便携式心电监护仪的设计
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通过前一节的阐述可知心电信号是一种典型的体表电信 号，具有生物电信号的普遍特征，如信号源内阻较大、频 率低、背景噪声强且易受外界因素干扰等，为采集和测量 带来了难度。由于本系统需要进行较多的处理与运算，所 以对处理器的数据处理能力和速度有较高的要求。如果选 择速度较快的处理器，则外围设备也要有与之相适应的性 能指标。综合考虑各个方面因素，系统总设计要求如下： （1）对微弱的心电信号进行放大和滤波等必要的信号处 理，包括：
1）前置放大部分电路具有高输入阻抗，以便拾取微弱 信号，同时有高共模抑制比，以消除工频及电极极化电位 的干扰；
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2）设计合理的有源滤波器，能够进行0.03-100Hz的带通滤 波，抑制50Hz工频信号；
3）适当的增益且可调节，以便处理心电信号幅度波动较 大的情况；
4）低噪声，低飘逸，使微弱且信噪比低的心电信号不被 淹没并避免前置放大器饱和； （2）进行复核数据要求的采集 1）根据MIT的心电数据库，普通的心电数据位数一般在10位 以上，故本系统也满足此要求；
1.2便携式心电监护仪的总体方案 便携式心电监护仪由电源及充电切换电路、医用电极、输 入缓冲及十二通道切换电路、心电信号调节电路（前置放大 电路、高通滤波电路、低通滤波电路、陷波电路、末级放大 器）、ARM9处理器、LED显示器、键盘及报警电路、
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片外存储器、控制逻辑等组成，便携式心电监护仪的组成 框图
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医用电极从人体体表提取心电信号，通过屏蔽电缆连接到 具有过压保护功能的输入缓冲及通道切换，屏蔽电缆减小了 分布电容的影响，过压保护可防止人体静电对电路造成破坏。 典型的心电信号峰峰值为1mV，信号频谱分布在0.03-100Hz， 经过心电信号调理电路滤波放大处理后变为0-5V的信号，送 入模数转换器的控制，简化了电路设计。模数转换器转换后 的心电信号根据需求可直接或者经控制逻辑数字滤波后传输 至ARM系统，同时保存于片外存储器。控制逻辑与片外存储 器间采用DMA方式通信，有效减少芯片工作时间，降低能耗。 AMR系统的处理器采用Samsung 公司的S3C2440A，其体积小， 功耗低，存储容量大，是研制便携式心电监护系统的硬件基 础，主要完成人机交互的LED显示和控制，运行心电信号预 警的判别算法，提高上位机接口。为了进一步简化电路设计， 降低系统成本，利用SC2440A处理器本身的丰富外围接口代 替无线通信模块实现与上位机的数据传输，有RS232、I2C、 SPI、USB等多种通信协议选择，增加系统配置的灵活性。
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2.2 电源方案设计与实现 为了保证便携式心电监护仪的连续运行能力，系统有两套电 源方案： （1）采用1800mAh的锂离子电池供电，其能量密度高、工作范 围广、无记忆效应等优点使其特别适合便携式设备的能量解 决方案；
在允许外接电源的情况下由电源适配器向系统部分供电， 同时通过充电切换电路对锂离子电池充电。可根据实际情况 选用微型继电器或者模拟开关完成切换进行充电。电源系统 结构如图
便携式心电监护仪的设计
白玉苹
摘要
本章根据心电信号的生成及特点，提 出便携式心电监护仪设计要求，并确定 系统的实现功能。在此基础上，设计便 携式心电监护仪的总体方案，包括前端 模拟电路的结构，处理器的选择，数字 系统的结构等。
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一、便携式心电监护仪的总体设计方案
1.1便携式心电监护仪设计要求与实现功能
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2.3数据存储及传输设计
本监护仪设计中采集的心电信号最高频率为 100Hz，因此，采样率应不低于200Hz，以保证转换 后的信号不失真。若以12位精度进行采样，一次转 换的数据需要两个字节的存储空间，记录24小时的 心电数据至少需要32.9MB的存储空间，且要求存 储器要具有掉电不丢失的特点。综合以上因素，选 择Flash存储器作为心电监护仪的主要存储介质。 Flash存储器是一种可在线多次擦除的非易失性存储 器，掉电后数据不会丢失，并具有体积小、功耗低、 抗震性强等优点。
