（检测技术与自动化装置专业论文）基于c8051f320的便携式心电监护仪设计.pdf

基于c 8 0 51 f 3 2 0 的便携式心电监护仪设计 摘要 动态心电监护仪( 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，捕捉到初期的潜在的心脏疾病的心电信号，使心脏病的早期诊断成 为可能。针对现有的h o l t c r 产品在实际应用中的局限性，本论文尝试采用目前 电子技术特别是微机技术所提供的可能性，设计一种小型、轻便、具有实时e c g 波形显示和e c g 自动分析处理的心电监护仪。 本文介绍了一种便携式心电监护仪设计，该设计围绕具有高性能和灵活接 口能力的单片机c 8 0 5 1 f 3 2 0 进行。基于对心电图原理及其诊断技术的理解，设 计了由前置放大器、滤波器和单片机内嵌的a d 转换器组成的输入通道。所获取 的心电图数据在存入串行f l a s h 芯片a t 4 5 d b 3 2 1 之前采用数据压缩技术加以压 缩以节省存储容量，u s b 接口的设计使得心电图数据能转储到计算机上存单或进 一步分析。该设计可望形成功耗低，体积小，长期记录的便携式心电监护仪产 品。 关键词：心电图，便携式心电监护仪，串行接口闪存，通用串行总线，片上总线 c 8 0 5 1 f 3 2 0b a s e dh o l t e rd e s i g n a b s t r a c t h o l t e rr e c o r d sh u m a n se c gw h i l eh ei ss p e n d i n gh i sd a i l y1 i f e ，a i m i n g a te a r l yd e t e c t i o no ft h eh i d d e ns i g n so fh e a r td i s o r d e ra n dp r o m p tf i r s ta i dt o h e a r td i s e a s e s t h i st h e s i sa t t e m p t st ou s et h eu p t o d a t et e c h n o l o g yi n e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rs c i e n c e ，t od e v e l o pac o m p a c t ，p o r t a b l eh o l t e rw i t h f u n c t i o n ss u c ha sr e a l t i m ee c gr e c o r d i n g ，d i s p l a y , a u t o m a t i cd i a g n o s i sa n d t r e a t m e n t ，t oo v e r c o m et h el i m i t a t i o n so fp r e s e n th o l t e rp r o d u c t s t h i st h e s i sd e s c r i b e sad e s i g no fp o r t a b l ee c g m o n i t o rt h a ti sb a s e do n t h em i c r o c o n t r o l l e rc 8 0 51f 3 2 0c h a r a c t e r i z e do fh i 曲p e r f o r m a n c ea n d f l e x i b l ei n t e r f a c ec a p a b i l i t y w i t ht h eu n d e r s t a n d i n go ft h ep r i n c i p l e sa n d d i a g n o s t i ct e c h n i q u eo fe l e c t r o c a r d i o g r a p h ，t h ei n p u tc h a n n e li sc o n s t r u c t e d w i t hp r e a m p l i f i e r f i l t e r sa n dt h ea d co ft h em i c r o c o n t r o l l e r t h ea c q u i r e d d a t ao fe l e c t r o c a r d i o g r a p ha r ec o m p r e s s e dt os a v em e m o r ys p a c eb e f o r eb e i n g s t o r e di n t oaf l a s hm e m o r ya t 4 5 d b 3 21w i t hs p ii n t e r f a c e t h eu s b i n t e r f a c ei sd e s i g n e dt