l t e rn j 于1 9 5 7 年所发明，故又称h o l i e r 心电图。于1 9 6 1 年 成功地用于临床，之后又研制出了快速计算机回放系统对记录数据进行回顾 分析，临床应用就愈加广泛。 至6 0 年代后期，动态心电图已被广泛应用于临床诊断，尤其是用于研究 冠心病的心律失常与预后或猝死的关系。7 0 年代末期，由于d c g 观察s t 段的价值得到确认，因而对其在研究心肌缺血中的价值日益重视，并且认为 它是评价抗心律失常药物最有价值的方法。 h o l t e r 心电图的特点： 第一章绪论 1 采用电池供电、体积小、可随身携带； 2 连续2 4 小时记录，记录信息量大； 3 全部电子结构，无机械装置； 4 可以记录隐性、偶发性心电波形，提高病情早期诊断的几率； 5 节省热敏记录纸费用，记录信息可长期保存； 动态心电图已广泛应用于对冠心病患者日常活动中发生心肌缺血的观 察，其资料可提供心肌缺血起始、持续、终止时间及发作频率、缺血程度和 昼夜节律变化，以及与心肌缺血相关的症状、患者精神和体力活动状态，再 结合心率和同步监测的血压变化，不但可以作出心肌缺血定量分析，而且可 以对心肌缺血发作的机理，如心肌耗氧量增加或是冠脉供血减少等作出推测。 此外，尚可明了某些严重心律失常的发生与心肌缺血发作间有无关联。这些 结果为指导选择治疗措施和选用不同作用的抗心肌缺血药物及估计预后都有 重要价值。因此对于拟诊冠心病者，动态心电图检出s t 段异常，再结合病 史和其他检查结果，可作为诊断冠心病的一个依据；而对无临床症状又无其 它证据者，仅凭一次s t 段改变作为冠心病的诊断，则可能会造成过多的误 诊。 我国自7 0 年代末开始引进国外动态心电图仪器并应用于临床诊断。研究 发现，检测1 分钟心电图只能检出1 0 病人的心律失常，3 分钟为1 5 9 6 ，1 2 小时为6 0 ，2 4 小时则可达8 5 9 0 。动态心电图的主要价值，是用以发现 并记录在常规心电图检查时不易发现的及日常活动时发生的心电图改变，为 临床诊断和治疗提供重要依据。因此d c g 在临床上得到愈来愈广泛的重视， 已经成为临床心血管领域中非创伤性检查的重要诊断方法之一。 目前的h o t e r 系统采用嵌入式系统，可与服务器端通讯，输出2 4 h 心电 信号，送计算机辅助分析。同时， 1 0 i t e r 对从事动态心电图分析的技术员素 质要求也很高。应具备心血管系统解剖、生理、心血管疾病及心电图知识， 第一章绪论 应具有心电图记录、超声心动图、运动试验等无创心脏实验室的工作经验或 具有监护室急重症患者的心电监护、心脏手术后心电监护方面的经验。具有 安全用电知识、能进行一般的计算机操作，更应熟悉仪器使用的特性和回放 过程的一般程序等。 1 3 心电监护仪的发展方向 心电监护仅的发展主要有两个方向，其中一个方向是高精尖、先进的医 疗设备。由于计算机技术的飞速发展，使得动态心电图技术逐渐向多导联、 大容量及高度智能化方向发展。1 8 导联动态心电图仪已逐渐投入临床使用t 对。t l , 脏广泛面积缺血引起s t 、t 改变的动态观察有其它仪器无法取代的优点 1 日 心电监护仪发展的另一个方向是小型、价廉、实用的仪器，它的发展可 以降低医疗费用、缓解病床不足的压力，改进患者患病期间的生活质量。随 着医学模式的转变，家庭医疗与保健问题将愈来愈提上日程，小型、价廉、 实用的仪器发展应当更优先些。现代医学仪器的发展，与其说是用高科技取 代原有技术，不如说是发展更适应于个体患者需要的合适技术。因此，传统一心 电监护仪器的便携化设计，已经成为现代医学仪器发展的一个必然趋势。 1 4 本人工作概要及论文章节安排 一、课题要求 本研究课题是要完成便携式心电监护系统的设计与实现，包括系统的硬 件、软件设计及与p c 机通信的设计。 二、本人主要工作安排 ( 1 ) 深入分析现代医学仪器的组成部分和设计要求，根据心电监护系 统的功能要求，设计一种较通用的基于u s b 传输的心电采集系统。 8 - 第一章绪论 ( 2 ) 实现系统的具体设计，包括硬件设计、软件设计和通信设计。 ( 3 ) 完成对监护系统的调试，使之能安全、可靠的运行。 