2）根据奈奎斯特准则，采样平率要求信号频率的2倍以上， 所以系统的数据采样频率至少要达到200Hz以上； （3）选择合适的处理器和外围设备
1）运算速度快，实时性好，功耗低Βιβλιοθήκη Baidu外围接口丰富； 2）有良好的开发环境支持。
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在此基础上，确定心电监护系统要实现的总体功能是： （1）确保安全性，确保人体的绝对安全。 （2）对放大和滤波处理后的心电信号进行实时不掉点的采 集和传输，达到12位分辨率、200Hz的采样频率。 （3）硬件平台可以运行嵌入式Windows CE操作系统。 （4）系统中有大容量的外部存储器，可以将U-BOOT、内核 和文件系统等映像文件和心电数据记录于外部存储器中。 （5）实现良好的人机接口，使用户可以通过触摸屏控制程 序运行，通过LCD液晶屏观察心电信号。 （6）实现通信功能，可以与PC机直接通信，也可通过互联 网实现远程监护。
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总电路图
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小结
本章阐述了心电监护仪的低功耗设计，低功耗设 计并非是某一层面、某一角度的设计问题，应当从 整体的角度加以考虑，是一个硬件设计与软件控制 相互配合的协调过程。监护仪使用了低功耗期间， 采取时钟频率调整和动态电压调节技术完成底层的 功耗控制；通过在应用层软件中实施特定的控制策 略降低功耗，给出了模拟电路和ARM系统在Pspice下 的功耗仿真结果；讨论了算法的复杂程度对功耗的 影响，从软件角度提出了有效优化能量消耗的措施。
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谢谢！
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二、 便携式心电监护仪的数字系统设计
心电信号的数字处理部分需要完成的功能包括：对完成调 整的心电信号进行高分辨率的A/D采样；将数据存储于片上或 者片外的存储介质；与上位机的的通信；心电波形的实时显 示等。满足上述需求的数字系统的CPU要求功能强、功耗低、 开发便利，综合考虑采用Samsung公司的ARM9系列S3C2440A 处理器。 2.1 电路总体结构框架设计
1）前置放大部分电路具有高输入阻抗，以便拾取微弱 信号，同时有高共模抑制比，以消除工频及电极极化电位 的干扰；
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2）设计合理的有源滤波器，能够进行0.03-100Hz的带通滤 波，抑制50Hz工频信号；
3）适当的增益且可调节，以便处理心电信号幅度波动较 大的情况；
4）低噪声，低飘逸，使微弱且信噪比低的心电信号不被 淹没并避免前置放大器饱和； （2）进行复核数据要求的采集 1）根据MIT的心电数据库，普通的心电数据位数一般在10位 以上，故本系统也满足此要求；
1.2便携式心电监护仪的总体方案 便携式心电监护仪由电源及充电切换电路、医用电极、输 入缓冲及十二通道切换电路、心电信号调节电路（前置放大 电路、高通滤波电路、低通滤波电路、陷波电路、末级放大 器）、ARM9处理器、LED显示器、键盘及报警电路、
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片外存储器、控制逻辑等组成，便携式心电监护仪的组成 框图
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医用电极从人体体表提取心电信号，通过屏蔽电缆连接到 具有过压保护功能的输入缓冲及通道切换，屏蔽电缆减小了 分布电容的影响，过压保护可防止人体静电对电路造成破坏。 典型的心电信号峰峰值为1mV，信号频谱分布在0.03-100Hz， 经过心电信号调理电路滤波放大处理后变为0-5V的信号，送 入模数转换器的控制，简化了电路设计。模数转换器转换后 的心电信号根据需求可直接或者经控制逻辑数字滤波后传输 至ARM系统，同时保存于片外存储器。控制逻辑与片外存储 器间采用DMA方式通信，有效减少芯片工作时间，降低能耗。 AMR系统的处理器采用Samsung 公司的S3C2440A，其体积小， 功耗低，存储容量大，是研制便携式心电监护系统的硬件基 础，主要完成人机交互的LED显示和控制，运行心电信号预 警的判别算法，提高上位机接口。为了进一步简化电路设计， 降低系统成本，利用SC2440A处理器本身的丰富外围接口代 替无线通信模块实现与上位机的数据传输，有RS232、I2C、 SPI、USB等多种通信协议选择，增加系统配置的灵活性。
