摘 要： 設計了一種基于EFM32單片機的實時同步監測體征和心電信號的系統。該系統以EFM32單片機系統作為數據處理核心，以其外接的A/D進行模數轉換，以CC2500無線模塊作為傳輸平臺，利用MATLAB對PC機接收到的數據進行處理并即時顯示。具有簡單、實時、穩定性好、智能化程度高等特點，能夠全面地評估和監測心臟活動狀態，有效地預測診斷心臟疾病；有助于空巢老年人日常監測、室內工作者心臟監測和評估、醫院對病人睡眠質量和藥物作用監測等。
關鍵詞： 體征信號；心電信號；實時監測；EFM32單片機；智能化；無線傳輸
0引言
現今中國已逐漸進入老齡化社會，而且這種趨勢在今后幾十年將會愈加顯著。當前如何做好對老年人的日常監護，已成為一個全民族所關注的社會問題。
目前，市面上同時監測體征信號（BCG）和心電信號（ECG）的裝置還很少，已有的基于無線傳感網絡的生命體征監護系統存在功率高、系統利用率低、網絡化管理欠缺等問題[1-3]。因此，研制一種體積小、穩定性好、功耗低、集成度高并能實時監測體內器官功能變化的系統尤其必要。本文設計了一種基于EFM32單片機的實時同步監測BCG和ECG的裝置，基于上述問題，利用人體內細微的變化所產生的作用力來監測體內各器官，尤其是心臟的實時變化狀況，以達到方便數據管理、實時監測、可靠性好、集成度高的目的；為老年人日常生活監護提供更實際的保障以及醫生對病人呵護提供更科學的指導和建議。
1 系統方案
為了便于體征和心電信號同步監測，系統設計如圖1所示。
根據系統框圖，系統對信號的采集到實時顯示可分為三部分：信號采集、信號傳輸、實時監測[4]。
（1）信號采集：該部分主要包含傳感器電路和信號處理電路。傳感器電路是一個由四個壓力傳感器組成的全橋電路，它的主要作用是把由心率、呼吸及身體移動引起的體動信號傳送到信號處理電路中。信號處理電路由前置放大電路、增益可調放大電路、低通濾波電路及電池供電電路組成，采集過程如下：當測試者站在傳感器電路上時，隨著呼吸、心率的變化，會產生一種細微的作用力，這種作用力通過傳感器系統轉換為一個帶有直流偏移的交流電壓輸出[5]。傳感器電路采集到的信號經過差分電路前置放大、50 Hz陷波器、第一級放大電路、低通濾波器、50 Hz陷波器、增益可調放大電路送到示波器。在差分電路中，因為其高穩定性、高共模抑制比使得有用的差模信號得以保留，共模信號被消除。信號兩次通過50 Hz陷波器是為了消除其本身50 Hz信號的干擾。
（2）信號傳輸：采集到的模擬信號經過單片機、A/D模塊轉換后，再經無線模塊傳送到PC機。本系統中，數字控制單元EFM32單片機外帶A/D轉換芯片，無線傳輸單元采用CC2500無線射頻芯片[3]。
（3）實時監測：PC機對接收到的數據處理后，再通過MATLAB GUI實時滾動顯示，實現了PC機的實時監測。
2 體征和心電信號實時監測系統硬件設計
2.1 信號采集模塊
2.1.1 傳感器電路
傳感器電路即壓力全橋電路。心跳、呼吸及身體位移引起的體動信號傳送到信號處理電路中，當壓力傳感器受到外力作用時，傳感器彈性會發生形變，從而使得貼在彈性梁部位的應變片電阻值發生變化，在激勵電壓的作用下，輸出的電信號也發生正比例變化。根據所測得的電信號就可以計算出外界作用力的大小，從而達到測力的目的[6]。當測試者進行測試時，傳感器電路將體內各器官，尤其是心臟跳動所引起的身體對支撐物體的作用力轉化為帶有直流偏移的交流電壓信號，在這個過程中，體重本身產生直流電壓，體動信號則是由交流電壓對心臟內部的跳動造成的對支撐物的一種作用力。
2.1.2 信號處理模塊
信號處理模塊主要用于將微弱的體動信號放大，其中前置放大電路用于消除共模干擾，保留差模信號；增益可調放大電路用于放大差模信號。
具體流程如圖2和圖3所示。
2.2 信號傳輸模塊
信號采集模塊輸出的信號為模擬信號，由A/D轉換電路、數字控制單元、無線傳輸模塊構成的信號傳輸模塊將模擬信號轉換為數字信號。信號傳輸模塊的框圖如圖4所示。
2.3 PC機采集與監測
系統采用了CC2500無線收發模塊，終端節點（End Device，ED）采集好數據后發送到與PC機相連的節點（Access Device，AP），利用EFM32單片機對其進行處理，再通過串口送到PC機，MATLAB將讀取到的數據實時顯示出來[7]。PC機監測模塊的框圖如圖5所示。
3 軟件設計
本系統以EFM32單片機作為核心模塊，利用其內部ADC轉換芯片，以CC2500無線模塊作為無線收發芯片，通過傳感技術、無線收發技術和計算機技術實現了心臟信號的采集和監測。
整個系統由兩大塊組成，終端設備節點和上PC機程序端。終端設備節點（ED）為信號采集和發送端，由無線收發芯片CC2500和核心模塊EFM32單片機構成。AP（Access Device）為上PC機程序端，由無線收發芯片CC2500和核心模塊EFM32單片機構成。程序設計流程：首先，數據中心設備經過AP，EFM32初始化，實現與計算機的通信，并等待ED終端節點設備的加入；當ED端有信號輸入后，將信號進行A/D轉換并通過CC2500無線模塊發送到AP端，AP端則通過串口送到PC機進行顯示[8]。系統設計流程圖如圖6所示。
4 結果顯示
信號整體測試：測試者站在稱上，將前置放大器的輸入端接在傳感器的輸出端，用示波器測試在安靜狀態下的BCG波形。圖7所示為PC機實時監測圖像，圖8為體征和心電信號的實時同步監測圖。在圖8中CH1為BCG波形，CH2為ECG波形，可以看出BCG波形與ECG同步，稍滯后于心電信號波形。從波形來看，信號采集模塊裝置的設計是滿足要求的，也是合理的。
5 結論
該同步監測系統設計完成后，已經在一定的范圍內進行了實踐，反應良好，效果顯著。該系統能夠有效實時地監測人體各器官活動狀態，為老年人的日常生活、醫院對病人的心臟檢查等提供了一定的便捷。若進一步對軟硬件進行完善，將可使其成為老年人日常身體常規監測、醫院檢測不可或缺的工具。
參考文獻
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