基于GPRS 的遠程心電實時監護終端
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2 .1 心電采集模塊
人體心電信號的主要頻率范圍為0.05～100Hz, 幅值范圍為0.5～5mV。心電信號中通常混雜有其他生物電信號, 還容易受到以50Hz 工頻干擾為主的電磁信號干擾,因此對心電信號的檢測屬于強噪聲背景下低頻微弱信號的檢測。為得到適合于臨床應用的干凈心電信號, 必須對心電信號進行合理的放大和濾波處理, 其原理框圖如圖3 所示。
由于人體皮膚阻抗比較大, 而心電信號十分微弱,且存在許多干擾信號, 因此前置放大器采用了具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低輸入偏置電流、低失調電壓和漂移、在低增益條件下具有穩定性的儀表放大器INA326[2]。人體皮膚和電極之間存在原電池效應, 使電極之間存在連續的電位差, 為避免該電位差經過放大后造成后級電路飽和, 前置放大器的增益設置為5。信號需放大至數伏量級才能滿足A/D 轉換的要求, 因此設置次級放大的增益為200。這里采用了具有寬增益、低失調電壓和漂移、低噪聲的運算放大器OPA335。兩級放大后的總增益為1000, 符合要求。
心電信號中常混有低頻和直流干擾, 其中, 由于金屬電極、導電介質和皮膚之間的化學反應而產生的直流偏壓是主要干擾成分, 因此設計了截止頻率為0.1Hz 的二階高通濾波器來濾除這部分干擾。相應地, 高頻干擾信號通過一個截止頻率為100Hz 的二階低通濾波器予以濾除。此外, 采用由輔助運算放大器生成的共模電壓使共模信號反相, 經限流電阻回送至人體來抑制50Hz工頻干擾。反相共模信號通過右腿驅動電極回送至人體, 這對50Hz 工頻干擾而言是一種深度負反饋, 因而可以有效加以抑制[3]。
實驗表明, 該采集方案所得到的心電波形毛刺少,基線漂移很小, 具有良好的效果。
為防止導聯脫落或松動而造成誤判, 還設計了導聯脫落檢測及報警電路。運算放大器LM358 采用單電源供電時可接成跟隨器, 當其同相端處于懸空狀態時會輸出穩定的高電平。導聯脫落檢測電路就是利用LM358 的這一特性而設計的。
2 .2 主控單片機模塊
主控單片機采用PIC16F877A 單片機。該單片機可在線調試和編程, 便于開發, 而且功耗很低, 適合應用于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成心電信號A/D轉換并與GPRS 模塊進行通信, 還負責外擴Flash 存儲器和實時時鐘的管理。
PIC16F877A 單片機具有10 位片內A/D 轉換器, 其工作方式和轉換結果存放格式通過寄存器ADCON0 和ADCON1 進行設置, A/D 轉換結果則存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本設計中, 選擇系統時鐘作為A/D 轉換時鐘, RA0 作為模擬輸入通道。轉換結果格式為左對齊, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中。考慮到A/D 轉換本身存在的誤差以及壓縮無線模塊發送數據量的要求, 在設計中忽略ADRESL 寄
存器中的數據, 即只采用轉換結果的高8 位。系統中心電信號的采樣頻率為500Hz, 采用定時器TMR0 完成2ms 定時。
單片機片外擴展了4MB Nand Flash 存儲器, 用于暫存心電數據, 經過一定時間后由無線模塊集中發送, 用戶也可以選擇在A/D 轉換后不經存儲就直接發送。在心電監護中, 醫生常要求知道心電信號出現異常的時間, 因此使用DS1302設計了實時時鐘電路。
2 .3 GPRS 無線模塊
GPRS 無線模塊采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多時隙class 10, 可提供語音、數據、傳真和短信息服務功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源, 電壓范圍為3.3V～4.5V[5]。模塊基帶部分內嵌了GSM/GPRS 協議棧,是否嵌入TCP/IP 協議棧可由用戶選擇。根據系統需要,這里選擇了內嵌TCP/IP 協議棧的模塊。
GPRS 無線模塊硬件連接如圖4 所示。單片機對無線模塊的控制通過無線模塊主串口實現。無線模塊提供了一個符合V24 協議的6 線主串行接口, 包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR 等, 此外還提供了與通用I/O 口復用的DCD 和RI 信號接口。為節省單片機引腳資源, 在設計中將無線模塊的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引腳分別與單片機的RC6、RC7 引腳相連, 其余無線模塊主串口引腳則不使用。單片機發送AT 命令和心電數據給無線模塊, 無線模塊則將響應信息發送給單片機, 從而完成單片機對無線模塊的狀態控制和數據發送。無線模塊提供了與SIM卡相關的信號接口, SIMVCC 為SIM 卡供電, SIMRST 為低時使SIM 卡復位, SIMCLK 提供時鐘信號, SIMDATA 用來實現與SIM 卡的數據通信, SIMPRES 用來檢測SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信號接口可以不使用, 如果不用則將其與VCC 相連[5]。為調試和使用方便, 在設計中還提供了GPRS 連接狀態指示燈和硬件復位電路。
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