of a c i l i t a t et h ed a t at r a n s f e rf r o mt h eh o l t e rt o c o m p u t e r sf o ra r c h i v ea n da d v a n c e da n a l y s i s t h ed e s i g nm a y b ed e v e l o p e d t ob eap r o t o t y p eo fl o w - p o w e r ，c o m p a c ta n dl o n g - t e r mr e c o r d i n gh o l t e r k e y w o r d s ：e l e c t r o c a r d i o g r a p h ，h o l t e r ，s p if l a s hm e m o r y , u s b ，1 2 c 插图清单 图1 1 心电波形3 图2 1 监护仪的组成结构1 2 图2 2c 8 0 5 1 f 3 2 0 的模块结构1 3 图3 1e c g 信号的获取过程1 5 图3 2 爱因霍文三角形示意图1 6 图3 3 标准导联i 、1 6 图3 - 4 威而逊中心电端的电极连接图1 7 图3 5 单极导联。1 7 图3 - 6 加压导联1 8 图3 7 单极胸导联v l v 6 的位置18 图3 8 前置放大电路2 0 图3 - 9 带通滤波放大电路2 1 图3 1 0 高通仿真图2 1 图3 1 l 低通仿真图。2 1 图3 1 2 带通仿真图2 1 图3 1 35 0 h z 滤波电路2 2 图3 1 45 0 h z 陷波电路仿真图2 2 图3 1 5a d o 功能框图2 3 图3 1 61 0 位a d c 0 跟踪和转换时序示例2 5 图3 - 1 7a d c 0 等效输入电路2 6 图4 1a t 4 5 d b 3 2 1 引脚及其与主器件的连接。3 1 图4 _ 2f l a s h 页读出过程3 2 图4 3 读写操作命令次序图3 2 图4 4u s b 硬件连接图3 6 图4 5 启动过程3 7 图4 - 6 总线复位3 7 图4 7 枚举过程3 7 图4 8u s b 0 寄存器访问示意图4 0 图4 - 9u s b 中断服务程序流程图4 1 图4 1 0 主程序流程图4 2 图4 - 1 1c h 3 7 5 a 芯片内部的中断逻辑图4 6 图4 1 2c h 3 7 5 与单片机连接图4 7 图4 1 3u s b 存储设备的文件级接口4 7 图5 - 1 各种q r s 波5 l 图5 - 2 用三种方法选择测量点的示意图5 2 图5 - 3 连续多帧心电图。5 6 图5 - 4 a z t e c 算法流程图5 9 表格清单 表4 1 标准设备描述符3 9 表4 2 标准配置描述符3 9 表4 3 标准接口描述符3 9 表4 4 标准端点描述符4 0 表4 5 标准字符串描述符4 0 表4 6 标准设备请求4 2 表4 - 7c h 3 7 5 引脚说明4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：一l ：作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金8 里兰些叁堂 或其他教育机构的学位或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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：审芗可步， 签字日期：加绛，月脚 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥月巴二 ：些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权佥月墨：! ：些盔堂可 以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适刈本授权书) 学位论文作者签名： 寺；飞卿 签字日期： 年f 月 日 学位论文作者毕业后左向： j i ：作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： t i 。睁f 月q 日 电+ 话： 邮编： 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终 得到了我的导师张崇巍教授的悉心指导，无论从课程学习、论文选题，还是 到收集资料、论文成稿，都倾注了张崇巍老师的心血，由衷感谢张崇巍老师 在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教中学到的为人品质和 道德情操，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事 业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 作者：申河卿 2 0 0 8 年1 月1 5 日 第一章绪论 心血管疾病是人类死亡的主要疾病之一，许多患者心脏病发后由于未能及 时发现和抢救极易发生死亡。