基于C8051单片机的无线心电监护系统设计

　　1　引言

　　随着经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，健康已成为人们关注的焦点。心脏疾病是危害人类健康的一大杀手，其偶然性与突发性的特点使得心电监护系统具有重要的临床应用价值。由于传统的心电监护仪不能进行远距离的实时监护，所以便携式无线心电监护系统显得更加重要。 无线医疗监护系统主要由生理信息与数据采集、 无线数据通信、　控制和显示等单元组成[1]。 目前国内已有用于临床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)”，从成本上看其价格昂贵;从无线传输方面看，大多　　是将心电数据以模拟信号传输，这必然导致信号在传输过程中发生失真。 此外， 由于人体电阻差异导致心电信号在 1~10 mV 之间变动，固定放大倍数系统缺乏适应性 。

　　基于此，这里提出基于 C8051F320 单片机的无线监护系统。 该系统分为数据采集盒和 PC 监护终端两部分。 数据采集盒在设计中充分考虑其体积小、功耗低、操作快捷的要求，因此全部采用 SMT 封装的元器件;PC 监护终端通过 USB 接收数据，采用 VC++编写显示、存储、分析处理和报警等功能程序。实验结果表明该系统能满足病人在 100 m 范围内活动，并能根据不同病人选择合适的放大倍数; 由于心电信号在数据采集盒内经 A/D 转换器处理后才发送，信号抗干扰能力更强。

　　2　系统硬件设计

　　2.1　系统整体构成

　　系统由数据采集盒和 PC 监护终端两部分构成， 见图 1。数据采集盒采用 C8051F320 单片机为核心采集心电数据并控制程控放大器，采用 NRF24L01 模块收发数据与 PC 监护终端通信。PC 监护终端中 C8051F320 单片机通过 NRF24L01 模块接收心电数据并通过自带的 USB 接口将数据送至 PC 机。

    　2.2心电采集与程控放大电路

　　心电信号属于微弱信号，由于个体差异，体表心电信号的测量幅值范围为 1~10 mV，在测量心电信号时存在较强干扰， 包括测量电极与人体之间构成的化学半电池所产生的直　　流极化电压;以共模电压形式存在的 50 Hz 工频干扰;人体运动、呼吸引起的基线漂移;肌肉收缩引起的肌电干扰等[2]。 针对极化电压和肌电干扰，采用 HOLTER 遥测三导连线和一次性心电电极与人体接触，其中一次性心电电极采用氯化银和医用压敏胶制成，能很好地减小肌电干扰。 共模干扰的存在要求前置放大器具有极高共模抑制比(CMRR)，不低于 80 B。　　根据以上要求，前端放大器采用仪用 AD620 放大器，放大倍数约 50 倍;同时为抑制基线漂移和高频噪声的影响，后端电路采用 0.05~100 Hz 的带通滤波器进一步处理信号进行，然后通过 50 Hz 的陷波电路再次处理信号。 为充分利用 A/D 转换的精度，在转换前先将信号放大到 A/D 转换器电路参考电压的 70%左右，考虑到信号中有附加的直流成分，需在 A/D转换电路前增加电平调节电路。 个体心电幅度的差异要求电路中设计程控放大电路，又为便于心电信号的标定和考虑到实际器件放大倍数与理论值的偏差，在程控放大前设置一个手动可调的放大电路(1~10 倍)。 综合上述分析，心电采集与程控放大部分应包括：AD620 前端放大、0.05~100 Hz 的带通滤波、50 Hz 陷波、手动放大、程控放大和电平提升等电路，如图 2 所示。 其中程控放大功能的实现主要利用 CD4051 电子开关的数字选通功能[3]，能够实现 1~50 倍的调节范围。