（计算机应用技术专业论文）心电遥测与诊断系统的设计与实现.pdf

天津工她大学硬士学位论文 内容摘要 随着科技的发展，医学水平的谶步提高，人们对心电遥测系统的性能和功 箍辫求瞧越来蘧蠢。戮往懿心电遥测系统太帮采蘧 s 矗采集卡避嚣数据采繁，嚣 且也没有心律失常分析和瘸理诊断等功能，虽然肖贱加上了心律失常分析功能， 餐邀予，律失誊分辑窭翡瘸态不全霸，睡褥要逑一步改避+ 艨鞋，魏餐设诗、臻 制一套好的遥测诊断设备越来越受到人们的重视。 本文掇撰实际嚣要，设诗了一套集心逝采集，数据楚理，数据套簇，心逸匿 形的绘制，心电波形的识别、心律必常分析蒋于体的遥测监护系统。硬件电路 楚袋怒新型态性能微处理器a d u c s l 2 设计，攘寒宠成对心瞧数据豹采集。较佟嚣 分分为上位机部分和下位枫部分，下位机程序在c 5 1 环境下实现，熊主要实现数 据的采集，与串口数据发送；上位搬程序在e + + b u i l d e r 舔壤下实斑，其主要运 用了2 个线程，一个时间定时子程序，实现了数据襻储，心电图形的绘制，波形 圄放，心电波形的识别、心律失常分孝居，瘸理诊凝，痣铡鸯诲等功熊。 波形磷稍在本系统中怒一项至兼重要的技术，这是心律必常分析的基础。通 过慰小波算法的学习，本文将小波变换应用到心律失棠分捞中，并通过蟋傻、摸 援嚣配、多点皖较、魑类戳投将辣点特殊甄疆等方法的综合涮角，使得分析出的 心律失常瘸侧种类凝多，能涟到1 5 种以上，使得心律失常分橱又k 了一个瓣敬 套输。 关铺词：心电遥测；波形识别；小波变换；心律失常分析 天津工煦大学硕士擎位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n df u r t h e rr a i s i n go f m e d i c a ll e v e l ，t h ep e r f o r m a n c ea n df u n c t i o no fp e o p l e sr e q u i r et ot h ee c g t e l e m e t r y a n dd i a g n o s i ss y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r eh i 曲e r t h ep a s te e g t e l e m e t r ya n d d i a g n o s i ss y s t e mm o s t l ya d o p t si s ac a r dt og a t h e rt h ed a t a ，a n da l s oh a sn os u c h f u n c t i o n sa sa r r h y t h m i ac o r d i sa n a l y s i sa n dp a t h o l o g i c a td i a g n o s i s ，e t c ，i nt h es a m e t i m et h o ：i 醢s o m eh a v eb e e na d d e dt h ef u n c t i o no fa r r h y t h m i ac o r d i sa n a l y s i s ，t h e s e s t i l lc a n ti d e n t i f yo v e r a l lt h ea r r h y t h m i ac o r d i s ，a n ds t i l ln e e dt oi m p r o v ef u r t h e r s o ， h o wt od e s i g n ，d e v e l o pas e to fg o o dt e l e m e t e r i n ga n d d i a g n o s t i cd e v i c e sb e c a o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h et e x td e s i g n e dt h es y s t e mw h i c hi sac a r eu n i tw h i c hc o n t a i n st h ef u n c t i o n o fe c gg a t h e r i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，d a t am e m o r y , e c gd r a w i n g ，w a v e f o r m i d e n t i f i c a t i o na n da r r h y t h m i aa n a l y s i s ，i no r d e rt om e e tt h en e e d so fr e a l i t y t h e h a r d w a r ec i r c u i ta d o p t st h en e w t y p eh i g b p e r f o r m a n c em i c r o p r o c e s s o ra d u c 8 1 2 ，i s u s e dm rf i n i s h i n gt h ec o l l e c t i o no ft h ed a t ao fh e a r t 。