心电 ( e l e c t r o c a r d i o g r a m e c g ) 可全面反映心 脏的健康状况，目前已成为诊断心脏疾患的主要手段。通常的诊断用心电图机 只能获得很短时间的心电图，可用于诊断已成为常态的心脏隐患或疾患，而对 于往往是偶发的致命性心率失常则基本无能为力。在病房中固定式心电监护仪 ( e c gm o n i t o r ) 虽然可以对病人处于安静状态下的心电图进行长时间监测，但 一些患者只有在动态下才会诱发的心率失常，则由于不会发生而无法捕捉。因 此，可由患者随身携带的动态心电监护仪成为一种必然的需求。 动态心电监护仪( h o l t e r ) 以他的发明者n o r m a nj h o l t c r 命名，至今已有近 五十年的历史。早期的动态心电监护仪只是一个心电传感器与磁带记录仪的集 合，随着科学技术的发展，特别是属于信息科学范畴的电子技术、计算机技术 和信号处理技术的进步，动态心电监护仪技术也在不断进步，朝着重量更轻、 容量更大、时间更长、性能更好、功能更强的方向发展。新一代的动态心电监 护仪不仅可由患者随身携带，长时间记录患者正常的日常活动中各种状态和环 境下的心电波形，并且将可以捕捉偶发的心律变异，可以进行实时的心电图分 析，及时发出报警，甚至可以及时治疗操作( 如自动药物注射) 。 从临床应用需要来看，无论是普通的医疗诊断、病房监护、还是在一些特 殊场合下，例如医生出诊、野外急救和移动条件下的监护，都需要一种小型轻 便、具有实时e c g 波形显示和e c g 自动分析处理的心电监护仪。 1 1 心电图基础 1 1 1 心脏的电生理特性， 心脏的自律性、兴奋性和传导性都是以生物电活动为基础的生理机能，称 之为“电生理特性”。心脏电生理的变化与某些心脏疾病，尤其是与各种类型心 律失常的发生有密切关系。 心肌细胞的生物电现象表现在细胞膜内外两侧存在的电位差即跨膜电位， 简称膜电位。 1 ) 静息电位：细胞静息时膜内外存在的电位差称为静息电位。膜外电位高 于膜内，为膜的极化状态，快反应细胞为- - 8 0 - - - - 9 0 m v ；慢反应细胞为一4 0 一7 0 m v 。静息电位产生的原因主要是由于细胞内钾离子浓度远高于细胞外，而 且细胞膜静息时只对钾离子具有较大的通透性，钾离子外流形成膜外阳离子较 多，以致膜外电均高于膜内。 2 ) 动作电位：是指细胞兴奋时膜电位发生剧烈而短暂波动的过程，包括去 极化和复极的过程。快反应细胞与慢反应细胞的动作电位不同。 心脏细胞的电生理特性体现如下： 1 ) 自律性 心肌细胞自发有节律兴奋的能力。心脏组织细胞自律性的高低不同，其中 窦房结的自律性最高，每分钟能兴奋1 0 0 余次，房室交界区4 晰。次，浦肯野 纤维2 5 , - 4 0 次。因而窦性节律是心脏的主导节律。在其些病理情况下，如窦房 结自律性下降、其兴奋传出受阻或其他部位潜在起博点自律性增高大于窦性节 律时，可出现逸博、早博、心动过速等类型心律失常。 2 ) 兴奋性 指心肌细胞对适宜刺激能发生动作电位的特性。兴奋性高低以刚能引起兴 奋的刺激电流即阈刺激的大小来衡量。细胞兴奋时依次经历有效不应期、相对 不应期、超常期及兴奋性复原期。 3 ) 传导性 指兴奋或动作电位能沿细胞膜不断向外扩布的特性。兴奋传导的机理是兴 奋部位与未兴奋部位之间存在电位差，引起局部电流。局部电流使相邻未兴奋 部位膜电位下降。当其降到阈电位时，离子通道被激活而发生完全去极化。为 此，兴奋可不断地向四周扩布。 1 1 2 心电图的导联系统 心肌的动作电位始于右心房的窦房结，然后沿结间束传至房室结，再传至 房室束。沿房室束的左右束枝几乎同时传至两侧心室的全部心内膜后，经浦肯 野氏纤维传至心外膜。由于人体体液是良导体，心脏的每个心动周期所伴随的 生物电变化可传达到身体表面各部位。用引导电极把身体特定部位的电位变化 通过心电图机便可描记出来。这种在心动周期内由心脏电位变化而引起的体表 两个部位间的电位差，随时间而变化的图形就是心电图，它反映心脏兴奋的产 生、传导和恢复过程中的生物电变化。 1 心电图的导联系统 将电极安置在身体表面的任何两点，再将导联线连接到心电图记录仪上， 构成电路，称为导联。心电图上所记录的是正、负极电位差的变化，而不是绝 对值。 心脏的收缩由右心房上窦房结产生的微弱电脉冲控制，一般静止状态下的 心脏细胞带负电，称为极化( p o l a r i z e d ) ，一旦受到电脉冲刺激便产生去极化 ( d e p o l a r i z e d ) ，带正电并产生收缩反应。心脏的电位变化通过心脏周围的导电 组织和体液反映到身体表面，所谓心电图就是运用微电极技术纪录心脏微小电 脉冲的变化所产生的心脏细胞内外电位差，借以了解心脏是否正常运作。临床 上测量e c g 信号的电极通常为银氯化银电极。