基于GPRS 的远程心电实时监护终端
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2 .1 心电采集模块
人体心电信号的主要频率范围为0.05～100Hz, 幅值范围为0.5～5mV。心电信号中通常混杂有其他生物电信号, 还容易受到以50Hz 工频干扰为主的电磁信号干扰,因此对心电信号的检测属于强噪声背景下低频微弱信号的检测。为得到适合于临床应用的干净心电信号, 必须对心电信号进行合理的放大和滤波处理, 其原理框图如图3 所示。
由于人体皮肤阻抗比较大, 而心电信号十分微弱,且存在许多干扰信号, 因此前置放大器采用了具有高共模抑制比、高输入阻抗、低输入偏置电流、低失调电压和漂移、在低增益条件下具有稳定性的仪表放大器INA326[2]。人体皮肤和电极之间存在原电池效应, 使电极之间存在连续的电位差, 为避免该电位差经过放大后造成后级电路饱和, 前置放大器的增益设置为5。信号需放大至数伏量级才能满足A/D 转换的要求, 因此设置次级放大的增益为200。这里采用了具有宽增益、低失调电压和漂移、低噪声的运算放大器OPA335。两级放大后的总增益为1000, 符合要求。
心电信号中常混有低频和直流干扰, 其中, 由于金属电极、导电介质和皮肤之间的化学反应而产生的直流偏压是主要干扰成分, 因此设计了截止频率为0.1Hz 的二阶高通滤波器来滤除这部分干扰。相应地, 高频干扰信号通过一个截止频率为100Hz 的二阶低通滤波器予以滤除。此外, 采用由辅助运算放大器生成的共模电压使共模信号反相, 经限流电阻回送至人体来抑制50Hz工频干扰。反相共模信号通过右腿驱动电极回送至人体, 这对50Hz 工频干扰而言是一种深度负反馈, 因而可以有效加以抑制[3]。
实验表明, 该采集方案所得到的心电波形毛刺少,基线漂移很小, 具有良好的效果。
为防止导联脱落或松动而造成误判, 还设计了导联脱落检测及报警电路。运算放大器LM358 采用单电源供电时可接成跟随器, 当其同相端处于悬空状态时会输出稳定的高电平。导联脱落检测电路就是利用LM358 的这一特性而设计的。
2 .2 主控单片机模块
主控单片机采用PIC16F877A 单片机。该单片机可在线调试和编程, 便于开发, 而且功耗很低, 适合应用于对功耗敏感的场合。主控单片机主要完成心电信号A/D转换并与GPRS 模块进行通信, 还负责外扩Flash 存储器和实时时钟的管理。
PIC16F877A 单片机具有10 位片内A/D 转换器, 其工作方式和转换结果存放格式通过寄存器ADCON0 和ADCON1 进行设置, A/D 转换结果则存于寄存器ADRESH 和ADRESL 中[4]。在本设计中, 选择系统时钟作为A/D 转换时钟, RA0 作为模拟输入通道。转换结果格式为左对齐, 即高8 位存于ADRESH 中, 低2 位存于ADRESL 中。考虑到A/D 转换本身存在的误差以及压缩无线模块发送数据量的要求, 在设计中忽略ADRESL 寄
存器中的数据, 即只采用转换结果的高8 位。系统中心电信号的采样频率为500Hz, 采用定时器TMR0 完成2ms 定时。
单片机片外扩展了4MB Nand Flash 存储器, 用于暂存心电数据, 经过一定时间后由无线模块集中发送, 用户也可以选择在A/D 转换后不经存储就直接发送。在心电监护中, 医生常要求知道心电信号出现异常的时间, 因此使用DS1302设计了实时时钟电路。
2 .3 GPRS 无线模块
GPRS 无线模块采用Wavecom 公司的WISMO QuikQ2406B。该模块工作频带为双频EGSM 900/GSM1800MHz 或GSM 850/GSM 1900MHz, 支持GPRS 多时隙class 10, 可提供语音、数据、传真和短信息服务功能。模块射频部分和基带部分可共用一个电源, 电压范围为3.3V～4.5V[5]。模块基带部分内嵌了GSM/GPRS 协议栈,是否嵌入TCP/IP 协议栈可由用户选择。根据系统需要,这里选择了内嵌TCP/IP 协议栈的模块。
GPRS 无线模块硬件连接如图4 所示。单片机对无线模块的控制通过无线模块主串口实现。无线模块提供了一个符合V24 协议的6 线主串行接口, 包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR 等, 此外还提供了与通用I/O 口复用的DCD 和RI 信号接口。为节省单片机引脚资源, 在设计中将无线模块的CTS 和RTS 短接, TX、RX 引脚分别与单片机的RC6、RC7 引脚相连, 其余无线模块主串口引脚则不使用。单片机发送AT 命令和心电数据给无线模块, 无线模块则将响应信息发送给单片机, 从而完成单片机对无线模块的状态控制和数据发送。无线模块提供了与SIM卡相关的信号接口, SIMVCC 为SIM 卡供电, SIMRST 为低时使SIM 卡复位, SIMCLK 提供时钟信号, SIMDATA 用来实现与SIM 卡的数据通信, SIMPRES 用来检测SIM 卡是否插入。其中, SIMPRES 信号接口可以不使用, 如果不用则将其与VCC 相连[5]。为调试和使用方便, 在设计中还提供了GPRS 连接状态指示灯和硬件复位电路。
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