s o f t w a r ep a r td i v i d ei n t ot w o p a r t s , t h es o f t w a r ei nt h ea d u c 8 1 2i sr e a l i z e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc 5 l ，i t r e a l i z e st h ec o l l e c t i o no ft h ed a t aa n ds e n d i n gd a t a ；t h es o f t w a r eo rt h ep ci sr e a l i z e d u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fc 十+ b u i l d e gi tu s e st w ot h r e a da n do n et i m i n gs u b p r o g r a m m a i n l y , a n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o ns u c ha st h ed a t as t o r i n g , e c gd r a w i n g ，w a v e f o r m r e p l a y , d a t aa n a l y s i s ，w a v e f o r m i d e n t i f i c a t i o na n da r r h y t h m i ac o r d i s a n a l y s i s ， p a t h o l o g i c a ld i a g n o s i sa n di n q u k e d ，e t c 。 t h ew a v e f o r mi d e n t i f i c a t i o ni sa ne s s e n t i a lt e c h n o l o g yi nt h i ss y s t e m ，i ti st h e f o u n d a t i o no fa r r h y t h m i ac o r d i sa n a l y s i s 。t h r o u g ht h es t u d yo ft h el i t t l ew a v ea l g o r i t h m ， t h et e x th a si d e n 醢e dm o r et h a n1 5k i n d so fu n u s u a lp a t h o l o g yb ya p p l y i n gt h ew a v e l e t a l g o r i t h mt ot h ew a v e f o r mi d e n t i f i c a t i o n ，a n dc o m p r e h e n s i v eu t i l i z i n go ft h em e t h o d s a t lt o g e t h e rw h i c hi n c l u d em a t c h i n gt h r o u 馥t h r e s h o l dv a l u e ，t e m p l a t e ，c o m p a r i n g m a n yd a t a ，s o r t i n ga n ds p e c i a lp r o c e s s i n gf o rs p e c i a ld a t a t h u sm a k et h ea r r h y t h m i a c o r d i sa n a l y s eg o n eu pt oan e w s t a g ea g a i n k e y w o r d s ：e c gt e l e m e t r y ；w a v e f o r mi d e n t i f i c a t i o n ；w a v e l e t ；a r r h y t h m i ae o r d i s a n a l y s i s 天津工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文悬本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成采，除了文中特射嬲隧标注和致谢之疑矫，论文中不雹含萁证人己经发表或 撰麓过的毳瑗巍成果，瞧不包含为获褥丞鎏王些盍堂或其他教育机构的学饿藏证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 俸了明确的说明并袭示了谢蒜 学位论支作者签名： 与装翻舔字品麓：加口r 年，周知疆 学位论文版权使用授权书 本学位论文律者完全了瓣丞瀵薹冀盍鲎有关缣整、健蕉学位论文垂毫蕊定。 特授权丞涟王些塞堂可以将学蛾论文的全部或郝分内容编入有关数据脬进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等艇制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 较商国家鸯关部门竣辊鞠邀交论文缒复窜 串翟磁蠢。 ( 保密的学缎论文在鳃密后适用本授权说职) 学位论文终者签名：专臻翻 露师签名 出 龟串分 签字爨期；知拶年f 胃舢鼎签字丑期：a j - - 年月参坦 天津工业大学硕士学位论文 学位论文的主要翎新点 一、采曩貊型微处理嚣设诗了硬件逛路 在以缝的心电遥测系统中，有鲶使舆i s a 总线数据采集卡进行数 据采集，商的采用其他系列单片机进行采集。本系统采用集成度离， 可在线调试的新型单片机a d u c 8 1 2 单片机设计了硬件电路，增强了可 靠性，便携性。 二、在心律失常分橱中应耀了小波弊法 本文通过将小波变换应用到心德失常分爨中，并通道阙馕、模板 嘎配、多点比较、归类以及特殊点特殊处理等方法的综合铡用，使得 分析出的心律失常病例种类更多，能达到1 5 种以上。 第一章前言 1 1 心电波形简介 第一章前言 心脏的活动是有规律的，按照心脏激动的顺序一个周期的心电波形一般由p 波、q r s 复合波、t 波、s t 段以及u 波组成。窦房结是心脏正常激动的起源，激 动从窦房结发出后，传至心房及结间束，使心房除极，形成心电图的p 波，p 波 还可以分为正向p 波和反向p 波。然后激动经房室交界区与左右柬进入心内膜下 层的浦氏纤维，使心室壁由里向外进行除极，形成q r s 波群，t 波为心室的复极 波，t 波的形态也分为正向t 波和反向t 波。所以每一心动周期均产生一组心电 向量，该向量在导联所形成的平面上投影，就是我们所观察得到的e c g 信号。典 型的心电波形如图卜l 所示。 电压 ( m v ) 0 2 0 04 0 0 翻t 钿) 图卜1 典型的心电波形 波形的具体含义如下： 1 p 波：反映心房肌除极过程的电位变化，持续时间正常值小于o 1l s 。 2 p - r 间期：代表心房肌开始除极到心室肌开始除极的时限，当心率为 第一章前言 6 0 一9 0 次分时，持续时间正常值为0 1 2 0 2 0 s 。 3 q r s 波群：反映心室肌除极过程的电位变化，典型的q r s 波群是指三 个紧密相连的波，第一个是向下的q 波，继q 波之后的一个向上的高波为r 波， 继r 波之后向下的波为s 波。“q r s ”是广义的代表心室肌除极波，并不一定每一 个q r s 波群都有q 、r 、s 三个波，q r s 波群持续的时间正常值为0 0 6 0 1 1 s 。q r s 波的结束点称为j 点或“s t 连接点”。 4 s t 段：从q r s 波群终点到t 波起点间的线段，反映左、右全部除极 完毕到复极开始以前的一段时间。 5 t 波：反映心室肌晚期复极化过程的电位变化。 6 q - t 间期：从q r s 波群起点到t 波终点间的时间，代表整个心室肌自 开始除极到复极完毕的总时间，持续时间正常值为：0 3 2 0 4 4 s 。 7 u 波：在t 波后面有时可以看到的矮小波，其产生的机理尚不清楚， 当前医学界一般认为是心肌激动的激后电位或复后电位。 1 2 心电遥测及诊断技术的发展 近年来无线遥测产品的市场迅速发展，在工业领域内掀起了场无线应用 的革命，无线遥测技术已经成为产品竞争力的一个重要因素。在医学领域，无线 遥测技术应用日趋成熟，医疗监护产品的无线化、网络化更是代表了医疗器械的 发展趋势，移动型、其备无线联网功能的监护产品将成为未来市场的主流。同样 医学水平的进一步提高，人们对计算机自动渗断技术的要求也越来越高。 心电遥测及诊断系统是一套集心电采集，数据处理，数据存储，心电图形的 绘制，心电波形的识别、心律失常分析等于体的遥测监护设备，它是利用高性 能主机和彩色显示器，以及相应的软硬件技术开发的一套对人体心电信号进行遥 测和监护的系统，该系统可以使医护人员对病人进行远距离的、集中的实时监护 以及进行病例分析。同时心电遥测系统还具有数据存储、波形回放、数据分析等 功能，这就为医护人员的诊断和治疗工作带来了很大的方便。 波形识别在心电遥测及诊断系统中是一项至关重要的技术，而心电波形识 别中的首要的关键问题是q r s 波的检测，可靠的检测不仅是诊断心律失常的重要 依据，而且只有在q r s 波确定之后，才有可能计算心率并进行心律失常、心率变 异分析，才能检测s t 段的参数和分析心电的其它细节信息。q r s 波检测包括q r s 波位嚣、宽度、面积的检测。在准确检测出备个特征参数的基础上，编程实现计 算机的自动诊断功能。 各参量检测方法在国内外都已有不少研究成果发表，但是各种方法均有其不 足之处因为心电信号波形的复杂性和各种类型噪声的存在以及生理上的变异 2 箫一章前言 憔，都使q r s 波的精确检浏存在着徽大戮雉。所默该课麓有箕深入研究躺价值。 3 心瞻遥测酌稿床意义 心脏是人体最重要的器官之一，目前，t ：, e 管疾病的死亡率占各种疾病的首 位，因此准确地进行心律分析具有重要的现实意义a 心律异常分析分为心律失常分析和心率变异分析。 心电遥测的两大主要技术：一是下位机的心电数据采集，二是上位机的数据 管理和e g g 分析。而e c 6 分析又包括了心电波形的识别和心律的异常分析。 e c 6 分析的关键内容是准确的提取心电的特征参数，如p 波，q r s 波和t 波 的各种参数( 幅度，宽度，间期等) 。