医生按照操作规程在人体的胸 2 部和手脚的相关部位安置多个电极，即可得到心电图。 进行e c g 测量时可以将电极置于体表不同部位，临床上可分为1 2 导联( 6 个胸部导联和6 个肢体导联) 。依据体表不同电极位置可以依不同轴对心脏进行 观察。由1 2 导联可以完整监测心脏异常情况的发生。 心电图对于心脏疾病的诊断有非常重要的意义。e c g 中所说的导联并非指 连接病人和电极的导线，而是指用来检测心脏电活动的2 个电极的位置，第3 个电极为中性。这些导联被称为双极导联，因为它们测定的是2 个不同电极间 的电压差。最常用的导联为电极位于右臂、左臂和右腿上的双极导联。它对于 发现心律失常最为有用，是因为它的方向与心脏电轴方向( 电流的总向量方向) 最为接近，而且p 波和r 波的形态也最清楚。 1 1 3 心电图的特征波形 所谓心博的一个周期，便是由窦房结发出电脉冲传递至左右心房，首先造 成左右心房的收缩( 即p 波部分) 。脉冲到达房室结( a vn o d e ) 后停滞约o 1 秒( p r 段) ，让血液充分流至心室。接着脉冲通过传递纤维传递至左右心室 ( q ) ，造成左右心室收缩( r ) ，在一连串的电活动后心脏暂时静止，心室等待 再极化以恢复带负电状态( t ) ，从而完成一次心博。心室的去极化与再极化现 象分别为q r s 与t 部分。而心房仅有去极化的p ，没有再极化的波形，这是因 为心房再极化现象波形小且多半淹没在q r s 复合波形中。 1 p 波 1 ) p 波的形状和方向：正常的p 波形状是一个圆滑的小波，无双峰、切迹 和顿挫现象。 r 图1 - 1 心电波形 2 ) p 波的宽度：正常不超过o 0 1 秒。 3 ) p 波的振幅：直立的p 波高度正常不超过0 2 5 m v ，p 波过小一般无重要 临床意义。 2 t a 波 t a 波代表心房再极化过程中产生的电位变化。始于p 波后，方向与p 波相 反，波幅很低，约为0 0 5 - 0 1 m v ，持续时间为0 2 2 - - 0 2 6 s ，经常被o r s 波所 掩盖而无法看到，故一般心电图上看不到t a 波。只有在房室分离或高度房室传 导阻滞时心电图中，常可清楚看到t a 波。 3 q r s 波群 q r s 波群代表左、右两心室去极化过程的电位变化。历时0 0 6 0 1 0 s 。典 型的q r s 波群包含三个紧密相连的波，第一个向下的波为o 波，其后向上的高 而尖的为r 波，继r 波之后的一个向下的为s 波。但是在不同导联记录的心电 图上这三个波不一定都出现，其波形和幅度变化也较大。 4 t 波 t 波代表心室再极化过程中的电位变化，是一个波形圆钝、占时较长( o 0 5 0 2 5 s ) 的波，波形的前肢较长而后肢较短。t 波的方向与q r s 波群的主波方向 一致，在r 波为主的导联中，t 波的幅度不应低于r 波的1 1 0 。 5 u 波 在t 波后0 0 2 - - 0 0 4 s 可能出现的低而宽的波，其方向一般与t 波方向一致， 时间约为o 1 - - 0 3 s ，波幅很小，应比同一导联的t 波低。u 波在肢体导联中不 易辨认，一般在胸导联中比较清楚。 6 p r 间期 由p 波起点到q r s 波群开始之间的时间，代表白心房除极开始至心室除极 的时间。正常成人为0 1 2 - 0 2 0 s 。在幼儿及心率较快的情况下，p r 间期相应 地缩短，而经常进行体育锻炼的人，如职业运动员，其p r 间期较长，有的可 超过0 2 0 秒。 7 p r 段 从p 终点至q r s 起点之间的线段，一般p r 段与等电位线( 基线) 水平 相同。 8 s t 段 自q r s 波终点至t 波起点之间的线段，代表心室各部分己全部进入去极化 状态。心室各部分之间没有电位差存在，因此又恢复到基线水平。正常s t 上升 不应超过基线0 1 m v ，下降不应低于基线0 0 5 i n v 。 9 q t 间期 从q r s 波群起点至t 波终点的时程，代表心室开始去极化至完全再极化到 静息状态的时间。这一间期的长短与心率密切相关。心率越快，q t 间期越短； 反之，则间期越长。正常成人的q t 间期为0 3 2 - - 0 4 4 s 1 2 心电监护技术概述 ，i ) , g g ( e l e e t r o e a r d i o g r a m - - e c g ) 的临床应用至今已有百年历史。心电图 机在涉及心血管的体格检查和临床诊断中发挥重要作用已为人们所熟知。心电 4 图技术的发展不仅受到广大医务工作者的重视，也引起广大科技工作者的兴趣。 众多学者都不断进行理论和实践的探索，使其不断完善和提高，给百年的老检 查方法不断赋予新的进展。 心电图的应用除了在临床进行诊断外，还用于对患者的心电监护。心电监 护是指通过连续监测病人的心电图信号，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。 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，生存机会就会大为下降。