单片机实现三导联远程心电监护（精编版）

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。而心电图那么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 s1 m ， 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的

2、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，这必然导致其价格昂贵，且PDA 或的其他功能对于绝大局部患者完全没有必要，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根底之上，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手持远程移动终端，在设计时应充分考虑其体

3、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拟， 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，本钱低，性能高；支持 Thumb 16 位/ARM 32 位双指令集；大量使用存放器，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正确选择，所以在设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

4、， 采用 0.18m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，从而免去了添加、配置附加外围接口的麻烦，有效

5、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 NOR FLASH 、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、图形用户界面模块、数据存储管理模块。图 1系统总体结构2.1 电源模块系统采用单节1

6、700 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。图 2电源模块方案2.2 心电数据采集由于心电图信号

7、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、低漂移和高平安性。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，那么总放大倍数为828.8 倍。图 3心电信号采集原理由于心电信号为低频信号， 因此在模拟电路上， 设计截止频率为100 Hz 的一阶低通滤波器来

8、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 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 协议，以完成心电数据的发送和诊断结果的接收。MC35是

9、 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

10、 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，建立与效劳提供商的连接。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，便可通过效劳编码99开始呼叫与效劳提供商建立连接，指令格式为ATDT*99*1#rn。假设在该指令执行之后给定的时间内返回CONNECT信息，那么说明与效劳提供商的连接建立成功；否那么，说明拨号失败，无线传输功能无法正常启动。 MC35 成功登

11、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，效劳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。待效劳参数及用户身份验证成功之后，效劳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15 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

12、。在该休眠模式下，电流一般为 3 mA 左右；MC35 无论从串口还是从效劳提供商接收到数据，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=7rn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；否那么MC35 会把将

13、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、128×64 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。 在系统运行中假设要刷新液晶显示，那么首先要更新Framebuffer 缓冲区，

14、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， 那么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技术将占用一局部内存和刷新时间，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

15、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/8 Page_end=(row+high-1)/8其中： Page_start和 Page_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 BANK0中扩展了 1 片 4M×16 位的 NOR FLASH ；在 BANK6中扩展了一片 8M× 16 位的 SDRAM ，并且利用 S3C2410 的 NAND FLASH控制器扩展了一片64M× 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局部标准， 集成了 USB 传输器，支持