Abstract：
Key words :
</a>放大器" title="放大器">放大器" title="放大器">放大器采用了具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低失調電壓和漂移、在低增益條件下具有穩定性的儀表放大器INA326[2]。人體皮膚和電極之間存在原電池效應, 使電極之間存在連續的電位差, 為避免該電位差經過放大后造成后級電路飽和, 前置放大器的增益設置為5。信號需放大至數伏量級才能滿足A/D 轉換的要求, 因此設置次級放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調電壓和漂移、低噪聲的運算放大器OPA335。兩級放大后的總增益為1000, 符合要求。
心電信號中常混有低頻和直流干擾, 其中, 由于金屬電極、導電介質和皮膚之間的化學反應而產生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設計了截止頻率為0.1Hz 的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應地, 高頻干擾信號通過一個截止頻率為100Hz 的二階低通濾波器予以濾除。此外, 采用由輔助運算放大器生成的共模電壓使共模信號反相, 經限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過右腿驅動電極回送至人體, 這對50Hz 工頻干擾而言是一種深度負反饋, 因而可以有效加以抑制[3]。
實驗表明, 該采集方案所得到的心電波形毛刺少,基線漂移很小, 具有良好的效果。
為防止導聯脫落或松動而造成誤判, 還設計了導聯脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358 采用單電源供電時可接成跟隨器, 當其同相端處于懸空狀態時會輸出穩定的高電平。導聯脫落檢測電路就是利用LM358 的這一特性而設計的。
2 .2 主控單片機模塊
主控單片機采用PIC16F877A 單片機。該單片機可在線調試和編程, 便于開發, 而且功耗很低, 適合應用于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉換并與GPRS 模塊進行通信, 還負責外擴Flash 存儲器和實時時鐘的管理。
PIC16F877A 單片機具有10 位片內A/D 轉換器, 其工作方式和轉換結果存放格式通過寄存器ADCON0 和ADCON1 進行設置, A/D 轉換結果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設計中, 選擇系統時鐘作為A/D 轉換時鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉換結果格式為左對齊, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中。考慮到A/D 轉換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發送數據量的要求, 在設計中忽略ADRESL 寄
存器中的數據, 即只采用轉換結果的高8 位。系統中心電信號的采樣頻率為500Hz, 采用定時器TMR0 完成2ms 定時。
單片機片外擴展了4MB Nand Flash 存儲器, 用于暫存心電數據, 經過一定時間后由無線模塊集中發送, 用戶也可以選擇在A/D 轉換后不經存儲就直接發送。在心電監護中, 醫生常要求知道心電信號出現異常的時間, 因此使用DS1302設計了實時時鐘電路。
2 .3 GPRS 無線模塊
GPRS 無線模塊采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多時隙class 10, 可提供語音、數據、傳真和短信息服務功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內嵌了GSM/GPRS 協議棧,是否嵌入TCP/IP 協議棧可由用戶選擇。根據系統需要,這里選擇了內嵌TCP/IP 協議棧的模塊。
