动态心电监护仪中心电信号采集与无线收发系统的设计

动态心电监护仪中心电信号

采集与无线收发系统的设计Ξ

王　伟,李章勇

(重庆邮电学院生物信息学院,重庆400065)

摘要:解决动态监护仪由于功能强大所导致的体积重量增大,从而用户佩戴不便的缺点。利用ADμC812l控制芯片和nRF401无线收发芯片设计一个基于无线的心电信号采集与收发系统。结果表明,装置中信号采集系统与信号分析系统得到分离,心电信号采集后通过无线方式传送至信号分析系统。无线方式传递心电信号克服了用户佩戴装置过程中的不适,增强了设备应用的灵活性。

关键词:心电信号;数据采集;无线传送;ADμC812l控制芯片;nRF401无线收发芯片

中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:167226278(2005)022*******

The Design of ECG Data Acquisition and

Wireless T ransceiver System in Ambulatory ECG Monitoring

WANG Wei,LI Zhang-yong

(College o f Biological Information,Chongqing Univer sity o f Posts and Telecommunications,Chongqing400065China)

Abstract:T o overcome one of the drawbacks of ambulatory ECG m onitoring which is not suitable for patient.A data acquisition and wire2 less transceiver system was designed which was based on ADμC812l and nRF401.The results showed that data acquisition can be separated from signal processing system.In this way,drawbacks can be overcome and the m ore flexible method can be obtained.

K ey w ords:E lectrocardiogram;Data acquisition;Wireless transceiver;ADμC812;nRF401

由于未能及时发现病变进行早期抢救,许多心脏病患者会极易死亡。如果实时观察患者处于正常生活、工作、活动条件时的心电变化,将会获得患者初级、潜在的心脏疾病的心电信息,使心脏病的早期诊断和治疗成为可能。动态心电监护仪作为一种对心血管疾病进行长期监测小型随身佩戴装置,在临床与健康护理中得到广泛应用。但随着电子技术、计算机技术的发展,人们对其功能提出越来越高的要求,如图形显示、网络连接、实时诊断等过去依靠PC机实现的高级功能也成为其必备的基本功能,从而使装置整体体积变大,重量也随之增大,佩戴过程中会影响患者的正常生活[1,2]。因此,我们设计一个基于无线传输的心电信号采集与传送系统,将数据采集端与信号处理部分分开,使用户只需佩戴采集端即可实现心电信号的长期监测与实时分析,增强了设备的灵活性,减轻用户携带完整装置给生活造成的不便。

1　系统原理

系统硬件结构主要分为3部分:(1)心电采集及放大电路;包括心电电极、放大电路,实现心电信号的采集及放大工作;(2)核心控制及A/D转换电路,主要由ADμC812单片机构成,实现电路系统控制、信号A/D转换功能;(3)无线发送/接收电路。利用nRF401无线收发芯片设计信号发送与接收电路,实现心电信号的无线发送和控制信号接收。

1.1　心电采集及放大电路

生物医学工程研究

Journal of Biomedical Engineering Research

Ξ国家自然科学基金资助项目(60471041);重庆邮电学院科学基金资助项目(A2004-61)。

作者简介:王伟(1977-),男,重庆邮电学院生物信息学院教师,主要从事智能医学仪器的开发。

心电采集及放大电路设计采用两级放大电路设计[3,4],前置放大电路的性能指标决定了整个电路的输入特性,因此选用输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低和功耗低的AD623芯片。后置放大电路选用功耗极低的IC L7642构成。电路原理图见图1,总放大倍数为1000。此外,滤波电路选用IC L7642外接电阻电容构成,高通滤波电路截止频率0.05H z ,用以去除基线漂移;低通滤波电路截止频率100H z ,既抑制高频干扰又满足采样抗混叠的要求

。

图1　心电采集及放大电路框图

Fig 1　The frame of ECG d ata acquisition and amplification system

1.2　核心控制及A/D 转换电路

AD μC812[5]是一款完整数据采集系统芯片,其内部包含了一个A/D 转换器和一个与8051兼容的

MC U ,具有多路传输、采样/保持、片内基准电压、自校准等特性,利用其设计信号采集系统时无需外接

A/D 转换器及采样保持电路。而且,AD μC812芯片

内部还固化了方便实用的监控调试软件,使电路具有在线下载/调试/编程的功能,开发过程中无需仿真器即可进行系统调试,降低了开发成本。

因此,我们选用AD μC812作为核心控制及A/D

转换芯片,可以直接利用P1口对放大后的模拟心电信号进行采样,从而直接实现数据采集与A/D 转换功能,明显简化了电路结构,减小了整个系统的体积

重量。而且,AD

μC812的MC U 内核和A/D 转换器均有正常、空闲和掉电工作模式,使系统具有灵活的电源管理模式,低功耗得到了保证。1.3　无线发送/接收电路

电路设计自始至终均要求体积小、功耗低。但传统的无线传送设计方案不是电路繁琐,就是调试困难,且所需的外围器件多,限制了它在本设计中的应用。nRF401是一款利用蓝牙核心技术设计的无线收发一体芯片[6],它内部集成高频接收/发射、P LL 合成、FSK 调制/解调和双频切换等单元,频率稳定性极好,具有较强的抗干扰能力。芯片本身可直接与单片机串口连接,也可经电平转换后与PC 机串口连接,而且传输数据时无须进行曼彻斯特编码,明显减少了软件的编写量和产品开发难度。电路结构示意图见图2,只需利用一个nRF401芯片和简单的外围电路,即可实现设计所要求的信号无线

发送/接收功能。

电路中,nRF401芯片的DI N 、DOUT 引脚直接与AD μC812的TX D 、RX D 引脚连接,实现了AD μC812与nRF401之间的数据传输,省略了数据的曼彻斯特编码过程。nRF401芯片进入正常工作状态后,还需进行收发转换控制和电源管理状态转换,因此,选用AD μC812的P0.0、P0.1、P0.2引脚分别与nRF401的CS 、PWR-UP 、TXE N 引脚相连接,用户即可方便地实现电路无线发送与接收过程的转换和芯片的电源管理方式

。

图2　无线收发系统框图

Fig 2　The block diagram of wireless transceiver system

2　系统软件设计

系统软件主要包括AD 采集控制部分和无线收

发控制部分。由于AD μC812内部包含的MC U 与

8051兼容,系统软件可直接采用单片机语言编写,图3为主程序流程图。

在采集控制部分,系统只需对AD μC812内部ADCC ON1、ADCC ON2和ADCC ON33个特殊功能寄

存器进行配置,即可控制ADC 的转换和采样时间、

转换模式、掉电模式和通道选择,比传统的ADC 芯片的工作方式更加灵活方便[3]。

在无线收发控制部分,直接利用单片机的引脚对nRF401状态进行控制,而无线收发的实现和普通的串口通信的实现基本一样,只需要对ADUC812的通用串行接口进行初始化操作。但为避免开机时产生干扰,上电过程中TXE N 引脚必须为低电平,以便频率合成器进入稳定工作状态。此外,nRF401工作于半双工状态,不同工作模式切换时,电路出现延迟现象,程序中需做相应的延时处理。具体转换时间见表1。

3　结束语

在动态心电监护系统中,利用无线方式传送心

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9 生物医学工程研究 第24卷