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，因而有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，并应用于冠心病监护( c c u ) 中。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 。 心电监护的主要内容是实时观测心律失常。心电监护仪使人们可以一直连 续观察心脏的电活动，并及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。心电监护成为c c u 的一个里 程碑。 随着科学技术的发展和医学的进步，监护装置得到了迅速发展，可靠性和 准确性不断提高并在医院得到了广泛的运用。现代集中监护仪普遍实现了智能 化，在监护病房里设有带微处理器的床边监护仪，它具有监护生理参数、显示 和报警功能。集中监护的中央控制台大多数采用存储量大的计算机，可同时监 护多至1 6 位病人。通常采用分布式处理系统，中央控制台和床边监护仪构成星 型网络相互通信。集中监护中央控制台接受来自8 至1 6 个床边监护仪的数据， 进行运算处理，给出节律状态、报警状态、异位搏动及早搏等信息，并提供心 律的趋势图。除此之外，也可以根据监护的需要作出血压、体温、呼吸、脑电、 心输出量等各种生理参数的波形和趋势图。集中监护系统记下并显示监护病人 的报警性质和历史，通过键盘或开关选择报警的显示和禁止。 c c u 集中监护具有强大的功能和完善的服务，然而病房的床位有限，使得 许多心脏病患者没有条件得到监护。常规心电图只能记录病人在病房静卧情况 下的心电活动，不能监护患者的院外生活，并影响了病人的生活质量。众所周 知，环境( 如过热、过冷、噪声等) 和人的精神状态( 如悲哀、兴奋、惊恐、 疲劳、烦躁等) 都能影响心脏工作，诱发潜在心脏病的发作。因此开发能在正 5 常生活状况下对病人进行监护的便携式的心电监护仪就有迫切的需求。 上世纪三、四十年代，n o r m a nj h o l t e r 就从事于生物信号遥测技术的研究， 并于1 9 4 9 年研制了遥测心电图( r e c g ) 装置，接着又将r e c g 系统改成了一 个袖珍发射器和一个便于携带的接收部分磁带记录器( 在病人附近) 组成 的结构。1 9 5 7 年，他研制了一个能以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问世了，这里的动态实 际是可随身移动的意思。这种仪器就以h o l t e r 本人的名字命名，通常称为心电 监护仪( h o l t e rm o n i t o r 或简称h o l t e r ) 。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，捕捉到初期的潜在的心脏疾病的心电信号，成为检出 心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法，也使心脏病的早期诊断成为可 能。 下面以磁带式h o l t e r 说明其工作原理和使用方法。 当医师想要评价患者一天日常活动的心电图资料时，就可采用动态心电图 心电监测技术。此技术使用胸前导联系统并与一个可携带的心电监测仪记 录器相连接，记录器内一般有磁带，磁带运转速度每分钟2 5 e m 。心电讯号记录 在磁带上，它可以记录2 4 h 以上的心电图。患者在监测期间可以回到病房、家 中或工作单位进行日常活动。2 4 h 以后由医师取下记录器。 从记录器上取下的磁带放到扫描器上重放，由训练有素的技术员进行操作， 该装置可在数分钟内扫描展示2 4 h 的记录。各种心电波形快速叠加、显示在荧 光屏上，经技术员确定正确、异常波形，通过人一机对话，计算机进行判别、 计数、分类。打印机快速打印任何时间重要心电图片断以及2 4 h 的心率、心律、 s t 段变化整体和分时记录等各种图表。 病人的生活日志是动态心电图监测系统最重要的一部分。病人应记录他的 各种活动、每一活动的时间、伴随症状及持续时间。技术员分析时采用与监测 同步的时钟使心电图节律每一片段与发生症状的时间相关联。当实时心电图从 记录磁带中再现时，医师即可解释在监测期间患者活动与心脏节律和波形的关 系。 3 0 多年来，动态心电图仪器不断更新、型号繁多，但主要设备仍分为两个 部分：记录系统和分析系统。记录系统包括记录器、体表电极、导联线和记录 电缆；分析系统主要包括计算机部分、键盘、显示屏以及打印机。记录系统的 功能是将病人的心电讯号记录在录像磁带或电子存储器或硬盘上；分析系统的 功能是将记录的资料以实际时间数百倍的速度回放，然后提供给技术员和计算 机进行分析。 1 记录系统 6 记录器在动态心电图仪器中占有重要地位。要求小巧轻便，能佩戴身上。 因它是原始数据采集者，其性能的好坏决定心电图形的质量。 记录时间一般为2 4 h ，也有更长到7 2 h 。按记录时间的不同，记录器分为三 种：连续记录、间断记录以及连续记录实时分析。 