基于GPRS无线心电监护终端的硬件设计

1.引言

由于心血管疾病具有病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点,它对心脏病患者、特别是中老年患者的危险性极大,是威胁人类生命安全的“第一杀手”^[1]。在各类监护参数中,心脏的活动是一个至关重要的生理参数,特别是对患有严重心血管病的病人。为了阻止病人的病情恶化,需要对其进行实时监护。因此,本文提出了一种基于GPRS标准的新型心电图仪系统。该系统由监护终端(便携式心电监护仪)、无线网络和监护中心站三部分组成。其中无线网络利用现代的通信网络和计算机网络,在监护终端提供接入装置就行;监护中心一般建在医院日的监护中心,心电监护是该中心的一个部分;监护终端是实现无线实时监控的关键,是本文的设计重点。本文将着重介绍这种基于GPRS无线心电监护终端的硬件设计,对另两部分不作介绍。

2.心电监护终端硬件总体框架

整个心电监护终端电路设计如图1所示,主要包括:①心电信号采集处理电路,该部分包括前置放大电路、滤波电路和后极放大电路;②心电监护电路,QRS波提取的检波电路、MCU和液晶显示;③远程通信部分,包括MCU、GSM/GPRS模块、SIM卡和射频电路;④电源电路。

心电信号由后极放大电路出来后分为两路,一路径带通滤波和检波电路进入MCU,实现对心律不正常和早搏的判断;另一路径MCU进入存储器,作为完整心电信号存储。

3. 各功能模块硬件设计

3.1信号采集处理电路

信号采集处理电路包括三个部分:前置放大、多重滤波和后级放大。

图1 总体设计框图

3.1.1 前置放大级

心电前置放大^[4]要求具有非常高的输入阻抗和共摸抑制比(CMRR)、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压,一般采用同相并联差动三运放仪表放大器,以获得良好的综合性能,本设计选用美国Analog Device公司的低价仪表放大器AD620,获得了良好的电路效果。电路如图2所示。本设计前置放大级增益设定为放大7倍。与后继放大器组成300倍的通道增益。

图2 前置放大电路

3.1.2 多重滤波电路

为满足心电信号的频带要求同时确保信号质量,本设计包括50Hz陷波电路、肌电干扰抑制电路、高通隔直滤波等多重滤波电路。

(1)肌电干扰抑制电路

肌电信号是一种交变电压信号,它与肌肉产生的力大致成比例(幅值上),频率虽然在0~1000Hz之间,但实际上其功率谱通常集中在30~300Hz之间,其幅度的峰峰值通常为几毫伏或更高,会对心电信号造成干扰。根据肌电干扰信号特点,本设计采用一个高截RC低通滤波器的肌电干扰抑制电路,这样对心电信号影响小而对肌电干扰信号衰减作用强。

(2)50Hz双T陷波电路

心电信号中的干扰以交流50Hz干扰^[5]最为严重,工频干扰由周围的仪器设备及体内分布电容等引起,为了去除人体或测试系统中产生的工频50Hz干扰,需用带阻滤波器加以抑制,带阻滤波器又称为陷波器。本设计中采用双T可调Q值有源滤波器^[6],它有体积小、耗电少、工作电压低、Q值可调等优点。本设计采用Q值可变的50Hz双T陷波电路。

(3)高通滤波电路

由于心电信号微弱,需要多级放大,而多级直接耦合的直流放大器虽能满足要求,但多级直接耦合的直流放大器容易引起基线飘移。此外,由于极化电压存在的缘故,动态心电图机的直流放大器更不能采用多级直接耦合。本设计中,在两级放大器之间采用RC耦合电路,在隔离直流信号的同时达到高通滤波的效果。我们把心电信号的下限频率设定为0.5Hz,即确定高通滤波电路截止频率f0为0.5Hz,这样可确定电阻、电容值如下。适当选取R、C值,在两级之间组成0.5Hz高通滤波器。

3.1.3 后级放大电路

本设计心电信号采集与处理电路的信号增益由三级放大电路完成。前置放大级增益为7倍,与后级放大电路组成增益为300倍^[7]的心电信号放大电路,当体表心电输入信号幅度在0.5mV~5mV变化时,放大输出幅度为150mV~1.5V的心电信号,同时具有较强的负载驱动能力。

