单片机与DSP中的用单片机实现三导联远程心电监护系统
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2020-12-09
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单片机与单片机与DSP中的用单片机实现三导联远程心电监护系统中的用单片机实现三导联远程心电监护系统
用单片机实现三导联远程心电监护系统 张 石 董建威 王军辉 禹建喜 赵善国 1 引 言 随着人们生活水平的提高、
生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。而心电图则是治
疗此类疾病的主要依据，具有诊断可靠，方法简便，对病人无损害的优点，在现代医学中，变得越来越重要。
常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时仅为几s～1 m，只能获取少量有关心脏状态
的信息，所以在有限时间内
用单片机实现三导联远程心电监护系统
张 石 董建威 王军辉 禹建喜 赵善国
1 引 言
随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。而心
电图则是治疗此类疾病的主要依据，具有诊断可靠，方法简便，对病人无损害的优点，在现代医学中，变得越来越重要。常规
心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时仅为几s～1 m，只能获取少量有关心脏状态的信息，所以在有
限时间内即使发生心率失常，被发现的概率也是很低的。因此有必要通过相应的监护装置对患者进行长时间的实时监护，记录
患者的心电数据。又由于心脏病的发生具有突发性的特点，患者不可能长时间地静卧在医院，但又需实时得到医护人员的监
护，所以研发相应的便携式无线心电监护产品就显得更加重要。
目前虽说国内已有成型的无线心电监护产品，但其采用的方案大都是“采集器+发送器（PDA或手机）”，这必然导致其价格昂
贵，且PDA或手机的其他功能对于绝大部分患者完全没有必要，所以到目前为止国内实用的无线心电监护产品领域还是空
白。本文所述的远程心电监护系统是在医院的提案基础之上，进行充分调研之后设计的总体方案，主要实现如下功能： 三导
联心电信号采集； 无线传输紧急情况下40 s的心电数据及诊断结果； 24小时心电图连续记录； 通过高速USB上传心电数据至
PC机； 紧急呼叫。
2 系统总体设计
作为便携式手持远程移动终端，在设计时应充分考虑其体积小，功耗低，存储容量大和处理速度高的要求，因此在CPU的选
择上十分慎重。经过资料收集和反复比较，最终选择了Samsung公司推出的基于ARM920T内核的S3C2410处理器，该处理器
资料丰富，性价比高。 采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点： 体积小，功耗低，成本低，性能高； 支持
Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集； 大量使用寄存器，使指令执行速度更快； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令
长度固定。
可以看出基于ARM的嵌入式处理器是便携式手持终端的最佳选择，所以在设计系统方案时首先定位在该系列处理器上。
S3C2410处理器基于ARM920T处理器核，采用0.18 μm制造工艺的32位微控制器，采用五级流水线和哈佛结构，最高运行频
率为203 MHz。该处理器具有：独立的16 KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制
器、3路UART、4路带PWM的Timer、丰富的I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、IICBUS接口，以及2个USB主机和1
个USB设备等丰富的外围设备。
S3C2410提供了一套较完整的通用外围设备，且使整个系统的功耗最低，从而免去了添加、配置附加外围接口的麻烦，有效
地缩小了线路板的面积，这也正是本系统选择该处理器的重要原因。 系统的整体结构如图1所示，以S3C2410为核心，外扩了
8 MB的NOR FLASH、64 MB的NAND FLASH以及16 MB的SDRAM等存储芯片，通过GPIO口扩展了键盘、LCD和蜂鸣器等
人机接口单元，对外提供USB和UART等通信接口，同时连接了Siemens公司的MC35模块，以实现无线传输和紧急呼叫功
能。从系统的总体功能结构来看，可将系统划分为5个模块：电源模块、心电数据采集模块、数据无线传输模块、图形用户界
面模块、数据存储管理模块。
2.1 电源模块
系统采用单节1700 mAh锂离子可充电电池供电，但随着电量的释放，电压也在不断降低，变化范围为4.2~2.75 V。而本系统
中分别需要一个4.3 V的MC35工作电压、一个3.3 V的I/O电压、一个1.8 V的CPU核电压和一个1.8 V的CPU职守电压。为了满
足系统的要求，电源电路中必须同时具备升压稳压器和低压差线性稳压器。为了解决该问题系统采用1个开关型升压DCDC稳
压器、1个3.3 V极低压差线性稳压器和2个带有Shutdown引脚的1.8 V低压差线性稳压器来组成供电系统，供电方案如图2所
示。
2.2 心电数据采集
由于心电图信号的检测是属于强噪声背景下的超低频（0.5～100 Hz）微弱（0.1～5 mV）信号检测，具有微弱性、稳定性、
低频特性和随机性等特点，故要求前置级应满足高输入阻抗、高共模抑制比（CMRR）、低噪声、低漂移和高安全性。微弱的
心电信号受到来自人体内外的多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中，为了使其特征突出，就有必要对其进行预处理。系
统采用的心电信号采集原理如图3所示。其中前置级采用差动放大电路，其放大倍数为22.4倍；后级放大电路的放大倍数为37
倍，则总放大倍数为828.8倍。
由于心电信号为低频信号，因此在模拟电路上，设计截止频率为100 Hz的一阶低通滤波器来滤除高频干扰，采用二阶VCVS带
阻滤波器来滤除50 Hz工频干扰。在数字处理上，为了抑制对心电信号影响较大的工频干扰和基线漂移，采用2 048点FFT对输
入的一帧心电数据进行时域—频域的变换，然后去除0.5 Hz以下的低频和50 Hz的工频；同时为了抑制高频噪声和50 Hz倍频
造成的干扰，又滤除了100 Hz以上的频率，然后再进行IFFT将此组数据变换回时域。
2.3 数据无线传输模块
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