一种便携式心电监测仪的设计

　　心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病之一,　心电图(ECG)则是评价心脏功能的主要依据。而目前具有心电检测、分析功能的设备价格不菲,而且主要是在医院等医疗场所才有,个人监护使用很不方便。也有针对个人的便携式产品,但一般仅能记录、存储心电数据而不带分析功能[1-2]。

       随着电子技术的发展,器件性能大大提高,使开发一种便携式、功耗低、容量大、具有分析能力的心电检测设备成为可能。本文利用ARM Cortex-M3内核的32 bit单片机作为处理器,采用大容量SD卡作为存储单元,开发出一套具有分析功能、性能强的心电检测系统。

　　1　系统原理及构成

　　系统主要分为三个部分,包括心电信号采集模块、数据存储模块和心电数据分析处理模块。系统框图如图1所示。心电信号采集模块主要由心电采集电路、信号放大电路、滤波电路和AD采样电路组成。心电信号微弱且有较多干扰,因此对这一模块的硬件和软件设计都提出了更高的要求。

　　图1　系统框图

　　数据管理模块主要完成数据的存储与回调,采用大容量的SD卡来设计,并嵌入FAT文件系统。万年历时钟给用户提供时间信息,心电数据采集后以文件的形式存入以当前时间为命名的TXT文件中,这样便于读取和传输。心电分析处理模块主要完成心电信号预处理、QRS波检测及常见疾病分析,实时显示处理结果及实现病情报警。用户可通过键盘与LCD显示与系统实现人机交互。

　　2　硬件设计

　　心电信号经放大电路和滤波电路处理后,由单片机完成AD采样。放大电路采用TI公司的仪用放大器INA128设计,可以过到较高的共模抑制比。心电信号进行软件滤波和数据分析处理时的运算相当复杂,不仅要求运算速度快而且要求计算的精度高,这就使得CPU处理器的选择显得尤为重要。本系统选用 LuminaryMicro公司的LM3S1138单片机芯片作为CPU。该芯片是基于ARM Cortex-M3内核哈佛结构,采用ARMv7-M架构的32 bit处理器,它拥有硬件除法单周期乘法的32 bitRSIC,运算速度快。内部有64 K单周期Flash, 16 KB单周期访问的SRAM,可以在50MHz的工作频率下运行,这对提高数据运算的速度,实现算法的实时性有很大帮助。而且该芯片价格便宜、功耗低,片上外设丰富,不用另外设计电路便可以完成心电信号的AD采样。

　　数据存储模块是整个系统的重要组成部分之一,本系统选用大容量SD卡作为存储媒介,它读写速度快、尺寸小、而且安全性高[3],能够达到长时间监测的要求。SD卡与单片机的接口电路如图2所示。SD卡的数据输入、输出管脚与单片机的SPI口相连,并由单片机提供SPI时钟信号,用于同步单片机 SPI与SD卡之间的数据传输。检测信号线CARD_INSER用于检测卡是否插入。SD卡的供电方式采用可控方式,其作用是为了防止SD卡进入不确定状态时,可通过对卡重新上电使卡复位而无须拨出。可控电路采用P型场效应晶体管2SJ355,由CPU与D_POWER相接的管脚进行控制。