用单片机实现三导联远程心电监护系统

1、用单片机实现三导联远程心电监护系统1 引言随着人们生活水平的提高、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。常规心电图是病人 在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时仅为几s1m，只能获取少量有关心脏状态的信息，所以在有限时间内即使发生心率 失常，被发现的概率也是很低的。因此有必要通过相应的监护装置 对患者进行长时间的实时监护，记录患者的心电数据。又由于心脏 病的发生具有突发性的特点，患者不可能长时间地静卧在医院，但 又需实时得到医护人员

2、的监护，所以研发相应的便携式无线心电监 护产品就显得更加重要。目前虽说国内已有成型的无线心电监护产品，但其采用的方案大都 是“采集器 +发送器（ PDA 或手机） ”，这必然导致其价格昂贵，且 PDA 或手机的其他功能对于绝大部分患者完全没有必要，所以到目 前为止国内实用的无线心电监护产品领域还是空白。本文所述的远 程心电监护系统是在医院的提案基础之上，进行充分调研之后设计 的总体方案，主要实现如下功能： 三导联心电信号采集； 无线传 输紧急情况下 40 s 的心电数据及诊断结果； 24 小时心电图连续记 录； 通过高速 USB 上传心电数据至 PC 机； 紧急呼叫。2 系统总体设计作为便携式

3、手持远程移动终端，在设计时应充分考虑其体积小，功 耗低，存储容量大和处理速度高的要求，因此在 CPU 的选择上十分 慎重。 经过资料收集和反复比较， 最终选择了 Samsung 公司推出的 基于 ARM920T 内核的 S3C2410 处理器，该处理器资料丰富，性价 比高。 采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点： 体积 小，功耗低，成本低，性能高； 支持 Thumb （16 位） /ARM （ 32 位）双指令集； 大量使用寄存器，使指令执行速度更快； 寻址方 式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定。可以看出基于 ARM 的嵌入式处理器是便携式手持终端的最佳选择， 所以在设

4、计系统方案时首先定位在该系列处理器上。 S3C2410 处理 器基于ARM920T处理器核，采用0.18制造工艺的32位微控制器，采用五级流水线和哈佛结构，最高运行频率为203 MHz。该处理器具有：独立的 16 KB 指令 Cache 和 16KB 数据 Cache 、MMU、 支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路带PWM 的 Timer、丰富的 I/O 口、8 路 10 位 ADC、Touch Screen 接口、IICBUS接口，以及2个USB主机和1个USB设备等丰富的外 围设备。S3C2410 提供了一套较完整的通用外围设备，且使整个系统的功耗 最低，从而

5、免去了添加、配置附加外围接口的麻烦，有效地缩小了 线路板的面积，这也正是本系统选择该处理器的重要原因。 系统的 整体结构如图 1 所示，以 S3C2410 为核心，外扩了 8 MB 的 NORFLASH、 64 MB 的 NAND FLASH 以及 16 MB 的 SDRAM 等存储芯 片，通过 GPIO 口扩展了键盘、 LCD 和蜂鸣器等人机接口单元，对 外提供 USB 和 UART 等通信接口，同时连接了 Siemens 公司的 MC35 模块，以实现无线传输和紧急呼叫功能。 从系统的总体功能结 构来看，可将系统划分为 5 个模块：电源模块、心电数据采集模块、 数据无线传输模块、图形用户界

6、面模块、数据存储管理模块。RIMAli 14 MlD图1系统总体结构I2.1电源模块系统采用单节1700 mAh锂离子可充电电池供电，但随着电量的释放，电压也在不断降低，变化范围为4.22.75 V。而本系统中分别需要一个4.3 V的MC35工作电压、一个 3.3 V的I/O电压、一个1.8 V的CPU核电压和一个1.8 V的CPU职守电压。为了满足系统 的要求，电源电路中必须同时具备升压稳压器和低压差线性稳压器。为了解决该问题系统采用1个开关型升压DCDC稳压器、1个3.3 V 极低压差线性稳压器和2个带有Shutdown引脚的1.8 V低压差线性 稳压器来组成供电系统，供电方案如图 2所示