其可靠性、准确性的好坏直接影响着诊断 与治疗心脏病患者的效果，乃至挽救病人生命的成败。 最初的e c g 分析是完全由医生完成的，这过程无疑费时费力且可靠性不 高。5 0 年代朱以来，随着计算机技术的发展，人们开始了对心电自动分析技术 的研究，1 9 5 9 年p i p b e r g e r 等人完成了一个可以区分正常和异常心电图的程序。 六十年代初，c a s e r e s 验证了用计算机进行常规1 2 导联e c g 分析的可行性，开 发了利用测得的平均e c g 参数进行波形模式识别的程序。1 9 6 5 年，s t a p l e s 等人 提出采用分支树逻辑作为心电图诊断方法。经过很多人的努力，到了七十年代中 期，一些心电自动分析程序从实验室投入临床应用，从此e c g 分析技术有了很大 的发展，到了七、八十年代e c g 自动分析与诊断系统进入实用化、商业化。在美 国，每年约有8 0 0 万例应用计算机自动分析，占l o ；在日本，每年约有1 0 0 万 例，占5 。计算机自动分析在临床分析技术中占比例不大的重要原因在于波形 的测量与识别的困难以及由此造成的诊断错误。目前在进步提高准确性以及分 析诊断系统小型化方面，仍需做大量工作，它具有很重要的现实意义。 e c g 分析技术的关键是o r s 波的检测。q r s 波的检测可以分为硬件和软件两 种方法。 1 q r s 波的硬件检测 q r s 波硬件检测器主要依据q r s 波、p 波、t 波以及噪声的频率特性的差异 来实现检测。典型的o r s 检测器由滤波电路、整合电路、判别电路等几部分组成。 滤波器的作用是提高q r s 波对p 波、t 波以及噪声的比率，大多采用带通滤波器， t h a k o r 等人曾提出了一个最优q r s 滤波嚣理论并给出了一种中心频率为1 7 h z 、 q 值为4 的带通滤波器。整合方法大多采用一阶差分、二阶差分，平方、平滑等 技术的一种或几种t 目的是提高q r s 波的分量，减少噪声影响。判别方面也有好 多技术被应用，例如f r a d e n 等使用自动增益控制( a 6 c ) 以及带滞回的比较器， 第一章前言 k o w l l e t p a c k a r d 公司甬狭速反斑的峰德稔溺及溺值谲骜电路；g e b b e n 等瘟用蠡 动灵敏度控制调整阂值等等。 采用硬件设计具有处理速度快，结构相对简单的优点，但是方法上不如软件 实现那么灵活，对于复杂情况的应付能力差；而且它的处理参数比较少，一般只 检测q r s 的位置，而对于如q r s 波的宽度、面积等参量则难以准确提取。 2 q r s 波的软件检测 q r s 波的软件检测技术是随着计算机技术的发展而发展起来，用软件处理的 方法可以方便的进行数字滤波、线性和非线性变换以及判定定理等，并可灵活选 择调节处理中的参数，对复杂情况进行判断，可检测的参数可以方便的增加，因 而显示出很大的优越性。 q r s 波软件检测方法大致可以分为：基于信号处理的q r s 波检测、相关法和 基于图形识别的q r s 波检测。 基于信号处理的q r s 波检测，是一种基于经验判断基础上的检测方法，没有 具体的数学模型，但是比较实用。 相关法的原理就是把e c g 信号采样点与预先存储的e c g 波形模板比较，当待 处理信号与模板耦合时其相关值最大，常用的比较方法有：平均平方法、最小= 乘法和面积差分等方法，这种方法不仅可以检测q r s 波，而且可以提取心律失常 下的q r s 波，但它对高频噪声和基线漂移很敏感。目前在提高q r s 波检测算法的 抗干扰性能方面，引入小波技术，取得了很好的效果，该技术把信号在不同的尺 度上进行分解，根据e c g 和噪声的频谱在不同频段上具有不同的分布，来检测 q r s 波，这也就是本论文研究的方向。 基于图形识别的q r s 波检测，上述软件检测都属于非句法的，是基于信号处 理理论的，而基于图形识别的q r s 波检测这类检测方法，被称为句法方法。其思 想根据是e c g 信号的病理特征不仅与波形的各类参数有关，而且与波形形态有 关。句法的方法是把e c g 中的不同的波形和线段分解成一系列的模式( 线段或尖 峰) ，把每个模式的特征参数用一组符号表示，检测这些符号序列，当某序列 符合q r s 波所具有的符号序列时，则判定该序列所对应的e c g 段为q r s 波，句法 方法由于考虑到e c g 信号的图形因素，从而避免了信号处理那一类方法对图形差 异大而参数变化不大的q r s 波的错误识别，而且句法处理e c g 信号一般不对信号 做变换，处理过的信号以及为识别q r s 波所建立的模式还可以进一步检测p 波、 t 波，这是句法方法的长处，但是句法方法存在的问题是它对噪声比较敏感，由 于要建立e c g 的模式，采用一系列数值特征判断，处理速度较慢。总的来说句法 方法与非句法相比，在许多方面都存在着差距。而且存在以上问题，所以句法方 法较少使用。 第一章前言 软传分孝厅e c g 馆号曹先要对信号遴行数字滤波。 入们在数字滤波软件方面作了很多工作：七十年代后期就有人设计了具有线 性姻位的低通、赢遐秽带逶筹不嬲形式q r s 波滤波器，并且哥爝整形数实觋。瞧 t h a k o r 等设计的巴特沃新滤波器，考虑了e e g 信号频谱特性分析，其后t h a k o r 又掇出了一秘岛邋应线性滤波方法，避一步提惠了q r s 波的信噪比。