三、论文章节安排 本论文章节及内容的安排如下： 第一章绪论 概述论文课题的来源，分析现有心电监护仪器的种类、特点及发展方向， 介绍本人的主要工作、论文内容的安排。 第二章总体设计 介绍了心电信号监护系统的设计原则、功能要求，并在此基础上介绍系 统的整体设计选型。 第三章系统的硬件设计 介绍系统硬件的设计，包括主要功能模块的实现方法和提高系统可靠性、 抗干扰性能所采取的措施等。 第四章系统的软件设计 介绍软件具体设计时的实现思想，所用算法及主要考虑因素。 第五章系统的通信设计 介绍u s b l 1 通讯协议、u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 和通信的实现。 第六章结果与讨论 介绍系统测试的结果，已完成的工作，总结设计中的工作经验，并提出 系统优化的措施及应用前景。 第二章总体设计 第二章系统的总体设计 传统医学仪器的便携化设计，已经成为现代医学仪器发展的一个重要趋 势。本系统根据功能需求主要完成定时心电信号的采集、数据处理、存储、 实时显示、报警、通信等功能。在系统的设计过程中，不仅要满足基本的功 能要求及降低设计成本，更重要的是微型化和低功耗的设计。 2 1便携式心电监护智能仪器的设计原则 根据便携式智能仪器的特点，本系统在设计时遵循以下原则： 1 电池供电 便携式智能仪器的使用场所大多只能依靠电池供电。设计时应根据仪器 的使用环境，充分考虑电池供电的负载能力、连续工作时间和电池的标准化、 易采购性。一般地，最好采用普通干电池供电，以利于随地采购。对于开机 时间长、电流消耗大、数据采集与处理频繁的便携式智能仪器，可采用锂电 池或锂离子电池供电。 2 低功耗设计 由于采用电池供电，便携式智能仪器的低功耗设计显得尤其重要。设计 中应尽量采用低电压、微功耗或低功耗器件，降低电路的电能耗，在电池容 量固定的情况下增加仪器工作的时间。 除个别特殊的功率驱动电路外，设计中尽可能地采用c m o s 集成电路。 c m o s 集成电路的最大优点就是微功耗( 1 a w ) 。 3 突出仪器的主要功能 仪器功能是指仪器在测量种类、数量、测量范围等方面的多样性，工作 第二章总体设计 的灵活性，对数据的运算、存储、分析、判断以及外设的管理方式等，它是 仪器性能的体现。但多功能势必增加仪器硬、软件的复杂性，降低产品的可 靠性，增加能耗缩短工作时间。这就要求便携式智能仪器不能片面追求多功 能模式。在满足仪器必要功能的基础上，简化电路设计，也是降低仪器功耗、 避免仪器体积过大的有效方法。 4 硬件软化、提高软件处理能力 充分利用软件实现仪器的功能，不仅有利于简化硬件电路，降低仪器功 耗，而且有利于降低仪器的生产成本，简化生产工艺。因此，在便携式智能 仪器单片机存储容量和运行速度许可的前提下，应尽量用软件实现仪器的管 理与信息处理，提高软件处理能力。 5 易操作设计 便携式智能仪器在设计时，应根据仪器的使用环境、使用条件以及操作 人员的素质，充分考虑仪器的易操作设计，实现一键一功能，避免误操作。 例如，使用频率较高的按键应安放在仪器最易操作的位置、电源开关键应远 离数据采集、量程变换、换档开关等功能键。 然而，这样的设计方式与系统集成化、小型化设计相矛盾，过多的按键 不仅增加了硬件接口电路的复杂性，增加仪器体积和电流消耗，而且由于操 作按键过多，使仪器的复杂性提高，现场使用性降低。因此，在仪器设计过 程中应综合考虑各种因素的影响，在系统设计时合理安排操作键的用量，尽 量多地利用软件管理，这样既可简化硬件电路，又可简化仪器操作。 6 可靠性设计 可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成所规定功能的能力。实 践证明，在导致产品不可靠的原因中，设计约占7 0 ，元器件、制造工艺、 环境、使用等其他因素约占3 0 。这表明，提高仪器可靠性的关键在于搞好 第二章总体设计 产品的可靠性设计。同时，便携式智能仪器应根据使用环境的主要干扰源， 采取不同的抗干扰措施，从而提高系统的可靠性。 