基于51單片機的無線心電監護系統設計

為充分利用A/D轉換的精度，在轉換前先將信號放大到A／D轉換器電路參考電壓的70％左右，考慮到信號中有附加的直流成分，需在A／D轉換電路前增加電平調節電路。個體心電幅度的差異要求電路中設計程控放大電路，又為便于心電信號的標定和考慮到實際器件放大倍數與理論值的偏差，在程控放大前設置一個手動可調的放大電路(1～10倍)。綜合上述分析，心電采集與程控放大部分應包括：AD620前端放大、0．05～100 Hz的帶通濾波、50Hz陷波、手動放大、程控放大和電平提升等電路，如圖2所示。其中程控放大功能的實現主要利用CD4051電子開關的數字選通功能，能夠實現1～50倍的調節范圍。

2．3 NRF24L01無線發射電路
NRF24L01是單片射頻收發器件，工作于2．4～2．5 GHzISM頻段，工作電壓為1．9～3．6 V，有多達125個頻道可供選擇。通過SPI寫人數據，其速率最高可達10 Mb／s，數據傳輸速率最高可達2Mb／s，并有自動應答和自動再發射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01數據傳輸率更快，數據寫入速度更高，內嵌的功能更完備。器件內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合增強式ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序配置。器件能耗非常低，以-6 dBmW的功率發射工作電流僅9 mA，接收時工作電流只有12．3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節能設計更方便。結合C8051F320內部資源．采用自帶的SPI接口控制NRF24L01的讀寫，節省硬件資源也方便軟件的編寫。圖3為無線發射控制電路。

2．4 PC監護終端設計
C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于實現USB接口的外部設備(不能被用作USB主設備)。USB功能控制器(USB0)由串行接口引擎(SIE)、USB收發器(包括匹配電阻和可配置上拉電阻)、1 KB FIFO存儲器和時鐘恢復電路(可以不用晶體)組成，無需外部元件。USB功能控制器和收發器符合通用串行總線規范2．0版。監護終端中的單片機也采用 C8051F320，無線接收部分和圖3相同。C8051F320通過自帶的USB接口與PC進行數據通信(見圖1)。

3 系統軟件設計
3．1 數據采集盒程序設計
數據采集盒中以C8051F320單片機為核心，該器件是完全集成的混合信號片上系統MCU，具有以下特性：(1)高速、流水結構的8051兼容的微控制器內核(可達25 MI/s)；(2)全速、非侵入式的在系統調試接口(片內)；(3)通用串行總線(USB)功能控制器，有8個靈活的端點管道、集成收發器以及1 KB FIFO RAM；(4)真正10位200 ks／s的17通道單端／差分A／D轉換器，帶模擬多路器；(5)硬件實現的SMBus／I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口。
采集參數分析與確定：(1)心電能量主要分布在0．05～100 Hz之間，根據采樣定理可知A／D轉換器的采樣頻率應大于200 Hz。綜合考慮A／D轉換器采樣速度高和低功耗，將其采樣率設置為2000Hz；(2)由于A／D轉換器每次采樣時問并不相等，所以采用TIME2定時器觸發每個采樣周期；(3)為提高傳輸速度和數據傳輸效率以及達到低功耗的要求，將NRF24L01設置為數據塊傳輸模式，每采樣32個點發起一次無線數據傳輸；(4)C8051 F320中的SPI口設置為4線主方式，NRF24L01的SPI為從方式。這樣不僅滿足實時采樣要求，還充分利用硬件資源和能源。圖4為數據采集盒軟件流程。

3．2 PC監護終端軟件設計
3．2．1 C8051F320固件程序
單片機與NRF24L01間通過SPI接口交換數據，USB設置為塊狀傳輸模式與PC機進行數據通信。為和數據采集盒相兼容，仍將每32個數據打成一個數據包，也可充分利用硬件資源并提高數據傳輸效率。其流程圖與數據采集盒類似。