GPRS 無線模塊硬件連接如圖4 所示。單片機對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實現。無線模塊提供了一個符合V24 協議的6 線主串行接口, 包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR 等, 此外還提供了與通用I/O 口復用的DCD 和RI 信號接口。為節省單片機引腳資源, 在設計中將無線模塊的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引腳分別與單片機的RC6、RC7 引腳相連, 其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機發送AT 命令和心電數據給無線模塊, 無線模塊則將響應信息發送給單片機, 從而完成單片機對無線模塊的狀態控制和數據發送。無線模塊提供了與SIM卡相關的信號接口, SIMVCC 為SIM 卡供電, SIMRST 為低時使SIM 卡復位, SIMCLK 提供時鐘信號, SIMDATA 用來實現與SIM 卡的數據通信, SIMPRES 用來檢測SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信號接口可以不使用, 如果不用則將其與VCC 相連[5]。為調試和使用方便, 在設計中還提供了GPRS 連接狀態指示燈和硬件復位電路。
2 .4 電源模塊
系統需要實現連續24 小時心電監護, 普通容量的電池難以滿足要求, 因此選擇了3.7V 2400mAh 的可充電鋰電池為系統供電。系統中單片機、儀表放大器、運算放大器等芯片的電源電壓應為5V, Q2406B 無線模塊的電源電壓范圍為3.3V～4.5V, 所以必須采用不同的電壓產生電路來滿足不同的電源電壓要求。本系統使用RichTek 公司的RT9278 來設計4V 和5V 電源電路, 4V電源電路的驅動電流接近2A。系統還使用RT9501 設計了鋰電池的充電電路, 當電路板連接外部電源時, 將由外部電源為系統供電, 同時為鋰電池充電。此外, 還用RT9801 設計了低壓報警電路, 在電池電量不足時及時提醒用戶為電池充電或更換電池。Q2406B 無線模塊使用了一個接收端口和一個發送端口, 進行數據傳輸時電
流約為150mA, 而1 秒內只需發送500 字節數據, 即大部分時間并不處于數據傳輸狀態, 所以其平均電流只有幾十毫安。用直流電源對電路板進行供電, 發現電路板的平均電流約為90mA。長時間測試表明, 電源模塊工作穩定, 可以保證約24 小時的連續心電監護。
心電信號中常混有低頻和直流干擾, 其中, 由于金屬電極、導電介質和皮膚之間的化學反應而產生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設計了截止頻率為0.1Hz 的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應地, 高頻干擾信號通過一個截止頻率為100Hz 的二階低通濾波器予以濾除。此外, 采用由輔助運算放大器生成的共模電壓使共模信號反相, 經限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過右腿驅動電極回送至人體, 這對50Hz 工頻干擾而言是一種深度負反饋, 因而可以有效加以抑制[3]。
實驗表明, 該采集方案所得到的心電波形毛刺少,基線漂移很小, 具有良好的效果。
為防止導聯脫落或松動而造成誤判, 還設計了導聯脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358 采用單電源供電時可接成跟隨器, 當其同相端處于懸空狀態時會輸出穩定的高電平。導聯脫落檢測電路就是利用LM358 的這一特性而設計的。
2 .2 主控單片機模塊
主控單片機采用PIC16F877A 單片機。該單片機可在線調試和編程, 便于開發, 而且功耗很低, 適合應用于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉換并與GPRS 模塊進行通信, 還負責外擴Flash 存儲器和實時時鐘的管理。
PIC16F877A 單片機具有10 位片內A/D 轉換器, 其工作方式和轉換結果存放格式通過寄存器ADCON0 和ADCON1 進行設置, A/D 轉換結果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設計中, 選擇系統時鐘作為A/D 轉換時鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉換結果格式為左對齊, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中。考慮到A/D 轉換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發送數據量的要求, 在設計中忽略ADRESL 寄
存器中的數據, 即只采用轉換結果的高8 位。系統中心電信號的采樣頻率為500Hz, 采用定時器TMR0 完成2ms 定時。
單片機片外擴展了4MB Nand Flash 存儲器, 用于暫存心電數據, 經過一定時間后由無線模塊集中發送, 用戶也可以選擇在A/D 轉換后不經存儲就直接發送。在心電監護中, 醫生常要求知道心電信號出現異常的時間, 因此使用DS1302設計了實時時鐘電路。