7 网络化设计 随着医学信息的网络化，需要医学仪器通过接口将医学信息传送到p c 机，通过医院的网络就可以实现对医学信息的分散收集、统一管理、信息共 享，从而提高医院的工作质量和工作效率，这也是当今数字化医院的建设方 向。 2 2 便携式心电信号采集系统的一般功能要求 根据临床应用的要求，心电监护仪一般要完成以下功能： 1 采集功能：采集现场的心电信号，采样频率为2 0 0 h z ； 2 数据存储功能：可根据要求存储正常或异常的心电数据； 3 显示功能：能够显示当前的工作状态，并可动态显示心电图形； 4 通信功能：可以通过通信网络上传心电数据，实现数据的进一步分析、 处理。 5 报警功能：设备故障或运行参数超限时，及时发出警报，并能记录报 警信息，以备查询、回放。 本采集系统的整体设计遵循了上述的原则和要求。 2 3 系统的设计选型 便携式医学仪器与传统医学仪器设计的区别主要表现在：前者高度重视 微型化和低功耗设计，同时强化了操作的易用、便捷( 智能化) 和通信等功 能。因此，在系统选型时，应尽可能地使系统具有安全可靠的性能、较小的 体积、较低的功耗和设计成本、较短的开发周期，并充分利用实验室现有的 第二章总体设计 条件选择合适的开发环境。 2 3 1 单片机最小系统的选型 便携式医学仪器的设计大多采用单片计算机，即微控制器来完成整个系 统的控制、管理功能 4 1 。当前单片机的多功能发展，已经集成了越来越多的 外围电路的功能，如a i d 、d a 、l c d 驱动、r a m 、r o m ( e p r o m 、f l a s h m e m o r y ) 等。 美国模拟器件( a d ) 公司生产的全集成1 2 位数据采集系统芯片a d u c 8 1 2 ， 片内集成了8 路高精度( 1 2 位) a d 转换器、2 路1 2 位d a 转换器、1 6 m 外部 数据存储空间以及可编程的8 位微控制器m c u ( 与8 0 5 1 兼容) ，模拟量采集性 能远优于其他单片机，特别适合类似于心电信号的采集系统。由此可见， a d u c 8 1 2 具有非常丰富的片内资源，在设计时充分利用好这些内部的资源， 就完全可以组成一个完整的可编程数据采集系统，同时可以方便地应用到各 种测量控制系统中。 在存储设计方面，内存选用低功耗静态随机存储器，外存多选用大容量、 掉电后可保存数据的闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) ，这些都是固态、微型 器件。 在外设配置方面，由于受功耗、体积、重量等限制，一般的不配备打印 机、显示器等大型设备。打印功能可由通信接口传输数据至上位机来实现， 数据及状态的显示功能可以选择点阵式液晶显示模块来完成，以达到缩小系 统体积、降低功耗的目标。 2 3 2 系统通信方案的设计 对于有监护功能的便携式医学仪器，需要动态记录各种生理参数，从而 可以诊断疾病、预测病情的发展趋势评价药物的疗效等。与此同时，也使数 第二章总体设计 掘量大大增加，对系统各个功能模块( 尤其是通信接口) ，提出了更高的要求。 一般的，具有对外通信功能的医学仪器采用串行方式( r s 2 3 2 c ) 。加之医学 模式的转变，医院确立了“以患者为中，1 1 , ”的医疗服务模式，同时发展初级 卫生保健、社区医疗、社区护理等体系。这就要求医学设备既能保证与计算 机之间进行高速、有效地通信，又要严格地控制接口的大小和体积。 如果利用传统串口( r s - - 2 3 2 c ) 实现数据交换就受到瓶颈效应的限制， 需要较长的传输时间，数据传输只能排队进入处理，这就不能满足实时数据 传输的要求。 针对传统接口在易用性、易扩展性、速度、成本等方面存在的诸多问题， 新兴的串行通用总线( u s b ) 技术正符合了上述要求。 2 3 3 采用c m o s 集成电路 c m o s 数字集成电路即互补金属一氧化物一半导体集成电路，是一种自2 0 世纪6 0 年代开始出现的器件。 c m o s 数字集成电路的基本单元是反向器【5 j ，它是由一个增强型p 沟道 m o s 场效应管和另一个增强型n 沟道场效应管串接成互补结构组成。 