3.2 心电监护电路

ECG信号经带通滤波、检波电路检波对QRS波处理后便于对病人的心律失常和早搏的判断。心电监护部分采用高性能的系统级MCU芯片^[8]和几片优质集成电路实现。

心电监护部分采用高性能的系统级MCU芯片和几片优质集成电路实现。电路的设计充分考虑到心电信号及心电监护的特点,做到信号输入、输出各自分区,避免互相干扰。心电输入信号首先经过带通滤波芯片处理,保留1-25Hz信号,从而极大地提高了心电信号的波形显示的稳定性和抗干扰能力,突出了心电监护的特点。由于心电信号较高频率主要集中在QRS脉冲上的特点,采用微分电路提取QRS脉冲位置信息,并由电压比较器提取微分后的正向尖峰信号,形成脉冲宽度很窄的矩形脉冲,很大程度上提高了心率检测的准确性,电路十分简洁。

3.2.1 QRS波提取电路

对QRS波的辨识、提取有助于对心率异常的判断。心电信号中QRS波幅最大、频率最高[9](QRS波的持续时间一般为0.06～0.10秒),包含了心电信号中绝大部分中高频信号,是整个心动周期最主要标志,其它部分信号相对频率低、幅度小。经心电微分及脉冲提取可以形成很窄的矩形脉冲^[10],准确标示QRS位置。而直接对输入波形由软件计算心率时计算较繁,易产生误差。

3.2.2 液晶显示

通过液晶显示,病人可以查看自己当前状态。液晶显示屏选用图形液晶显示器LCM12864,内藏东芝T6963C控制芯片。内部具有128个字符的ROM字符发生器;其字体有四种:5×8、6×8、7×8、8×8;可对8K Byte的显示RAM内存操作;字符与图形可同时显示;T6963C的占空比可从1/16到1/128。LEM12864显示内容128×64点图形阵式,显示行数列数点大小0.40×0.40mm2,点间距0.05mm;显示类型:STN黄绿模式;LCD背光;工作电压:3～5V,工作电流5.8mA。

3.2.3 C8051F005简介

本设计心电监护显示部分采用Cygnal集成产品公司最新单片机C8051F^[11]系列芯片进行设计。

C8051F系列单片机是Cygnal集成产品公司新推出的高速、高性能多功能的混合信号系统级芯片(SOC),具有与MCS-51指令集完全兼容的高速CIP-51内核;峰值速度可达25MIPS;在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件(包括PGA、ADC、DAC、电压比较器、电压基准、温度传感器、I²C、看门狗定时器及电源监视器等); C8051F单片机与其他8位单片机相比具有更为优异的性能,成为许多测控系统的首选机型,十分适合小型、低功耗便携式医疗电子产品设计。

3.3远程通信电路

远程通信电路包括C8051F005单片机、存储器、高度集成化的GSM/GPRS模块、SIM卡和天线。GSM/GPRS的高度集成化,实现通过射频电路向外传输信息只需加购手机天线即可。

3.3.1 GSM/GPRS模块

本设计采用西门子的TC35I型GSM模块来实现向外传输数据^[13]。TC35I提供了RS232数据串行接口,采用AT贺氏子令,符合ETSI标准和GSM11.11标准。它主要是由射频天线、内部Flash、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的Zip插座组成。

其中GSM基带处理器是核心部件,它的作用相当于一个协议处理器,处理外部系统通过串口发送过来的AT指令。射频天线部分主要实现信号的调制解调,实现外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换,在本系统中只用调制部分。匹配电源为处理器以及射频部分提供所需的电源,插座是供给用户的应用接口。

该模块具有技术先进、功能完善、接口齐全、性能指标好的特点,完全符合无线传输方案的设计要求,也满足系统硬件的设计原则,是作为心电检测数据无线传输核心硬件的合适选择。

3.3.2 SIM卡

用户识别模块^[14](SIM卡)是一种带微处理器的封装在塑料中的智能IC卡,它是GSM系统中不可缺少的一个重要部分,是用户进入GSM网络的登记凭证。

SIM卡由CPU、工作存储器(RAM)、程序存储器(ROM)。数据存储器(EEPROM)和串行通信单元五部分组成,每部分为一个模块,这五个模块集成在一块集成电路中。在GSM系统中,通过对SIM卡的物理接口、逻辑接口的明确定义,来完成与移动终端的连接和信息交换,同时在SIM卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。

3.3.3 存储器

闪存产品相对于其他的移动存储设备来说,具有中等容量,快速度,多种用途和低价的市场定位特点。常见闪存产品除了借由读卡器交换数据的闪存卡,还有设计成USB2.0接口的微型闪存数据盘。目前闪存产品容量从16M到2G不等,体积不足一张普通电话卡一半,十分轻便小巧。广泛应用于如PDA, MP3和手机等各种数码产品中。

作为新一代的外部接口,USB2.0的优点非常多,首先它可以支持热插拔技术和高级即插即用功能,这样用户可以方便的在计算机上添加外设,而且USB接口不使用IRQ的中断控制以及输入输出的地址资源,最多可以连结127个设备。另外USB接口最大的优点就是速度快,它可以显著提高用户的工作效率。