按采用的材料和技术不同，记录器的种类又分为磁带记录器和固态记录器， 这两种是目前应用广泛的记录器类型。另一种数字信号记录器一超小型硬磁 盘及光盘记录器最近世开始被推向市场。 目前，大多数记录器采用两至三通道同时记录心电讯号。记录器上多有记 事标记按键和时标信号发生器。前者可供受检者在发生症状或特殊情况时按掀， 在磁带上留下标记；后者可使磁带上记录每分钟1 次的时标信号。有的记录器 表面附有心电波显示装置及液晶数字钟，可显示心电图波形和记录检查开始至 下机时间。在记录器的顶部各有电缆接口，用以连接记录电缆。体表电极传输 心电信号，通过导联线和电缆输入记录器内。 记录系统的其他部分有导联线、电缆和电极。 2 分析系统 早期的分析仪采用人力分析。国内有些动态心电图仪属于这种类型。将磁 带以3 0 1 2 0 倍的实时速度放出图像。如心律规则，每次图像重叠，屏幕上显示 固定不变的心电图形；如有心律不齐，则图形不固定；若有室性早搏，则有提 前的异常图形出现。这种人力分析方法耗费时间、分析者容易疲劳。 近年，实时型和全信息型记录器的数千次到十余万次心动周期的心电信息 容量较大，必须用电脑回放。一般采用6 0 一4 8 0 倍实时记录速度进行回放，再 由电脑分析2 4 h 心律失常、s t 段变化出现的时间、数量、程度、趋势等。电脑 用于分析心电信号节省人力与时间，但由于计算机识别能力有限，并且记录中 或放出图像时可能产生伪差，因此最后还需要人力加以判断。近年生产的分析 仪提高了智能化程度，在电脑回放中增加了心律失常的自动显示图像，有计算 机的学习功能、疑难心电图人机对话等功能。 1 3 便携式心电监护仪的技术发展和论文工作 h o l t e r 的出现，打破了传统的监护概念，使其从医院走入了家庭。但是， 现有的h o l t e r 产品在实际应用中也显示了它的局限性。主要表现在： ( 1 ) 仪器只是将病人的数据记录在磁带或大容量r a m 上，然后再到医院 在固定机器上进行处理，才能对异常心电活动做回顾性分析和诊断。也即仪器 不具备分析和诊断能力，对病人的病情分析是非实时的。因此对致命的心房搏 动、室颤等心电活动不能及时发出报警和采取治疗措施。从这个意义讲，h o l t e r 系统并不具备监护作用。 ( 2 ) 2 4 小时甚至4 8 小时的大量心电数据对后处理计算机提出了高要求。 7 因此，人们为了提高分析速度，不得不采用快速回放系统和高速微机或小型机 系统，使得整个系统成本很高。由于存储的心电数据中有大量的正常心电数据， 使临床诊断的效率降低。而且，在高速回放中，偶发性的异常搏动或心律失常 极易被漏检。 随后发展起来的电话心电监护仪，克服了传统的h o l t e w 系统实时性差的缺 点。但是这种仪器只是在病人感觉异常时将自己的心电信号发送到心脏监护中 心，由中心记录，并交由医学专家分析诊断。这套系统价格适中，诊断的正确 性高，但由于其丢失了大量原始数据，不利于心脏病的早期防治和药物疗效的 观察。 尽管历经了4 0 多年的研究，动态心电自动分析技术在理论上和实践上都逐 渐成熟起来，可是随着人类物质文明的提高，人们对医疗诊断系统的精度与可 靠性的要求也在不断提高。 从临床应用需要来看，无论是普通的医疗诊断、病房监护、还是在一些特殊 场合下，例如医生出诊、野外急救和移动条件下的监护，都需要一种小型轻便、 具有实时e c g 波形显示和e c g 自动分析处理的心电监护仪。本论文就是这种 设计思想的一个尝试和探讨。 本论文工作中基于c 8 0 5 1 f 3 2 0 进行了一个便携式心电记录分析仪的设计， 该设计的主要目标如下： 实现对受观察者的心电图采集，并基于大容量半导体存储器形成心电图 长时间的存储； 能够实时分析动态心电图，自动检测和计算e c g 的各主要参数，自动 诊断多种常见的心率失常，并视情况执行报警或给药； 设计u s b 接口用于与上位机的数据传输。 在论文工作中还重点探讨了心电图数据的压缩存储与复原技术。 第二章便携式心电监护仪的总体设计 本仪器的设计目标已在1 3 节阐述。围绕上述目标，本章对仪器硬件结构作 一简述。 2 1 便携式心电监护仪的设计指标 目前较先进的动态心电图监护仪应具有以下性能： 1 )2 4 h 全信息实时记录与分析。 2 )回放器采样频率不低于1 2 8 h z ，目前高档d c g 仪器可达2 5 6 h z 或 5 1 2 h z 。 3 )采用双导或三导分析、记录，人机对话、重叠回放。 4 )分析软件具备功能： 心率分析：包括最高、最低、平均心率、心率趋势的分析。 心律失常分析：包括对室上性、室性早博、成对早博，心动过 速、r o n t 、停博次数和出现时间的分析。 s t 段分析：包括s t 段抬高或压低、出现和持续时间、频度分 析，以及与心率有关的趋势分析。 起博分析：对安装起博器患者有同时记录起博信号及心电信号 的特殊记录装置，便于分析起博信号与心电信号的关系。 心电信号的平均分析：包括时域分析和频域分析。 