在c m o s 电路的应用中还应注意以下几点： 1 未用引脚的处理： c m o s 电路是电压处理器件，输入电阻很大，因而c m o s 电路的输入引 脚不能悬空。如果输入引脚悬空，在输入引脚上很容易累积电荷，产生较大 的感应电动势。虽然感应电动势一般不会损坏器件( c m o s 电路输入端有保 护电路) ，但会产生天线效应引入干扰并使电路的功耗增大。 2 输入信号的幅度： c m o s 电路输入信号的幅度应保持在供电电压范围之内，否则，很容易 形成较大的漏源电流，造成电路的损坏。 第二章总体设计 3 输出能力： 在由全c m o s 电路组成的低功耗单片机微机系统中，由于是电压信号而 不是电流信号故总线驱动能力可以不必考虑，接口芯片可以直接挂在总线上， 而不必加以总线驱动。 c m o s 数字集成电路除具有极低功耗，还有高噪音容量和较宽的工作电 压范围等优点。c m o s 电路逐渐成为便携式医学仪器设计采用的主要器件。 2 3 4 采用表面安装元件 表面安装技术( s u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y ，s m t ) 是兴起于2 0 世纪 7 0 年代末的一种新型的电子电路装联技术，是一种用表面安装机将各种表面 安装元件( s u r f a c em o u n t i n gc o m p o n e n t ，s m c ) 和表面安装器件( s u r f a c e m o u n t i n gd e v i c e ，s m d ) 贴装在p c b 或其它基板上，使之具有一定电子功能 的封装技术。 经过2 0 余年的发展完善和推广应用，在许多实践领域已部分或乃至完全 取代了传统的穿孔式安装技术( t h r o u g hr o l e m o u n t i n g t e c h n o l o g y , t h t ) 。近年 来，表面封装器件的种类越来越丰富，体积越来越小，功能越来越强大，这 使得便携式医疗仪器的微型化得以快速的发展。 2 4 系统的总体设计 根据上述分析，我们所设计便携式心电监护仪以a d u c 8 1 2 为核心；带 有8 k b 程序空间和4 m b 数据空间；模拟量输入3 路；采用液晶显示，并配 有操作按键，通信接e l 采用通用串行总线( u s b ) 接口。 系统主要包括硬件和软件两大组成部分，现简述如下。 第二_ 璋总体设计 2 4 1系统硬件组成及工作原理 硬件具体设计框图如图2 2 所示 互 已叫亘圃 图2 - 2 系统硬件设计框图 a d u c 8 1 2 是a d 公司生产的内嵌m c u 的八通道1 2 位a d 数据采集系统。 闪速存储器( f l a s hm e m o r - y ) 采用华邦公司生产的w 1 9 b l 3 2 0 s ，其容 量可达4 m b ，只需3 v 供电便可进行读、编程、擦除等操作，而且与c p u 的 接口简单、易于操作。液晶显示模块采用北京青云创新发展有限公司中文液 晶显示模块l c m l 6 0 3 2 z k ，可以实现汉字、a s c i i 码、点阵图形的同屏显示。 用闪速存储器、液晶显示模块和a d u c s l 2 构成的数据采集系统，具有 体积小、功耗低等特点，能够满足设计的基本要求。 2 4 2 系统软件的设计 系统软件的设计包括心电数据的采集，心电波形的实时显示，捕捉异常 心电波形，并发出报警，同时可显示心电记录的趋势图等。为了满足不同的 要求，数据的存储设计为两种模式，一种是全程记录所有采集的心电数据， 另外一种是只记录异常心电数据，对于在设定参考值之内的数据不予记录。 系统软件采用汇编语言编写( 也可以采用c 5 1 编写) ，整体采用模块化 设计，增强了软件的可移植性能。 第三章系统的硬件设计 第三章系统的硬件设计 a d u c 8 1 2 是美国a d 公司推出的以8 0 5 1 单片机为内核的一种高性能8 位 单片机旧1 。它在单个芯片内集成了8 路1 2 位自校准a d c 和两个1 2 位d a c 。 