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1系統總體設計
1.1信號采集模塊
心電信號屬于低頻、微弱和強噪聲背景下的自然信號,為了提取有用的心電信號,使得前置放大電路應具有高共模擬制比、高輸入阻抗、低噪聲和低溫漂等特點。為了更進一步提高前置放大電路的共模擬制效果,采用了右腿驅動電路。心電信號的頻帶范圍主要分布在0.05~100Hz,為了在復雜的信號中提取出有用的心電信號,采用了四階低通濾波器和二階高通濾波器。雖然前置放大電路對共模干擾有很強的抑制作用,但是仍有小部分50Hz的干擾信號沒有被濾除,再加上外界干擾和不可避免的因素存在,使得提取的有用信號中仍然有較強的50Hz工頻干擾,因此設計了50Hz陷波器。此時為了后期對提取的有用心電信號進一步處理,符合A/D轉換器的輸入電壓,需要進一步對信號進行放大,采用了二級放大電路。其整體結構如圖2所示。
1.2信號的控制與傳輸
信號的接受與發送采用的是TI公司經過幾次優化的CC2530,該芯片適應于2.4GHzIEEE802.15.4的RF收發器,具有極高的接受靈敏度和抗干擾能力,可編程的輸出功率高達4.5dBm,且連接簡單,外電路只需接少量器件即可。微控制器選用的是MSP430F149用來實現對收發狀態信息的讀寫。
1.3電源供電模塊
電源是各個模塊必不可少的部分,各個模塊所使用的電壓也有所不同,本次設計包括信號采集模塊電源設計、信號發送模塊電源設計、信號接收模塊設計和串口的電平轉換模塊。其中信號采集模塊使用的運放有AD627、OPA333和OPA2333,其所需電壓為-3.3V,信號發射與接收模塊采用芯片MSP430F149、CC2530F64,所需電壓為+3.3V。可以用三節干電池(4.5V)來供電,對其進行電平轉換。
(1)對運放AD627、OPA333和OPA2333而言,需要將4.5V轉換為-3.3V,所采用的是ADM660芯片,可外加少量的器件即可實現電平的轉換,簡單易行。對MSP430F149、CC2530F64需要將4.5V轉換為+3.3V,可用電荷泵MAX1759實現。具體電路圖所示:
(2)信號接收模塊需要與電腦連接,從電腦端口的USB接口獲取+5V的電壓,需要將5V電壓轉化為+3.3V電壓,才能使單片機正常工作,本次設計采用芯片LM1117實現。
(3)接收器接收的信號要通過RS-232串口傳給電腦,但串口的TXD和RXD的電平為正負3伏到正負15伏之間,而單片機的輸出電平為0~+3V之間。必須要進行電平轉換,可用芯片MAX3232PCE來實現,該芯片所需電壓為5伏,可直接由電腦USB接口供電且只需接少量器件即可實現[3]-。
2軟件設計
(1)選用CC2530芯片具有低功耗的特點,采集到的心電信號通過串口通信,用Labview進行分析。由于Labview具有的高效率的信號處理模塊和友好的可操作界面。如下圖的心電信號采集登錄系統界面。
(2)Labview具有眾多圖形化的通信模塊和信號的采集、分析、處理等方便簡潔。可以減少電路的外圍器件,提高電路的穩定性和可靠性,另外labview還具有對采集到的信號進行有效的保存和回放功能,可以方便醫療人員隨時對心電信號進行查看比對。
3結論
本文主要設計了基于無線網絡的心電監測系統。其中硬件部分包括信號采集、濾波、放大、處理、發設、接收等。通過實驗對系統進行了多次仿真測試、結果表明該心電監護系統能夠正確采集、存諸、處理心電信號。使得醫生能夠實時、準確地了解患者心臟的活動狀況,能夠在突發時刻采取相應的措施,以減少死亡率。
作者:李偉 楊艷 陳萬 唐松 單位:蚌埠學院機械與電子工程系