2 .3 GPRS 無線模塊
GPRS 無線模塊采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多時隙class 10, 可提供語音、數據、傳真和短信息服務功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內嵌了GSM/GPRS 協議棧,是否嵌入TCP/IP 協議棧可由用戶選擇。根據系統需要,這里選擇了內嵌TCP/IP 協議棧的模塊。
GPRS 無線模塊硬件連接如圖4 所示。單片機對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實現。無線模塊提供了一個符合V24 協議的6 線主串行接口, 包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR 等, 此外還提供了與通用I/O 口復用的DCD 和RI 信號接口。為節省單片機引腳資源, 在設計中將無線模塊的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引腳分別與單片機的RC6、RC7 引腳相連, 其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機發送AT 命令和心電數據給無線模塊, 無線模塊則將響應信息發送給單片機, 從而完成單片機對無線模塊的狀態控制和數據發送。無線模塊提供了與SIM卡相關的信號接口, SIMVCC 為SIM 卡供電, SIMRST 為低時使SIM 卡復位, SIMCLK 提供時鐘信號, SIMDATA 用來實現與SIM 卡的數據通信, SIMPRES 用來檢測SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信號接口可以不使用, 如果不用則將其與VCC 相連[5]。為調試和使用方便, 在設計中還提供了GPRS 連接狀態指示燈和硬件復位電路。
2 .4 電源模塊
系統需要實現連續24 小時心電監護, 普通容量的電池難以滿足要求, 因此選擇了3.7V 2400mAh 的可充電鋰電池為系統供電。系統中單片機、儀表放大器、運算放大器等芯片的電源電壓應為5V, Q2406B 無線模塊的電源電壓范圍為3.3V～4.5V, 所以必須采用不同的電壓產生電路來滿足不同的電源電壓要求。本系統使用RichTek 公司的RT9278 來設計4V 和5V 電源電路, 4V電源電路的驅動電流接近2A。系統還使用RT9501 設計了鋰電池的充電電路, 當電路板連接外部電源時, 將由外部電源為系統供電, 同時為鋰電池充電。此外, 還用RT9801 設計了低壓報警電路, 在電池電量不足時及時提醒用戶為電池充電或更換電池。Q2406B 無線模塊使用了一個接收端口和一個發送端口, 進行數據傳輸時電
流約為150mA, 而1 秒內只需發送500 字節數據, 即大部分時間并不處于數據傳輸狀態, 所以其平均電流只有幾十毫安。用直流電源對電路板進行供電, 發現電路板的平均電流約為90mA。長時間測試表明, 電源模塊工作穩定, 可以保證約24 小時的連續心電監護。
3 監護終端軟件設計
系統中單片機的主要任務是完成心電信號的A/D轉換并與GPRS 無線模塊進行通信以完成數據傳輸。本文只對這部分的軟件設計進行介紹。系統軟件流程圖如圖5 所示。
串口工作于異步串行方式, RC6 設置為串口輸出,RC7 設置為串口輸入, 波特率設置為9600bps , 這足以滿足系統需求。ADC 模塊的初始化主要是選擇A/D 轉換的時鐘及其頻率、模擬輸入通道、轉換結果的對齊方式等, 定時器0 的初始化主要是選擇定時器的分頻比。然后單片機發送相應的AT 命令給GPRS 無線模塊, 使其進入數據狀態( 具體AT 命令從略) 。完成單片機和GPRS 無線模塊初始化后, 單片機即以500Hz 采樣頻率對心電信號進行采樣, 并通過GPRS 無線模塊向外發送心電數據, 該過程不斷地循環。當監護結束時可以通過發送Ctrl+z( 0x1a ) 使GPRS 無線模塊退出數據狀態, 然后通過AT 命令將其關閉。
監護終端在深圳、北京、長沙等地已進行了約兩個月的測試, 整個系統工作穩定、可靠, 并結合軟件組同學開發的心電綜合分析軟件完成了心電信號的采集、發送、接收、分析、診斷, 其效果得到了深圳市部分三甲醫院心內科主任醫師的好評。但測試中發現在移動網絡較為繁忙的時段, 心電數據的傳輸速度會有所下降, 導致心電綜合分析軟件中顯示的心電波形有時會不連續, 可以考慮在數據發送策略、波形顯示方式等方面做進一步的改進。
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