a d u c 8 1 2 内部资源有8 k 字节的闪速电擦除( f l a s h ) 程序存储器、6 4 0 字节的f l a s h 数据存储器以及2 5 6 字节数据s r a m ( 支持可编程) 。另外，m c u 还支持看门狗定时器、电源监视器以及a d cd m a 功能。同时它还为多处理器 接口和i o 扩展提供3 2 条可编程的i o 线、1 2 c 兼容的串行接口、s p i 串行 接口和标准u a r t 串行接口i o 。 ：吝片可用3 v 或5 v 供电，它的m c u 内核和模拟转换器均有正常、空闲以 及掉电工作模式，提供了适合于低功耗应用的灵活的电源管理方案。 由此可见，a d u c 8 1 2 本身就是一个内嵌m c u 的高性能多通道数据采集系 统。由于其内部的数据存储器容量有限，本系统设计中外接一片w 1 9 8 3 2 0 s b t 闪速存储器，其数据容量可达4 m 字节。 3 2 存储器设计 现有的一些心电数据记录仪多以静态r a m 为存储器，但其容量小、价格 高，系统掉电后数据就会丢失，无法满足长时间数据存储与保护的要求。由于 需要动态监测的心电信号数据量大，因此系统的硬件设计中有必要采用合适 的存储器件，使其能满足大容量、掉电保护的要求。 3 2 1a d u c 8 1 2 的存储器结构 a d u c 8 1 2 和其它与8 0 5 1 兼容的单片机一样，程序存储器与数据存储器具 第三章系统的硬件设计 有分开的地址空间。它具有6 4 k b 的程序存储空间和1 6 m b 的数据存储空间。 f i d u c 8 1 2 包含片内闪速存储器技术，为用户提供了2 个闪速电擦除存储 器阵列，以便向用户提供非易失性、在线可重新编程的代码和数据存储器空 间“”“。片内8 k b 闪速电擦除程序空间，使代码的执行变得容易，无需任何 外部分立的r o m 器件。片内还提供6 4 0 b 的闪速电擦除数据存储空间，可由 6 个s f r 构成的组访问，可以被用户用作通用非易失性高速暂存存储器区域。 当片内的存储器不够使用时，还可以扩展外部的存储器。 考虑到本系统的功能要求，扩展了3 2 k b 的外部程序存储空间和4 m b 的外 部数据存储空间。其中，3 2 k b 的外部程序存储空间可由一片2 7 2 5 6 来实现。 将a d u c 8 1 2 的e a 引脚接高电平或低电平，可以选择开始执行程序的起始位置。 当队接高电平时，程序从内部的8 k bf l a s h 程序存储器( 0 0 0 0 h i f f f h ) 地 址为0 0 0 0 h 的地方开始执行，当程序指针超出1 f f f h 时，自动转到外部程序 存储器取指；当e a 接低电平时，程序从外部2 7 2 5 6 中地址为0 0 0 0 h 的地方开 始执行。 系统调试时，在下载模式下，可以使e a 接高电平，将所有软件模块下载 到片内的8 k b 程序存储器中，分别调试完成后，再将整个程序写入到2 7 2 5 6 中，退出下载模式，将e a 接至低电平，使a d u c s l 2 从2 7 2 5 6 中运行整个程序。 3 2 2 闪速存储器技术 闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 是继传统r o m 和e p r o m 之后推出的新型存储 器件，是一种非挥发性存储技术，即掉电后数据信息可以一直保持下去，除 非给它一个大的电压进行擦除“。 自i n t e l1 9 8 8 年推出e t o x ( e p r o m 沟道氧化) 闪速存储器以来，现已发展到 第四代，该系列存储器是一种高密度、真正不挥发的快速读写存储器，并且具 有在线写和擦除、功耗低、体积小、坚固、可靠的特点。因此，闪速存储器 第三章系统的硬件设计 自出现以来发展非常迅速。由于它的独特的物理特性，它的应用范围正在迅 速扩展，尤其适合嵌入式系统、便携式智能电子产品的设计和开发，应用前 景十分广阔。 闪速存储器随着内部晶体管组织的不同和擦除、写入方法的不同，存在 着五种体系结构，即n o r 、n a n d 、a n d 、d i n o r 和t r i p l e p o l y 。 