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2.2 电源方案设计与实现 为了保证便携式心电监护仪的连续运行能力，系统有两套电 源方案： （1）采用1800mAh的锂离子电池供电，其能量密度高、工作范 围广、无记忆效应等优点使其特别适合便携式设备的能量解 决方案；
在允许外接电源的情况下由电源适配器向系统部分供电， 同时通过充电切换电路对锂离子电池充电。可根据实际情况 选用微型继电器或者模拟开关完成切换进行充电。电源系统 结构如图
便携式心电监护仪的设计
白玉苹
摘要
本章根据心电信号的生成及特点，提 出便携式心电监护仪设计要求，并确定 系统的实现功能。在此基础上，设计便 携式心电监护仪的总体方案，包括前端 模拟电路的结构，处理器的选择，数字 系统的结构等。
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一、便携式心电监护仪的总体设计方案
1.1便携式心电监护仪设计要求与实现功能
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2.3数据存储及传输设计
本监护仪设计中采集的心电信号最高频率为 100Hz，因此，采样率应不低于200Hz，以保证转换 后的信号不失真。若以12位精度进行采样，一次转 换的数据需要两个字节的存储空间，记录24小时的 心电数据至少需要32.9MB的存储空间，且要求存 储器要具有掉电不丢失的特点。综合以上因素，选 择Flash存储器作为心电监护仪的主要存储介质。 Flash存储器是一种可在线多次擦除的非易失性存储 器，掉电后数据不会丢失，并具有体积小、功耗低、 抗震性强等优点。
2）根据奈奎斯特准则，采样平率要求信号频率的2倍以上， 所以系统的数据采样频率至少要达到200Hz以上； （3）选择合适的处理器和外围设备
1）运算速度快，实时性好，功耗低Βιβλιοθήκη Baidu外围接口丰富； 2）有良好的开发环境支持。
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在此基础上，确定心电监护系统要实现的总体功能是： （1）确保安全性，确保人体的绝对安全。 （2）对放大和滤波处理后的心电信号进行实时不掉点的采 集和传输，达到12位分辨率、200Hz的采样频率。 （3）硬件平台可以运行嵌入式Windows CE操作系统。 （4）系统中有大容量的外部存储器，可以将U-BOOT、内核 和文件系统等映像文件和心电数据记录于外部存储器中。 （5）实现良好的人机接口，使用户可以通过触摸屏控制程 序运行，通过LCD液晶屏观察心电信号。 （6）实现通信功能，可以与PC机直接通信，也可通过互联 网实现远程监护。
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总电路图
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小结
本章阐述了心电监护仪的低功耗设计，低功耗设 计并非是某一层面、某一角度的设计问题，应当从 整体的角度加以考虑，是一个硬件设计与软件控制 相互配合的协调过程。监护仪使用了低功耗期间， 采取时钟频率调整和动态电压调节技术完成底层的 功耗控制；通过在应用层软件中实施特定的控制策 略降低功耗，给出了模拟电路和ARM系统在Pspice下 的功耗仿真结果；讨论了算法的复杂程度对功耗的 影响，从软件角度提出了有效优化能量消耗的措施。
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谢谢！
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二、 便携式心电监护仪的数字系统设计
心电信号的数字处理部分需要完成的功能包括：对完成调 整的心电信号进行高分辨率的A/D采样；将数据存储于片上或 者片外的存储介质；与上位机的的通信；心电波形的实时显 示等。满足上述需求的数字系统的CPU要求功能强、功耗低、 开发便利，综合考虑采用Samsung公司的ARM9系列S3C2440A 处理器。 2.1 电路总体结构框架设计