2 2 便携式心电监护仪的总体设计 2 2 1 c 8 0 5 1 系列单片机 以单片机为主的嵌入式系统迅速地的将传统的电子系统时代发展到智能化 的现代电子系统时代。随着单片机技术的发展，出现了很多高速、高性能的新 型单片机。人们所熟悉的8 0 c 5 1 系列单片机一度被当作单片机的标准，但其原 型因技术指标的落后而面临淘汰。为此单片机厂家在继承8 0 5 1 多年形成的资源 的同时，对其内核进行改造，以求大幅度地提高其功能和性能。其中美国s i l a b 公司推出的c 8 0 5 1 f 系列单片机把以8 0 5 1 为内核的单片机推上了一个新的台阶。 c 8 0 5 1 f 系列单片机的内部组成如下： 1 ) c i p - - 5 1 微控器内核 c i p 5 1 内核具有标准8 0 5 2 的所有结构和外围部件，包括3 个1 6 位的计数 定时器、1 个全双工u a r t 、2 5 6 b 内部r a m 、1 2 8 b 特殊功能寄存器( s f r ) 和4 个8 位的i o 端口等。 2 ) 中断系统 9 扩展的中断系统可响应2 2 个中断源( 标准8 0 5 1 只有5 个中断源) 的中断 申请，在设计多任务实时系统时，这些增加的中断源大大增加了单片机对外界 复杂多变情况的反应能力。 3 ) 存储器 c 8 0 5 1 f 系列单片机有标准8 0 5 2 的程序和数据地址配置。它包括2 5 6 b 的核 内数据r a m ，某些型号中还有位于外部数据存储器地址空间1 k b 4 k b 的r a m 存储区。 c 8 0 5 1 f 的程序存储器为8 k b 1 2 8 k b ( 不同型号容量不同) 的f l a s h 存储器， 该存储器以5 1 2 b 为一个扇区，可以在系统编程，且无需在片外提供编程电压。 4 ) 模数和数模转换模块 与8 0 5 1 原型机不同，大部分c 8 0 5 1 f 系列单片机内部都有a i d 转换模块， 它们由逐次逼近型a d c 、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器组成。不 同型号的转换位数、转换速率和输入通道数不完全相同。所有的a d 转换模块 内部都配了可以用软件改变放大倍数的可编程增益放大器。 5 ) 部分c 8 0 5 1 f x x x 型号内部有两个1 2 位数模转换器，m c u 可以将任何 一个d a c 置于低功耗关断方式。 6 ) 并行接口 c 8 0 5 1 f 系列单片机的并行接口，即一般单片机的通用i o 端口，不同型号 的引脚数量不同，有1 1 脚，2 2 脚，3 2 脚，6 4 脚等多种。这些i o 端口的部分 引脚可以通过软件配置成不同的特殊功能。 7 ) 串行接口 c 8 0 5 1 f 系列m c u 除了具有全双工u a r t 串行口之外，还增加了s p i 总线 和s m b u s i e c 总线。每种串行总线都能向c i p 5 1 发出中断申请，因此很少需要 c p u 的干预。这些串行总线不“共享”定时器，中断或端口i o ，所以可以使 用任何一个或全部同时使用。 值得指出的有的型号具有u s b 功能控制器，可以便利地实现u s b 接口。 典型型号是c 8 0 5 1 f 3 2 x ，其u s b 功能控制器符合u s b 规范2 0 ，可以高速 ( 1 2 m b s ) ，或低速( 1 5 m b s ) 运行。支持八个可灵活配置的端点，有专用的1 k b 的u s b 数据缓冲器，有集成的收发器，无需外部寄存器片内j t a g 调试。 c 8 0 51 f 系列单片机具有以下的技术优势： 1 ) 运行速度快 由于c 8 0 5 1 f 系列单片机采用流水线结构，废除了机器周期的概念，指令以 时钟周期为运行单位，由标准的1 2 个系统时钟周期降为1 个系统时钟周期，处 理能力大大提高，一般型号的峰值可达2 5 兆指令每秒，高速型的峰值可达1 0 0 兆指令秒。在相同的时钟下，指令运行速度比一般的8 0 c 5 1 系列单片机提高了 l o 大约1 0 倍。7 0 指令的执行时间为1 个或2 个系统时钟周期，只有4 条指令的 执行时间大于4 个系统时钟周期。 2 ) i o 端口功能采用软件配置实现 多数单片机的i o 端口都是某个单功能或多功能的固定输入输出引脚，而 在c 8 0 5 1 f 系列单片机中，虽然i o 端口的通用基本输入输出特性与标准8 0 5 1 是兼容的，但是f o 端口的其他特殊功能则是由软件配置实施的，这样极大的 提高了端口配置的灵活性。 用软件配置选择引脚功能的方法是在多数单片机中引入了功能选择开关。 这是一个数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口i o 引脚。与具 有标准复用数字i o 的微控制器不同，这种结构可支持所有的功能组合，可通 过设置功能选择开关寄存器，将片内的计数器定时器、串行总线等数字信号配 置到i o 引脚。用户可以根据自己的特定应用选择通用i o 端口和所需数字资源 的组合。 