7、。图2电源模块方案2.2心电数据采集由于心电图信号的检测是属于强噪声背景下的超低频(0.5 100Hz)微弱(0.1 5 mV )信号检测，具有微弱性、稳定性、低频特性 和随机性等特点，故要求前置级应满足高输入阻抗、高共模抑制比(CMRR )、低噪声、低漂移和高安全性。微弱的心电信号受到来自人体内外的多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中，为了使 其特征突出，就有必要对其进行预处理。系统采用的心电信号采集 原理如图3所示。其中前置级采用差动放大电路，其放大倍数为22.4 倍；后级放大电路的放大倍数为 37倍，则总放大倍数为828.8倍。图3心电信号采集原理由于心电信号为低频信号，因此在模拟电路

8、上，设计截止频率为100 Hz的一阶低通滤波器来滤除高频干扰， 采用二阶VCVS带阻滤波器 来滤除50 Hz工频干扰。在数字处理上，为了抑制对心电信号影响 较大的工频干扰和基线漂移，采用 2 048点FFT对输入的一帧心电 数据进行时域一频域的变换，然后去除0.5 Hz以下的低频和50 Hz的工频；同时为了抑制高频噪声和 50 Hz倍频造成的干扰，又滤除 了 100 Hz 以上的频率，然后再进行 IFFT 将此组数据变换回时域。2.3 数据无线传输模块本系统为远程移动终端，涉及数据的无线传输，为实现此功能采用 了 Siemens 公司的 MC35 模块，并移植了 TCPIP 协议栈和 PPP

9、协 议，以完成心电数据的发送和诊断结果的接收。 MC35 是 Siemens 公司推出的第一款支持 GPRS 的 GSM/GPRS 模块，它体积小 ,易于 集成到便携式手持终端中， 支持 VOICE 、DATA 、FAX 以及 SMS 等 业务。处理器 S3C2410 通过异步串行通信接口与 MC35 相连，并通 过 AT 命令对该模块进行控制和数据传输。在发送数据时，首先，应用层将采集到的心电数据提交给 TCPIP 协 议栈；然后， TCPIP 协议栈根据目的地址和端口将该心电数据封装 成完整的 IP 数据报，再提交至 PPP 层；最后，该 IP 数据报经 PPP 层封装之后，通过串口逐字节

10、地提交至 MC35 并发送。在接收数据 时，MC35首先将接收的数据逐字节地提交至 PPP层；经PPP层将 分散的各字节重组成一帧完整的 IP 数据报之后，再提交至 TCPIP 层 进行详细的处理，具体流程如图 4 所示。在开机初始化时要完成 MC35 的启动并登录移动梦网网关，建立与 服务提供商的连接。一般在发送指令之前先要发送一条测试指令， 以检测 MC35 的当前状态， 该指令的格式为 “ATr ”；在入网网关及流量控制等参数通过 AT 指令设置完成之后，便可通过服务编码 99 开 始呼叫与服务提供商建立连接，指令格式为 ATDT*99*1#rn 。若 在该指令执行之后给定的时间内返回

11、CONNECT 信息，则表明与服 务提供商的连接建立成功；否则，表明拨号失败，无线传输功能无 法正常启动。 MC35 成功登录移动梦网网关之后， 将自动从命令模式 切换到数据通信模式，且串口通信方式由原来的查询式变为中断方 式。此时由系统主动发送一帧 PPP 请求信息，服务提供商接到该请 求信息后主动发出询问帧，协商相关参数的设置。待服务参数及用 户身份验证成功之后，服务提供商为系统分配一独立IP，至此便可认为 GPRS 成功上线。GPRS 成功上线后可以认为 MC35 主要处在两种工作状态：数据传 输状态和空闲状态。在数据传输状态， MC35 的峰值电流可达 400 mA;在空闲状态一般为1