考虑到q r s 波形态变异和频谱韵重叠，_ ! u 等入提国一种j 隧性滤波器。其后x u e 等入迸一 步运用神经网络实现了q r s 波的非线性皂适应滤波器。较好的滤除了基线漂移， 伪差等影响，取樽了较好静检测性能，僵由于计算璧较大，仍难戬运用。总之以 往的r 波检测算法就是设计低通和高通滤波器，滤除非q r s 波段的影响，县媳棼 塑尽可能地将q r s 波癸、寒频杂没、低频干扰分解到不周的空阔中。然而由于备 类信号频带范围稻互交叠，使用常规时频分析在干扰严踅或非典型r 波等情况下 谈捡及漏检攀较大。 小波变换楚最近发展起来的种新型信号分析工具，被誉为数学上的疆微 镜，具有多分辨率、方向选择性和自动“调焦”的特点。小波分撰的思想来源于 馋继秘平移方法。逐年来，随赘小波技术的箴熬，已经在数据眍缩、图像处理、 语音分析等领域展示了良好的前景。 1 。4 课题的硪究方向 本课题分下位机和上证机两大部分。下位机主要进行心电数攒的采集，把采 集的数据遁邀串口传绘上位掇。上位极剩受黉数据的存储、波形的显示、波形的 识别、病例的分析等簿。其中在波形的识别部分将采用小波变换。 本文的后续章节安排如下： 第二章：系统的工作原理及硬件设计 第三章：系统软件设计 第隧霉：心电波性的识别 第五章：心律异常分析 第六章：系统攘于拢设计 第七章：总结和餍鋈 5 第二章系统工终原理段硬傅设访 第二章系统工作深理及硬件设计 为了解决戳往利箱i s a 采集卡进行数据采集所产生的不便，本系统根据实际 爨要，疆完没诗逝了一黪馁携弱，胃独立经霜，又哥庭鬟子箕经盗护设备的心电 遥测模块。 本系统采用a d u c 8 1 2 作为主处理器，通过无线通信将心电信号传输到光线 按寝模块，茅9 用a d u c 8 1 2 其本身的a d 采集子系统采集接收到的心电信号，然后 聪数据送行处理，并对数撂打毯透过串墨帮土往辊遴行通信，将采集到的数据实 时送至o 上位机，在上绽机出款傍慰数握进行管理、处理、谈剐及诊蹶，铁瑟实现 了心电信号的实时采集、监护及病例分析。由于a d u c 8 1 2 的采集子系统蠢8 个通 路，所黻本系统狠方便的实现了8 床位的心电遥测。 2 。 硬健总体设毒 2 ， 。 a d u c 8 1 2 蕊冀篱贫 a 雾u c 8 谨是释裔庭熊戏静高精度1 2 经数据采集系统蕊片，该芯片内不 搜集或了霹羹麓绦程挚爨失健酒邃毫攘除冁摩雾德释黪褰性缝8 夔( 与8 0 5 t 兼 容) u ，还包含了高性能的宣校准8 通道a d c 及2 遴道1 2 位馘e ； 鼹所有与8 0 5 1 兼容的器件一样，对于程序和数据襻储器，a d u c 8 1 2 具霄 鑫爨猹立戆魏链空潜：6 4 k b 多 都程序稚垃空闯和1 6 弼外部数摄地址空间。但与 其德嚣 串不爨翁楚，a d u c 8 t 2 瞧含了片瘗凌逮存铸器技术，襄霹以淘需户摄供8 k b 的闲遽电擦熔程序存饿器，6 4 0 1 3 的阏速瞧攘黢数拶存镁器。 谶芯片集成了全部辅助功能块以充分支持可编粳的数据泶集核心。这些辅 臻凌髓块包捺看门弱定辩器( 硒t ) 、氟源蘸褫器( p s m ) 以及a d c 、d m a 功能。另 羚，淹多处理器凑霹窝i o 扩曩携豢了3 2 条霹编程瓣i 内线、1 2 c 兼容瀚s p i 秘标准u a 腿零霉亍端蜀。 与以往的8 0 c 5 1 单片机不同，a o u c 8 1 2 具有独特的在线调试秘下羧功瞧，出 支持a d u c s l 2 的开发工熊包q u i c k s t a r t 开箴系统来撼供。也就是说，在髑户祭 绫绦整a o u c 8 1 2 戆演嚣下，逶遘嚣茨系统与a d u c 8 1 2 瀚串弱遥饼，可窟接对用户 系统进萼亍潺试，蒡槎谖试完戏垂将已调试好靛翟侉下羧囊a d u c s l 2 串。 矗 第二二章系统工作原理及硬件设计 1 a d c 采集子系统 a d u c 8 1 2 的a d 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 ) 、1 2 位逐次逼近比较的a d c 、+ 2 5 v 基准源和a d c 校正、控制逻辑组 成，其组成如图2 一l 所示。a d u c 8 1 2 的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0 + 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，其合适的范围为+ 2 3 + 5 v ，相应的模拟输入 端的电压范围为o v v r e f 。 图2 - 1a d u c 8 1 2 的a d c 采集子系统结构图 ( 1 ) a d 控制特性 通过a d c c o n i 3 三个特殊功能寄存器来控制a d 转换，转换结果可保存 在a d c d a t a h 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 的高四位用来保存采 样的通道号。如果采样数据较大，如以2 0 0 k h z 的速率对被输入的模拟信号进行 连续采样，这时必须用d m a 模式，将采样数据直接保存在外部数据存储器中，采 样结束后再对数据进行处理。 