3 2 3 闪速存储芯片w 1 9 b ( l ) 3 2 0 s t b w 1 9 b ( l ) 3 2 0 s t b 是华邦公司生产的3 2 m b i t c m o s 闪速存储器“，为4 m x 8 b i t 或2 m x l 6 b i t ，2 7 3 6 ( 3 0 - 3 6 ) 伏工作电压，具有灵活的可擦除性。 3 2 m b i t 数据被分为8 个8 k b 和6 3 个6 4 k b 的区域。该器件可以在标准 2 7 3 6 v ( 3 o 一3 6 v ) 电源供电下在线编程和擦除。w 1 9 b ( l ) 3 2 0 s t b 的独特的 结构使编程擦除速度很快而同时电流消耗很小( 对比其他同类的3 伏闪存产 品) 。该器件也可以用标准的可编程器进行编程和擦除。其性能指标如下： 块擦除时间：0 7 s e c ( t y p ) 片擦除时间：4 9 s e c ( t y p ) 位编程时间：5 u s ( t y p ) 读访问时间：9 0 n s 标准编程擦除周期：1 0 00 0 0 次 数据保持2 0 年 动态电流( 读) ：l o m h ( t y p ) 5 m i _ l z 静态电流：0 2 u a ( t y p ) w 1 9 8 3 2 0 s b t 的擦除、读、写流程图见附录4 。与a d u c 8 1 2 的接口如图3 - 1 所示。 第三章系统的硬件设计 图3 一lw 1 9 8 3 2 0 s b t 与h i ) u c s l 2 接口电路图 3 3 采集子系统 3 3 1 采集子系统概述 a d u c 8 1 2 中集成的m d 转换模块包含了8 通道1 2 位单电源a d c ，该a o c 采集子系统部分由模拟多路转换器、温度传感器、采样保持电路( t h ) 、基 于电容d a c 的常规逐次逼近转换器、+ 2 5 v 基准源和a d c 校正、控制逻辑组 成。 a d u c 8 1 2 模拟输入端的电压有效输入范围与基准源有关。当采用内部基 准源时，其有效输入范围为o + 2 。5 v ；当采用外部基准源时，外部基准源应 从v r e f 端引入，可在+ 2 3 a v l ) d 引脚电压的范围内。相应的模拟输入端的 电压范围为o v g r e f 。 由于片内基准能够满足高精度、低漂移的要求，并考虑到节约成本，本 系统采用内部2 5 v 电压基准。 本系统a d u c 8 1 2 的时钟频率为1 1 0 5 9 2 z ，c p u 用中断方式管理a d 转 换器。当a d 转换完成时，向c p u 发出中断请求信号，c p u 响应中断后，中 第三章系统的硬件设计 断处理子程序负责将转换的数据读出并将其存储至w 1 9 8 3 2 0 s b t ，相应的 f l a s h 存储器地址也加1 。 3 3 2 采集子系统概述 心电信号的采集就是利用a d u c 8 1 2 内部集成的8 通道1 2 位a d c 构成的采 集予系统，即心电信号经过放大、平移、滤波等处理后直接进入单片机的a d 输入端口，进行模数转换。 1 心电图导联 临床上为了统一和便于比较所获得的心电图波形，对描记的心电图的电 极位置和引线与放大器的联接方式有严格的统规定，这种电极组及其联接 到放大器的方式称为心电图导联或导联 8 1 。现在广泛应用的是标准十二导联， 分别记为l 、i i 、i 、a v r 、a v l 、a v f 、v ；u 。 为了探查心脏某些部位的特殊需要，可采用其它导联方式。一般各种导 联之间并无本质的差别，只是从不同的角度反映了心肌的去极化和复极化过 程。上述导联放置的位置可参考附录1 。 2 前置放大、电平抬高 心电信号经放大后为双极性信号，这时就必须电平抬高，以保证输入电 压在要求的电压范围之内。前置放大器是心电放大的第一级，基于心电信号 的特点，对放大器的选择主要从以下几方面考虑。 1 ) 由于输入的心电信号范围很小( 约l m v ) ，因此前置放大器的内部噪 声应比心电信号微弱，否则心电信号可能被噪声淹没。 