基于单片机的便携式心电监测仪

仪器仪表与检测技术

Instrumentation and Measu rement

自动化技术与应用 2004年第23卷第7期基于单片机的便携式心电监测仪

白霄波,朱 峰

(西南交通大学电气工程学院,四川 成都 610031)

摘要:文章介绍了一个基于单片机的心电监测系统,该系统实现了单片机和LCD代替PC和显示器,系统体积小,且具有实时显示波形、无创、安全、采样率高、操作简单、设备廉价等特点,因而具有较高临床应用价值。

关键词:心电监测;单片机;LCD

中图分类号:TP274 5 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2004)07-0055-03

The ECG Detecting System Based o n a

Single-Chip Co m upter

BAI Xiao-bo,ZHU Feng

(School of Electric Eng.Southwest Jiaotong Universi ty,Chengdu610031China)

Abstract:The article introduces the ECG detecting system based on M icrocontroller.The system uses the Microcon troller and LCD in-stead of the PC and display.The system has the following features,such as s mall size、real time、display、safe、high sampling freque-ncy、si mple operation and cheapness.So the sys tem have high value in clinic.

Key words:The ECG detecting;Microcontroller;LCD

1 引言

目前,以采集心电信号、分析和诊断为主的心电监护系统已经得到了广泛的应用,对于心脏系统疾病的预防、诊断发挥了很大的作用[1]。经研究,发现大部分具有以下特点[2][3]:采取前后端结构,前端是以模拟电路为核心的心电采集系统,后端是以PC为核心的控制和处理系统,两者之间通过通信端口来进行通信。然而,这存在以下两大缺陷:一,随着医疗设备向小型化和便携式的发展,PC和显示器相对而言体积比较大,对于一些特定的场合(比如病人床边、家中)很不方便;二,价格昂贵,且必须匹配PC机,这对于一般用户而言难以接受。鉴于以上缺点,我们自行研制了基于单片机的心电监测系统。该系统具有一下特点:

(1)操作方便,测量简单,设备廉价,易于推广使用;

(2)测量具有无创、安全、准确、可重复性强等;

(3)可实时显示波形;

(4)高采样频率(每秒高达1000个采样点),高分辨率,无间收稿日期:2003-12-26断采样和快速传送数据保证信号的不失真再现;

2 采样系统

本文采用AT89C51和小型LCD代替PC和显示器

2.1 AT89C51的特点[4]

AT89C51是美国ATMEL公司的MCS51系列单片机的一种通用芯片,具有如下的特点:

(1)与80C51兼容;

(2)具有4Kbytes可重复编程的闪存,可写入/擦除1000次以上,数据保存10年以上;

(3)操作频率:0Hz~24MHz;

(4)三层可编程的存储器上锁;

(5)128个位组的内部数据存储器;

(6)32条可编程的I/O线;

(7)2组16位定时器/计数器;

(8)6个中断源(5个向量源);

(9)可编程的串行通道(本系统不用);

(10)低功率停顿和功率下降模式;

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2.2 系统硬件设计

本系统的硬件结构如图1所示,首先从被测对象提取微弱

的心电信号,滤除干扰信号后进行放大,把取得的模拟信号送入

AD 转换器,通过单片机控制进行定时采样,并把数据及时送给LCD

显示。该系统主要有一下几个模块。

图1 系统框图

2.2.1 模拟电路模块

该模块主要包括一下几个方面的内容:

(1)采用单导联三电极方式,左右手为差动输入,右腿提供共模驱动信号。前置放大电路采用ADI 公司的AD620仪表放大器,该放大器共模抑制比高,低噪声。为了确保AD620低噪声性能,需要在AD620的1脚和8脚之间接一精密电阻构成需要的增益。基本电路如图2

所示。

图2 前置放大电路

(2)电极和患者的皮肤直接接触,其接触的密切程度不同会产生较大的极化电压,而引起基线漂移现象,因而需要RC 抑制极化电路;同时为防止由于干扰而产生的脉冲电压对电路损坏需设计特异处理电路。

(3)干扰措施:测量系统中不可避免的会串入外部的干扰信号,特别是50Hz 的工频干扰,在输入电路中采用三运放够成50Hz 的带通滤波器,把得到的信号反相加到原信号上,这样就滤去了50Hz 的干扰分量,经实测对50Hz 信号的衰减可达到80db 。

(4)低通滤波器和电位提升:一般而言,人体的大部分心电信号分布在零点几赫兹到35Hz 之间,因此低通滤波电路的截止频率设计在100Hz;为了和后面的A/D 模块单端输入相匹配,进行必要的电位提升,使得心电信号的电平在0电位以上。2.2.2 数字电路模块

从滤波器输出的信号经过电平迁移电路与钳位电路使幅值输出限制在0~5V 的范围内。至此,对信号的模拟处理已经完成,在A/D 转换器的输入端得到幅值适当、波形清晰的心电信号。

本系统对信号进行数字化处理的分辨率定为8位。8位的分辨率能满足计算精度的要求,而8位数据由于正好是一个字节,所以处理起来很方便。设计中,采用8位串行接口A/D 转

换器TLC0832芯片进行信号的A/D 转换,该芯片由CMOS 工艺制成,功耗低,体积小,符合本系统的要求。

经过A/D 转换的数字信号送入单片机进行分析处理,并将波形显示在液晶屏上。本系统采用内置T6963C 控制器型液晶显示模块,其驱动控制系统是由液晶显示控制器T6963C 及其周边电路、行驱动器、列驱动器组以及液晶驱动偏压电路组成。T6963C 是日本东芝公司的产品,它不仅具有基本的文本显示和图形显示功能,而且还具备文本属性显示功能。T6963C 与计算机接口部分由指令锁存器、数据锁存器、数据缓冲器、状态寄存器以及数据控制电路、数据栈区等组成,它们用于接收计算机信息以及向计算机发送信息和显示数据。如图3给出了单片机和液晶显示模块的接口

电路。

图3 单片机与液晶显示模块接口电路图

3 嵌入式软件的设计

嵌入式软件主要完成对实时采样以及及时的送数据给LCD 进行显示。为了达到实时的目的并且又不失真地再现ECG 信号,采取每采一个数据就显示一个数据的方法;数据的采样在中断中实现,即每隔1ms 就进入定时器中断进行采样,采样完成后进入显示数据主程序。其程序流程图见图4、图5:

(1)采样频率的设定:关于心电记录的很多仪器其采样频率一般都在200/秒,为了真实地再现信号和进行精确的测量,我们把采样频率提高到1000/秒,并且是不间断采样,这样的优点是任何时刻的数据都没有丢失。

(2)中断方式:对模拟信号每隔1ms 就进行一次采样,我们

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