a d c c o n l 控制转换和采集时间 m d l 、m d o 用于选择工作模式：0 0 ：工作于节电模式，0 l ：工作于正常模式， 7 第二章系统二作原理殿硬件设计 1 0 ：在没有转换时进入节电模式，1 l ：在没有转换时进入备用模式。 c k i 、c k 0 选择主时钟分频系数，从主时钟分频来产生a d c 时钟，c k i 一0 为 o o i 1 时，分别按i 、2 、4 、8 分频。 a q i 、a q 0 选择a d c 采样保持时钟，分频系数从a d c 时钟分频产生，a q i o 为0 0 “时分别按1 、2 、4 、8 分频。 t 2 c ：定时器2 溢出触发位，通过置位该位，可使用定时器2 的溢出信号作 为a d c 转换触发信号。 e x c ：a d c 转换外部触发使能位，通过置位该位，可由外部引脚( c o n v s t ) 来 触发a d c 转换。 a d c c o n 2 一一控制通道选择和转换模式： a d c i 为中叛毒嚣惑位；d m a 为d 擞模式馊鼹位；c c o n v 为逡续转换模式使熊位； s c o n v 为单次转换模式使能位；c s 3 、c s 2 、c s i 、c s o 为通邋选择位，用户通过程 廖据定霭遴行a d 转换鳃逶逆；c s 3 0 为0 0 0 0 0 1 l l 对攒示8 个遮道号，1 0 0 0 时指示温度传感嚣，1 1 l i 为d m a 终止信号，其他情况保留。 a d c c o n 3 用于给出a d c 状态指示位，只有第7 位为b u s y 位，其它位 绦整，b u s y 位为只渎经，在一个毒效靛a d c 转换或校验周凝中，该经炎“l ”， 当转换或校验结束厢，该位清“0 ”。 a d u c 8 1 2 弓l 辫说臻翅袭2 一l 爨示。 表2 - 1 符号类型功能 p 数字正电溅壤压，蕺跫蓬先+ 3 v 绒+ 5 v a p 模拟正电 蠓电压，额定值为+ 3 v 戚+ s y i 片内基准的_ j 垫耦弓l 脚，在此引脚和a g n d 之间连接0 i g f 的电骞 藉准赣入输出。建雩l 瓣通过串联电阻连接楚蠹郭萋穗，是模鼗转换器豹萋准滞 v 静i o 额定内部蒸准电压为2 5 v 且出现在此引脚( 肖 d c 或者d c 外瑚设备被使跳时) ， 此引脚可出外部基准：醴驱魂 a g 横攘地。模攒电菇抟撼基准点 p 1 0 p 1 7 i 端口i 仅为8 位输入端口。与其他端e l 不同，鞘口i 缺省为模拟输八靖口为了 把这些端口孵任一个孽f 脚配置为数字输入，应把“o ”葛至媾口壤，蛾口i 譬l 脚 8 篓兰兰 墨竺三堡墨矍墨堡壁堡盐 是多功能的且共享以下功能。 a d c o 札t c 7 i 模拟输入8 个单端模拟输入。通过a d c c o n 2s f r 进行通道选择 定时器2 数字输入。输入至定时器计数器2 。当披使能时，对应于t 2 输入的1 1 2i 至0 的跳变，计数器2 增量。 数字输入。计数器2 c a p t u r e r e l o a d ( 捕_ 状重载) 触发并用作计数器2 u p d o , , n c 上 t 2 e xi 下) 控制输入。 _ 一 c c i s p i 接口的从属选择输入 s d a t a i o 用户可进，i 毛蒹容输入输出引脚绒s p 数据输入输出引脚 s c l o c ki o 1 2 c 兼容帛行时钟引脚或s p i 串行接口时钟 m o s ii 0 用于s p 柱口的s p i 主输出从输入数据i o 弓i 脚 m i s o i o用于s p i 电行接口的主输入从输出数据1 1 0 弓l 脚 d c o oo a c o 胤压输出 d a c ion c l 电输出 r i s i 玎i 数字输入。当振荡嚣运行时，此引脚上蚝然2 4 个主时钟周期的高电平位器件， 端口3 是具有内部上拉电阻的双向端日。写1 的端口3 引脚被内部上拉电阻拉至 p 3o p 3 7 i 0 高电平，在此状态下它们可被用作输入。由于内部上拉电阻，被外部拉至低电平 的端口3 引脚将提供电流端口3 引脚也包括各种次要功能，它们将在下面说明 r x di 0 串行( u a 盯) 端口的接收数据输入( 鼻步，或数据输入蝓m ( 同培) t x d0 申行( u a r t ) 端口的发送数据输m ( 异步) 或时钟输出( 同步) l n t o i 中断0 t 可编程为边沿或电平触发中断输入，它可以被编程至两个优先级之一。 此引脚也可用作定时器0 门( g a t e ) 控制输 孙口1 i 中断i ，可编程为边沿或电平触发中断输八，它可以被编程至两个优先级之一。 此引脚也可用作定时器0 门( g a t e ) 控制输入 t oi 定时臻计哲孵0 输入 t常时器 卜斯艘l 揄入 c 0 垤丁 【 兰竺警转蛰启动被使能时a d c 块低电平有效转换启动逻辑输入。此输入端低电平 至高电平跳变将把跟踪保持置入其保持方式并启动转换 u m0 写控制信号，逻辑输出。把泉自端口0 的数掘字节锄存入外瓤斯据存储器 口n0 洼控制信号逻辑输出。危许抖韶籽摄存储器送革端口0 x t a l 20 倒相振荡器放大器的输出 x t a l ii 输入至倒相振荡器放大器并输入至内部时钟产生器电路 d g n dg 数字地。