基于GPRS無線心電監(jiān)護終端的硬件設計

1.引言

由于心血管疾病具有病情隱蔽、發(fā)展緩慢、發(fā)病危險性高的特點,它對心臟病患者、特別是中老年患者的危險性極大,是威脅人類生命安全的“第一殺手”^[1]。在各類監(jiān)護參數(shù)中,心臟的活動是一個至關重要的生理參數(shù),特別是對患有嚴重心血管病的病人。為了阻止病人的病情惡化,需要對其進行實時監(jiān)護。因此,本文提出了一種基于GPRS標準的新型心電圖儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)護終端(便攜式心電監(jiān)護儀)、無線網(wǎng)絡和監(jiān)護中心站三部分組成。其中無線網(wǎng)絡利用現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡,在監(jiān)護終端提供接入裝置就行;監(jiān)護中心一般建在醫(yī)院日的監(jiān)護中心,心電監(jiān)護是該中心的一個部分;監(jiān)護終端是實現(xiàn)無線實時監(jiān)控的關鍵,是本文的設計重點。本文將著重介紹這種基于GPRS無線心電監(jiān)護終端的硬件設計,對另兩部分不作介紹。

2.心電監(jiān)護終端硬件總體框架

整個心電監(jiān)護終端電路設計如圖1所示,主要包括:①心電信號采集處理電路,該部分包括前置放大電路、濾波電路和后極放大電路;②心電監(jiān)護電路,QRS波提取的檢波電路、MCU和液晶顯示;③遠程通信部分,包括MCU、GSM/GPRS模塊、SIM卡和射頻電路;④電源電路。

心電信號由后極放大電路出來后分為兩路,一路徑帶通濾波和檢波電路進入MCU,實現(xiàn)對心律不正常和早搏的判斷;另一路徑MCU進入存儲器,作為完整心電信號存儲。

3. 各功能模塊硬件設計

3.1信號采集處理電路

信號采集處理電路包括三個部分:前置放大、多重濾波和后級放大。

圖1 總體設計框圖

3.1.1 前置放大級

心電前置放大^[4]要求具有非常高的輸入阻抗和共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失調(diào)、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓,一般采用同相并聯(lián)差動三運放儀表放大器,以獲得良好的綜合性能,本設計選用美國Analog Device公司的低價儀表放大器AD620,獲得了良好的電路效果。電路如圖2所示。本設計前置放大級增益設定為放大7倍。與后繼放大器組成300倍的通道增益。

圖2 前置放大電路

3.1.2 多重濾波電路

為滿足心電信號的頻帶要求同時確保信號質量,本設計包括50Hz陷波電路、肌電干擾抑制電路、高通隔直濾波等多重濾波電路。

(1)肌電干擾抑制電路

肌電信號是一種交變電壓信號,它與肌肉產(chǎn)生的力大致成比例(幅值上),頻率雖然在0~1000Hz之間,但實際上其功率譜通常集中在30~300Hz之間,其幅度的峰峰值通常為幾毫伏或更高,會對心電信號造成干擾。根據(jù)肌電干擾信號特點,本設計采用一個高截RC低通濾波器的肌電干擾抑制電路,這樣對心電信號影響小而對肌電干擾信號衰減作用強。

(2)50Hz雙T陷波電路

心電信號中的干擾以交流50Hz干擾^[5]最為嚴重,工頻干擾由周圍的儀器設備及體內(nèi)分布電容等引起,為了去除人體或測試系統(tǒng)中產(chǎn)生的工頻50Hz干擾,需用帶阻濾波器加以抑制,帶阻濾波器又稱為陷波器。本設計中采用雙T可調(diào)Q值有源濾波器^[6],它有體積小、耗電少、工作電壓低、Q值可調(diào)等優(yōu)點。本設計采用Q值可變的50Hz雙T陷波電路。

(3)高通濾波電路

由于心電信號微弱,需要多級放大,而多級直接耦合的直流放大器雖能滿足要求,但多級直接耦合的直流放大器容易引起基線飄移。此外,由于極化電壓存在的緣故,動態(tài)心電圖機的直流放大器更不能采用多級直接耦合。本設計中,在兩級放大器之間采用RC耦合電路,在隔離直流信號的同時達到高通濾波的效果。我們把心電信號的下限頻率設定為0.5Hz,即確定高通濾波電路截止頻率f0為0.5Hz,這樣可確定電阻、電容值如下。適當選取R、C值,在兩級之間組成0.5Hz高通濾波器。

3.1.3 后級放大電路

本設計心電信號采集與處理電路的信號增益由三級放大電路完成。前置放大級增益為7倍,與后級放大電路組成增益為300倍^[7]的心電信號放大電路,當體表心電輸入信號幅度在0.5mV~5mV變化時,放大輸出幅度為150mV~1.5V的心電信號,同時具有較強的負載驅動能力。

3.2 心電監(jiān)護電路

ECG信號經(jīng)帶通濾波、檢波電路檢波對QRS波處理后便于對病人的心律失常和早搏的判斷。心電監(jiān)護部分采用高性能的系統(tǒng)級MCU芯片^[8]和幾片優(yōu)質集成電路實現(xiàn)。