12、5 mA。另外，在空闲状态MC35还支持多 种休眠模式。考虑到系统的功耗问题，启用了 MC35 的休眠功能。 系统采用了 MC35 的休眠模式七。在该休眠模式下，电流一般为 3 mA 左右; MC35 无论从串口还是从服务提供商接收到数据， 都会立刻将MC35 设置为正常模式， 待数据传输结束之后自动进入休眠模式。 该 休眠模式的设置可以通过指令 “AT+CFUN=7 n”来完成，且该指令必须在 GPRS 上线之后执行。这样在空闲状态下即可自动将 MC35 设 置为休眠模式，将电流值从15 mA降到3 mA。在休眠指令执行前 涉及 MC35 的状态切换，因为在执行该指令前 MC35 处在数据通

13、信 模式，所以要通过指令 “+”将其切换到命令模式之后再执行该休眠 指令。在休眠指令执行之后还需通过指令“ATOr ”将 MC35 切换到数据通信模式；否则 MC35 会把将要发送的数据也当作指令来处理。2.4 图形用户界面系统采用深圳蓬远公司生产的低功耗、128X64点阵液晶模块MOBI2006 来图形化显示系统信息。 MOBI2006 支持并行和串行两 种数据通信方式，工作电压为3.3 V。在本系统应用中，使用S3C2410 的 I/O 口模拟 LCD 的控制时序来实现对液晶的控制。在具体实现相关信息的显示时采用了 Framebuffer 技术。首先预分配 一块缓冲区并声明为二维数组，数组

14、的一维长度和二维长度分别与 液晶的宽和高相对应，这样数组的每个元素都代表液晶中的一个点。在系统运行中若要刷新液晶显示，则首先要更新 Framebuffer 缓冲 区，再从 Framebuffer 更新液晶显示。 MOBI2006 列向基于点寻址； 横向基于页寻址，每一页由 8 个点组成。基于液晶的特点，如果不 采用 Framebuffer 技术，刷新屏幕中的一小块， 则会导致整个屏幕的 变动，给上层应用的开发带来很大困难。 因此，虽说采用 Framebuffer 技术将占用一部分内存和刷新时间，但会为后续的开发带来很大方 便：在上层具体应用中不再受页寻址的限制，在上层开发者看来列 向、横向均为

15、点寻址，可以方便灵活地操纵液晶。另外，为了保证 Framebuffer 与液晶的同步， 采用基于事件的方法刷新液晶屏并且是 局部刷新，这样既节省了液晶的刷新时间又减小了屏幕的抖动。例如，应用层要显示一张图片，只须给出图片的显示位置，即对应 于二维数组的行列值、图片的宽和高，以及相应的点阵数据。首先 将图片的点阵数据刷新到 Framebuffer 缓冲区，然后再根据显示位置 确定液晶的刷新区域，其中缓冲的列值对应于液晶的列值，而行值 要转换为液晶的页面值，可通过如下公式转换：Page_start=row/8Page_end=(row+high-1)/8其中： Page_start 和 Page_

16、end 分别对应于液晶的起始、终止页面 值； row 对应于图片显示位置的横坐标； high 对应于图片的高度。 计算出相应的页面值之后便可通过如下过程刷新液晶的指定区域， 完成预期图片的显示。2.5 数据存储管理 在 S3C2410 的 BANKO 中扩展了 1 片 4MX 16 位的 NOR FLASH ; 在BANK6中扩展了一片8MK16位的SDRAM ,并且利用S3C2410 的NAND FLASH控制器扩展了一片 64MIX 8位的NAND FLASH。 NOR FLASH 主要用来存储程序代码； NAND FLASH 主要用来存储 采集的心电数据以及部分程序代码。S3C2410支持从NOR和NAND 两种方式启动，可以通过配置 S3C2410的OM1:0来选择CPU的 启动方式。 系统可以实现全天 24 小时无间断心电数据采集，这样 必将产生大量数据。 为了将大量心电数据传输到 PC 机中供医护人员 分析、诊断，系统采用了通用的 USB 端口。 S3C2410 内部集成了 USB Device 控制器，因此只须设计简单的外围电路，即可实现此功 能.该 USB Device 控制器完全兼容 USB1.1 协议规范，集成了