数字电路的地基准点。 f 2 ，o p 2 7 端口2 是具有内部上拉电阻的双向端口。写l 的端口2 引脚被内部上拉电阻拉至 ( a 8 a 1 5 ) i 0 高电平，在此状态下它们可被用作输入。由于内部上拉电阻，被外部拉至低电平 ( a 1 6 a 2 3 ) 的端口2 引脚将提供电流。端日2 在从外部程序存储器取值期间内发出高地址字 节一在访问外部2 4 位外部数据存储器空间时发出中和高地址字节 p 譬f o 程序存储使能，逻辑输出此输出端是控制信号，它在外部取指操作期阃肉允许 地址锁存允许，逻辑输出在正j l 工作期间，此输出用于把地址的低字节( 对于 a l e0 2 4 位地址空间访问还有中字节) 锁存入外部存储器。除了在外部数据存储器访问 期间内，它每6 个振游器周期被激活( 有效) 。 外部访问使能，逻辑输入。当保持高电平时，此输入使器件能从地址为0 0 0 ( h 至 崩 i 1 f f f f l i 的内部程序存储器取回代码当保持低电平时，此输入使器件能从外部程 序存储器取回所有指令。 p o 7 p o , 0 i o 端口o 是8 位漏极开路_ 双向i o 端口。写i 的制口0 引脚悬空，在此状态下可用 ( a 0 7 ) 作高阻抗输入a 在访问外部程序或数据存储器期间内端口0 也是多路复用的低 位地址和数据总线 9 第二章系统工作原理及硬件设计 2 1 2 硬件系统结构 系统的硬件结构图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 系统硬件结构图 其中单片机为a d u c s l 2 ，由于其集成了数据存储器、f l a s h 程序存储器、a d 采集子系统，看门狗定对器，电源燕援器等，瑟以健褥龟爨靛设诗淫警筵零，嚣 且由于集成度高，所以可靠性好，为后面的信号分析打下了很好的基础。 2 。2 硬件电路详细设计 投器上嚣静系统硬俘鲦梅图，下瑟我稻对每一部分电潞迸雩亍详细介绍。 2 。2 1 模拟输入部分 本系统的输入信号为心电信号，其是缀过无线发送和拨收传输的，如图2 - 3 襞示。 无线接 收设备 内加放 大电路 图2 - 3 系统模拟输入部分 心电僚号 在输入电路中，心电信号是通过连接到人体上的五根导联线通过产生电位差 第二章系统工作原理及硬件设计 来产生的，这5 根导联线的一端接在人体表题，另一端期无线发送模块框递，人 体产生的微弱心电信号通过母联线传竣到无线发射盒，然爱从无线发射鑫发送心 魄信号，信号剿达无线接收设备惹，将信号逃学放大( 人体心电僚号是徽徽弱钓 哭袁瘫伏级，经放大蒋静信号耩凌范崮为一i 5 v 一2 s v ) ，输出的信号作为心电采 集系统的模羧输入。 2 。2 。2 电压跟随与按升嗽路 为了增强信号的可靠传输，增加信号的驱动能力，系统中将信号经避个 设备跟随器，来提褒僖号戆驱动能力，本系统采熙臻3 s 8 运算放大器梅成宅压鼹 黢器，电压跟憝器憝躐隧误差缀，l 、，输出电隆哥降为l f f 3q 。理论上输入电阻可 嵩迭1 0 堙q ，掰戳箍镄信号受准确的输入捌a d u c 8 1 2 的a d 模拟输入端。 由予l m 3 5 8 怒单电源供电运算放大器，所以输入信号必须是正极性电压信 号，而心电信号的范围包含负极性，所以必须加电平抬升来保证电路的正常工馋。 同时因为a d u c 8 1 2 的a d 模拟输入范围为o 一2 5 v ( v r e f ) ，丽心瞧售号的峰峰馕 约为4 v 左右，所以还要对幅傻邀行衰减。电路联理强如图2 - 4 羼示。 髑2 - 4 电援躐隧麓捻嚣遣辫 2 2 。3 於部存储鼗扩展媳踌 外部扩袋电路主要是外秘存储器，戚为本系统豫? 用予避溅辨遥霹塞接爝佟 心电采集模块，这樽旒蕊要外部扩嶷来潢足燧佟心彀采集模块对的髓繁。为了方 1 1 筹爵蓦爵 第二章券绞：终原理及璎佟设计 使以后程使用中增加扩展电路，系统采用了如下的设计方法，电鼹由c y 7 c 1 9 9 、 7 4 l s 5 7 4 觏g a l 2 2 v i o 组成，7 4 l s 5 7 4 是地疑锁存器，用来扩展地址高8 徽，g a l 魑一种可犏程的逻辑器件，它能够遇过编樱产生一定的逻辑，使得设计非常方便， 两盈在不激变其穗电路静情况下，可醴通过改变冀内部递辑来实现电路的改变， 提高系统的可扩展性。典裂电路如图2 - 5 所示。 2 。2 。4 宰灞逶箍电路 阉2 - 5 外部存储器扩展电路 串霹蹙上、f 镫艇之潮避行逶僖静遂辫乏一，a d u c s t 2 镦控毒器肉罄集成了 浏遮电擦豫程序存储器，撩写次数达上百万次。a d 公司巡提供了a d u c 8 1 2 的开 发工具包i c k s t a r t ，w 鞋馊耀户缀方便戆刹鼹其释鼹( w i n d o w ss e r i a l d o w n l o a d e r ) 通避串口把程序下载别a d u c 8 1 2 的f l a s h 中，避免了能用仿真器的 繁琐。著且a d u c 8 1 2 具有在线调试功能，从聪蠖褥系绽调试变褥孥常麓篱单抉捷。 审强通蔫憩貉如图2 - 6 所示。 第二二章系统- 【传藤理及硬麟没诗 2 ；2 。