心電監(jiān)護部分采用高性能的系統(tǒng)級MCU芯片和幾片優(yōu)質集成電路實現(xiàn)。電路的設計充分考慮到心電信號及心電監(jiān)護的特點,做到信號輸入、輸出各自分區(qū),避免互相干擾。心電輸入信號首先經(jīng)過帶通濾波芯片處理,保留1-25Hz信號,從而極大地提高了心電信號的波形顯示的穩(wěn)定性和抗干擾能力,突出了心電監(jiān)護的特點。由于心電信號較高頻率主要集中在QRS脈沖上的特點,采用微分電路提取QRS脈沖位置信息,并由電壓比較器提取微分后的正向尖峰信號,形成脈沖寬度很窄的矩形脈沖,很大程度上提高了心率檢測的準確性,電路十分簡潔。

3.2.1 QRS波提取電路

對QRS波的辨識、提取有助于對心率異常的判斷。心電信號中QRS波幅最大、頻率最高[9](QRS波的持續(xù)時間一般為0.06～0.10秒),包含了心電信號中絕大部分中高頻信號,是整個心動周期最主要標志,其它部分信號相對頻率低、幅度小。經(jīng)心電微分及脈沖提取可以形成很窄的矩形脈沖^[10],準確標示QRS位置。而直接對輸入波形由軟件計算心率時計算較繁,易產(chǎn)生誤差。

3.2.2 液晶顯示

通過液晶顯示,病人可以查看自己當前狀態(tài)。液晶顯示屏選用圖形液晶顯示器LCM12864,內(nèi)藏東芝T6963C控制芯片。內(nèi)部具有128個字符的ROM字符發(fā)生器;其字體有四種:5×8、6×8、7×8、8×8;可對8K Byte的顯示RAM內(nèi)存操作;字符與圖形可同時顯示;T6963C的占空比可從1/16到1/128。LEM12864顯示內(nèi)容128×64點圖形陣式,顯示行數(shù)列數(shù)點大小0.40×0.40mm2,點間距0.05mm;顯示類型:STN黃綠模式;LCD背光;工作電壓:3～5V,工作電流5.8mA。

3.2.3 C8051F005簡介

本設計心電監(jiān)護顯示部分采用Cygnal集成產(chǎn)品公司最新單片機C8051F^[11]系列芯片進行設計。

C8051F系列單片機是Cygnal集成產(chǎn)品公司新推出的高速、高性能多功能的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC),具有與MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51內(nèi)核;峰值速度可達25MIPS;在一個芯片內(nèi)集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件(包括PGA、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、I²C、看門狗定時器及電源監(jiān)視器等); C8051F單片機與其他8位單片機相比具有更為優(yōu)異的性能,成為許多測控系統(tǒng)的首選機型,十分適合小型、低功耗便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品設計。

3.3遠程通信電路

遠程通信電路包括C8051F005單片機、存儲器、高度集成化的GSM/GPRS模塊、SIM卡和天線。GSM/GPRS的高度集成化,實現(xiàn)通過射頻電路向外傳輸信息只需加購手機天線即可。

3.3.1 GSM/GPRS模塊

本設計采用西門子的TC35I型GSM模塊來實現(xiàn)向外傳輸數(shù)據(jù)^[13]。TC35I提供了RS232數(shù)據(jù)串行接口,采用AT賀氏子令,符合ETSI標準和GSM11.11標準。它主要是由射頻天線、內(nèi)部Flash、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的Zip插座組成。

其中GSM基帶處理器是核心部件,它的作用相當于一個協(xié)議處理器,處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制解調(diào),實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉換,在本系統(tǒng)中只用調(diào)制部分。匹配電源為處理器以及射頻部分提供所需的電源,插座是供給用戶的應用接口。

該模塊具有技術先進、功能完善、接口齊全、性能指標好的特點,完全符合無線傳輸方案的設計要求,也滿足系統(tǒng)硬件的設計原則,是作為心電檢測數(shù)據(jù)無線傳輸核心硬件的合適選擇。

3.3.2 SIM卡

用戶識別模塊^[14](SIM卡)是一種帶微處理器的封裝在塑料中的智能IC卡,它是GSM系統(tǒng)中不可缺少的一個重要部分,是用戶進入GSM網(wǎng)絡的登記憑證。

SIM卡由CPU、工作存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM)。數(shù)據(jù)存儲器(EEPROM)和串行通信單元五部分組成,每部分為一個模塊,這五個模塊集成在一塊集成電路中。在GSM系統(tǒng)中,通過對SIM卡的物理接口、邏輯接口的明確定義,來完成與移動終端的連接和信息交換,同時在SIM卡內(nèi)進行用戶信息存儲、執(zhí)行鑒權算法和產(chǎn)生加密密鑰等工作。

3.3.3 存儲器

閃存產(chǎn)品相對于其他的移動存儲設備來說,具有中等容量,快速度,多種用途和低價的市場定位特點。常見閃存產(chǎn)品除了借由讀卡器交換數(shù)據(jù)的閃存卡,還有設計成USB2.0接口的微型閃存數(shù)據(jù)盤。目前閃存產(chǎn)品容量從16M到2G不等,體積不足一張普通電話卡一半,十分輕便小巧。廣泛應用于如PDA, MP3和手機等各種數(shù)碼產(chǎn)品中。

作為新一代的外部接口,USB2.0的優(yōu)點非常多,首先它可以支持熱插拔技術和高級即插即用功能,這樣用戶可以方便的在計算機上添加外設,而且USB接口不使用IRQ的中斷控制以及輸入輸出的地址資源,最多可以連結127個設備。另外USB接口最大的優(yōu)點就是速度快,它可以顯著提高用戶的工作效率。