基于虚拟仪器技术的家用心电仪的设计 计算机硬件, 数据采集, 互联网, 心血管, 技术

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0引言

心血管疾病日益严重地威胁着人类的生命，通过日常监护预先发现异常，及时施救，是对抗心血管疾病的重要手段。近年来一些便携式的家用心电仪陆续诞生，满足了心电参数快速采集的基本需求，改善了家庭护理条件。随着计算机和互联网技术的发展，远程监护系统应运而生，远程数据采集和分析对便携式心电仪在信息可视化、数据记录分析以及资源共享等方面提出了新的需求。

虚拟仪器是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯及图形用户界面的软件组成的测试系统。它以计算机作为统一的硬件平台，把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，兼具传统仪器的功能和计算机智能资源。利用虚拟仪器强大的数据分析和图形界面功能，开发小型化、模块化、网络化的家用心电仪，可以很好地实现信息可视化、数据分析和远程共享功能。


图1 基于虚拟仪器技术的家用心电监护系统结构示意图

本文设计了一种基于虚拟仪器技术的家用心电监护系统（如图1），重点介绍可移动终端与虚拟分析仪的设计与实现。可移动终端基于51单片机与相关的模拟电路开发实现，虚拟分析仪则通过计算机上的LabVIEW软件编程实现。患者的心电信息由可移动终端采集，经处理得到标准化的数字信号，无线传送至虚拟分析仪，实现图形化的显示、记录与数据分析功能。虚拟分析仪还能通过互联网实现与专业医疗机构的信息共享，达到对特定对象重点监护的目的。

1可移动终端

可移动终端实现心电信号的采集、传输与就地显示，由心电信息采集模块、主控制器、显示模块、电源模块和无线通讯模块五部分组成（图2）。


图2 可移动终端结构图

1.1心电信息采集模块

体表心电信号极其微弱，极易夹杂噪声干扰，心电信息采集模块就是通过反复的放大与滤波来提取其中的有效信息。信号处理步骤主要包括：前置放大、带通滤波、工频陷波、次级放大和电平抬升（图3）。


图3 心电信息采集模块电路结构框图

图4 LMC7660电压转换电路原理图

前置放大部分采用具有高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路。带通滤波部分由高通滤波器和低通滤波器组成，设计通频带为0.3～100Hz.50Hz工频干扰采用双T陷波电路来抑制。滤除噪声之后，还需经过次级放大与电平抬升以使波形覆盖A/D采样的电压范围，保证转换精度，通过同相放大电路与加法电路实现。信号最后输出到主控制器STC12C5A08AD的A/D模块。

为保证系统的性能，前置放大电路采用高精度、高输入阻抗仪表放大器AD620，其他电路均选用高精度低噪声运算放大器OP07来设计。

1.2电源模块

系统采用5V锂电池供电，但由于运算放大器需要正负电源供电，所以通过LMC7660来设计一个-5V的电压转换电路。LMC7660是高度集成的CMOS电压转换器，只需外接一个10μF的充电电容（图4），具有宽工作电压范围与高电压转换效率的特点。

1.3无线通讯模块

无线通讯模块是联系可移动终端与虚拟分析仪的纽带，保证了系统的便携性与灵活性。选用APC220集成半双工微功率无线数据传输模块，该模块嵌入高速单片机和高性能射频芯片，为底层设置提供了通用接口，方便在线修改参数，无需编写复杂的设置与传输程序，大大提高了开发效率。其引脚定义如表1所示。





可移动终端与虚拟分析仪各配一块APC220模块，终端与APC220直接通过串口（RXD、TXD）连接，分析仪则通过TTL-USB转换器与APC220通讯。

1.4主控制器与显示模块

主控制器是整个可移动终端的核心，接收信息采集模块输出的波形，实现A/D转换与数据输出功能，选用51内核的单片机STC12C5A08 AD.STC12C5A08AD是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k字节Flash，1280字节RAM，内部集成8路10位高速A/D转换通道。显示模块选用点阵式图形液晶显示屏FYD12864，分辨率为128×64点，带中文字库。

主控制器电路包括时钟电路、复位电路、A/D接口电路、显示接口电路和串行通信电路（图5）。单片机通过P1.0（ADC0）口接收采集模块的输出信号；通过地址线（P2.3，P2.4）、数据线（P0口）、控制线（P2.0，P2.1，P2.2，P2.5）控制12864显示屏；通过串行口（P3.0，P3.1）与通讯模块相连。复位电路包括上电复位与按键复位；晶振的时钟频率选为11.0592MHz，确保精确的通信波特率。


图5 主控制器及其接口电路原理图