2 ) 电极与皮肤之间存在较高的接触电阻，相当增大了信号源的内阻， 所以必须选择高输入阻抗的放大器对信号进行放大，以使心电信号 不被衰减。 3 ) 为了抑制系统外部的电磁干扰，尤其是交流市电5 0 h z 干扰，前置 第三章系统的硬件设计 放大器需要有高抗干扰能力，即高共模抑制比。 4 ) 同时还要求放大部分具有低零点漂移、宽线性工作范围等特性。 放大电路主要由a d 6 2 0 构成，a d 6 2 0 的核心是三运放电路，有较高的共 模抑制比( c r r ) ，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小。h 0 6 2 0 只需外 接个电阻就可以设置1 3 0 0 0 范围的增益，且调节方便。放大电路如图3 - 2 。 图3 2由a d 6 2 0 构成的放大、电平抬高电路 3 干扰抑制电路 系统采用内部基准电压，a d u c 8 1 2 的模拟输入电压范围为o 2 5 v 。同时， 为了使a d 转换更可靠，需要加上干扰抑制电路，图3 - 3 是由模拟开关4 0 5 3 组成抑制肌电干扰及交流5 0 h z 干扰的控制电路。图中，4 0 5 3 的真值表如表 3 一l 所示。 输入状态接通通道 附h a ，b ，cx ，y ， z 0o x 0 ，y 0 ，z 0 o】 x 】，y 1 ，z 1 1x 无 表3 - 14 0 5 3 的真值表 第三章系统的硬件设计 图3 - 3 干扰抑制电路 当控制端没有干扰时，给a 、b 低电平，使) ( 0 与x 导通，y 。与y 导通， 这样经过a d 6 2 0 放大的心电信号便得到输出；当控制器有肌电干扰时，给控 制端a 一个高电平，控制端b 一个低电平，使x 。和x 相通，y 。和y 相通，这 样肌电干扰经过由电阻电容和运放u 9 组成的低通滤波器时被滤掉；当存在交 流干扰时，使控制端a 低电平，控制端b 高电平，使x 。与x 相通，y 与y 相 通，双t 网络接进运放u 9 ，将5 0 h z 干扰波滤去；当两种干扰同时存在时， 同时使控制端a 、b 高电平，这样低通滤波器和双t 网络都被接入，将肌电干 扰和交流干扰滤除。 3 3 3a d u c 8 1 2 的a d c 控制特性 a d u c 8 1 2 的a d c 有3 种工作模式，其中模式一，单步或连续转换模式。 用软件或通过把转换信号加至外部2 3 引脚，可以启动此模式；模式二，定时 采集模式。用定时器2 来产生触发a d 转换的重复信号；模式三，d i a a 模式。 在d m 模式下，a d c 块连续转换并把采样值捕获到r a m ( 可扩展到1 6 m b ) 空 间，而不需要来自m c u 的任何干预，实现了快速a d 转换。 本系统采用模式二，即使用定时器2 的溢出信号作为a d c 转换触发信号， 设置采样频率为2 0 0 1 _ l z ，每隔5 m s 采集一次心电信号，转换之后向c p u 申请 中断，在中断服务程序中进行数据的处理和存储。 第三章系统的硬件设计 a d u c 8 1 2 的a d 转换可由3 个特殊功能寄存器( s f r ) 控制，a d 转换结 果可保存在a d c d a t a b l 二个特殊功能寄存器中，转换数据的低8 位保存在 a d c d a t a l 寄存器中，而高4 位保存在a d c d a t a h 的低4 位中，a d c d a t a h 的高 4 位用来保存采样的通道号。 3 4 人一机交互 在便携式医学仪器的操作过程中，需要配备如触摸键盘、指示灯、显示 屏等单元。本采集系统包括6 个触摸键、一个l e d 指示灯以及一个点阵式液 晶显示模块。 3 4 1 l e d 和键盘 l e d 为高亮度发光二极管，通过驱动加以点亮，用以指示电源的工作状 态。键盘设计为7 个触摸键，除“复位”键( 按下后直接硬件复位) 不需要 键盘管理程序处理，其余6 个键均由键盘管理中断服务程序进行处理。 键盘用8 1 5 5 的一个i 0 口和7 4 l s 3 0 、7 4 h c l 4 进行管理( 图3 - 4 ) 。其中， 只要有一个按键被按下，就会申请中断( i n t l ) 。在中断服