每个i o 端口引脚都可以被配置为推拉或漏极开路输出。在标准8 0 5 1 中固 定的“弱上拉”可以通过软件设置被禁止，这样可以进一步降低功耗。 3 ) 时钟系统更加完善 早期的单片机都是采用一个时钟控制时序，而c 8 0 5 1 f 系列采用了一个更加 完善和先进的时钟系统，可以采用多种时钟源。m c u 内部有一个能独立工作的 时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟，其时钟振荡频率是可编程的；还可 同时选择外部时钟振荡器，外部振荡器可以使用晶振、陶瓷谐振器、电容、r c 或外部时钟源产生系统时钟。如有需要，在程序运行时，可以实现时钟的内、 外切换。这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许m c u 采用 一个低频率外部晶体正当其工作，当需要时再周期性的切换到高速的内部振荡 器。 4 ) 可实现通过j t a g 接口的在系统调试 c 8 0 5 1 f 系列单片机在8 位单片机中首先配置了片内的j t a g 接1 ：3 和调试电 路，它完全符合i e e e l1 4 9 1 标准，可为生产和测试提供完全的边界扫描功能。 j a t g 接口使8 位单片机传统的仿真调试产生质的变化，在p c 机软件支持 下，通过片内j t a g 接口可直接对安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵 入式( 不占用片内资源) 、实时在系统仿真调试。该调试系统支持观察和修改存 储器及寄存器，支持断电、单步、运行和停机命令。在使用j t a g 调试时，所 有的模拟和数字外设都可全功能运行。 5 ) 有多种复位方式 c 8 0 5 1 f 系列单片机提供了多达7 个复位源：1 个片内v d d 监视器，1 个看 门狗定时器、1 个时钟失效检测器、1 个由比较器0 提供的电压检测器、1 个软 件强制复位、c n v s t r 引脚及r s t 引脚。除了v d d 监视器和复位输入引脚以 外，每个复位源都可以用软件禁止。多复位源提高了系统的安全性、灵活性， 并有利于零功耗设计。 6 ) 进一步降低了系统功耗 c 8 0 5 1 f 系列单片机采用了可降低系统功耗的多种方法，例如，采用3 v ( 电 压范围2 7 v - 3 6 v ) 供电，完善的时钟系统可在满足相应速度的要求下，使系统 的平均时钟频率最低。由于功耗与电压和频率成正比，因而可方便的降低功耗； 多种复位源可使系统在掉电方式下，方便灵活地重新复位；片上外设都能单个 关闭或全部关闭以节省功耗。 2 2 2 基于c 8 0 5 1 f 3 2 0 的总体设计 本论文的心电监护仪的结构设计如图2 - 1 所示，按其组成和用途可大致分 为： 1 ) 基于a d 6 2 0 设计的输入通道：负责心电信号的采集，放大以及滤波； 2 ) 单片机c 8 0 5 1 f 3 2 0 ：作为系统的核心，执行a d 转换、信号分析和数据 存储和转储、显示与报警等任务； 3 ) 大容量串行f l a s h 芯片a t 4 5 d b 3 2 1 c ：满足长时间心电图的存储； 4 ) 时钟芯片：为系统提供准确的时间以及为存储的心电信号做时间标记； 5 ) u s b 接口：将存储的心电图数据传送到p c 机上进行保存或进一步的分 析； 6 ) 液晶：就地显示心电图和有关信息； 7 ) 报警电路：可以发出声音及时报警提醒，还可以设置给药机构给急症发 作者供药。 左手 右腿 右手 u s b 接口 a t 4 5 d b 3 21 c 5 自波 s p i a d c u s bc 8 0 51 f 3 2 0 工工c 巳型匕竺倒 图2 - 1 监护仪的组成结构 硬件设计的核心是c 8 0 5 1 f 3 2 0 单片机，它是一种完全集成的混合信号片上 系统型m c u ，下面是它的一些主要特性： 1 2 1 ) 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的微控制器内核( 可达2 5 m i p s ) p 0 0 ，z 月札， p 0 ，篙竹l t 盘 f e 1 f 吼，a t 糟碲 p t 弗 p t 1 p i 3 p 1 嚣 p t p t p 2 4 p 2 1 p 2 p ，# 以， # $ 端 图2 - 2c 8 0 51 f 3 2 0 的模块结构 2 ) 全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 3 ) 通用串行总线( u s b ) 功能控制器，有8 个灵活的端点通道，集成收发 器和1 k f o r a m 4 ) 电源稳压器( 5 v 至3 v ) 5 ) 真正1 9 位2 0 0 k s p s 的1 7 通道单端差分a d c ，带模拟多路器 6 ) 片内电压基准和温度传感器 7 ) 片内电压比较器( 两个) 8 ) 高精度可编程的1 2 m h z 内部振荡器和4 倍时