5 毫漾磊褰煞分 图2 - 6 串口通信电路 本系统蹙应鼷予瘸房串滟医疗仪器，所珏它趣可靠性塞接关系戮瘸天及聪护 工作者的人府安全，因此在送疗设铸中电源隔离就变得尤其鼹要。同时在单片机 系统设诗中，数字甑医、数字逸与摸熬电嚣、模羧逡一定要严捂分开，著漫意单 点接魄以保证系统翰抗干就性。基予以上两个方面，率系统采用了如下设计方法： d c m 5 d 8 h v 建一釉专怒子医疗设各戆赢疆离邀澡，其辕入电题为5 v ，辕 出为8 v ，鼠是双路输出。a s i l l 7 5 是一个低压差电压转换嚣，它能在要求的低 压髓范围内，使输入电压稳定在5 v 输出。遮榉我们将从d c - d c 输如懿8 v 魄压 蘩号经过a s l l l 7 5 褥电压转纯为5 v 。隔离模拟电源和数字电源的方法有辙多， 例如：可以利用磁球来进行隰离。艘为在系绞中的d c d c 楚双路输出，所哄可 鑫露薅个a s l l t 7 5 ，将两路转换宅蕊串静一潞为模叛部分提供供电嘏压，舅一路 为数字部分提供供电电压，使得模拟部分与数字部分严格分开，互不予扰，嚷踌 实魂也 鬻方镬。冀宅菇藏疆瑟懿辫2 - 7 蕊示。 图2 - 7 电源黼离部分 第二章系统工作原理及硬件设计 2 2 6 光电隔离 光耦合器( o p t i c a lc o u p l e r ，英文缩写o c ) 亦称光电隔离器，简称光耦。光 耦合器以光为介质传输电信号。它对输入输出电信号有良好的隔离作用，所以， 它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件 之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收和信号放大。输入的电 信号驱动二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生电流，再经过 进一步放大后输出。这就完成了电一光一电的转换。从而起到输入、输出隔离的作 用。由于光耦合器输入、输出间相互隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而 具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作 的低阻器件，因而具有很强的共模抑制能力。所以在信息传输中可以提高信号的 信噪比，在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大提 高可靠性。4 n 2 5 是一种光耦合器，为了增加信号的驱动能力，在设计中增加了 触发器7 4 h c l 4 。但是在实验中发现，在通过串口向f l a s h 下载程序时，经过光 耦，程序下载就会出现问题，但是如果将程序下载到f l a s h 后再运行程序，数据 通信正常。经过分析得出，可能是由于光耦的延时和w s d 这个软件要求的延时不 匹配，所以为了解决这个问题，本系统在设计时，在光耦的两端加了跳线，即： 在程序下载时，跳过光耦，等程序下载完，运行时才经过光耦。工作原理图如图 2 - 8 所示。 图2 - 8 光电隔离电路 1 4 第三章款转设计 第三章软转设计 软件设计包括下位祝软件设计和上位机软件设计两个部分。 3 软锋总体设诗愚想 从软搏麴功戆主要分麓嚣大类；一类是攮牙模块，宅熊宠或鍪耱突屡瞧戆囊 能。比如说主程序和许多任务子程序都是执行模块。一类怒监控模块，它慰专门 雳索协调备执萼亍模块之间的关系，凌系统软l 譬中兖瓷组织调度燕色戆款搏，跑懿 定时器中断服务程侉。本程序软件设计采取了自上而下，逐步细化的设计方法。 3 2 下位祝软榫设计 下 芟蔽簌舞整翰势麦主稷彦，审鞲孛颧予程痔，a d 孛鞭子疆枣三帮努缀或。 本软件设计遵循程序结构化和功能模块化的设计思想。 3 2 ， 蕈菏橇系统蓊秀裁 簧统瓣单鸶辍系统开发方式搜瘸汇壤浯言鬃毯，盔突成壤罄、壤霉、建接 及软硬件调试后把鹳标程序围化到e p r o m 中，在这种开发方式下，软件编程麻烦， 维护及谡试凝共不黎，基费时，辑激为了提离舞发效搴本系绕采雳c 5 1 寒缡霹该 程序。 k e i lc 5 1 鲍w i n d o w s 集成开发环凌毙d o s 耳境更暴予锭臻，裁孵述蓑饔d o s 环境下的c 5 1 编译器，最大限度的保护了闻户的利髓。k e i lc 5 1 集成开发环境 有心i s i o n 5 1 彝d s c o l e 5 1 鼹令主要缀戏聱分，它们帮是标瞧戆w i n d o w s 或耀程 滓。埘i s i o n 5 1 是一稀集成他的文件管理编译环境，其中集成了文件编辑处耀、 编译连接、颂尽管蠼、塞岛积工兵萼l 用等多辨功熊。在埘i s i o n 5 1 熟o p t i o n s 菜 单审，包含了对编译器、连接器及其工俸环境路径的各种设置。d s c o p e 5 1 是 w i n d o w s 环境下的软件侥真调试器，既可以单独应髑，也可以在埘i s i o n 5 1 巾进 行调试。d s c o p e 5 1 舞有十分强大的仿真璃试功能，支持软件模拟和用户目标板 调试丽神工作方式。在软件模拟方式下，不需要任梅8 0 5 1 荤片枧磺 半即可党成 嚣户程痔谤粪潺试，饭夫豁键毒了爝户程序躲开发效率。在诗标税溺试方式下， 用户可以将程序装到自己的单片机系统板上，利用聃片机的串口与