基于虛擬儀器技術的家用心電儀的設計解析

0引言

心血管疾病日益嚴重地威脅著人類的生命，通過日常監護預先發現異常，及時施救，是對抗心血管疾病的重要手段。近年來一些便攜式的家用心電儀陸續誕生，滿足了心電參數快速采集的基本需求，改善了家庭護理條件。隨著計算機和互聯網技術的發展，遠程監護系統應運而生，遠程數據采集和分析對便攜式心電儀在信息可視化、數據記錄分析以及資源共享等方面提出了新的需求。

虛擬儀器是由計算機硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數據分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測試系統。它以計算機作為統一的硬件平臺，把傳統儀器的專業化功能和面板控件軟件化，兼具傳統儀器的功能和計算機智能資源。利用虛擬儀器強大的數據分析和圖形界面功能，開發小型化、模塊化、網絡化的家用心電儀，可以很好地實現信息可視化、數據分析和遠程共享功能。

圖1 基于虛擬儀器技術的家用心電監護系統結構示意圖

本文設計了一種基于虛擬儀器技術的家用心電監護系統（如圖1），重點介紹可移動終端與虛擬分析儀的設計與實現?？梢苿咏K端基于51單片機與相關的模擬電路開發實現，虛擬分析儀則通過計算機上的LabVIEW軟件編程實現?；颊叩男碾娦畔⒂煽梢苿咏K端采集，經處理得到標準化的數字信號，無線傳送至虛擬分析儀，實現圖形化的顯示、記錄與數據分析功能。虛擬分析儀還能通過互聯網實現與專業醫療機構的信息共享，達到對特定對象重點監護的目的。

1可移動終端

可移動終端實現心電信號的采集、傳輸與就地顯示，由心電信息采集模塊、主控制器、顯示模塊、電源模塊和無線通訊模塊五部分組成（圖2）。

圖2 可移動終端結構圖

1.1心電信息采集模塊

體表心電信號極其微弱，極易夾雜噪聲干擾，心電信息采集模塊就是通過反復的放大與濾波來提取其中的有效信息。信號處理步驟主要包括：前置放大、帶通濾波、工頻陷波、次級放大和電平抬升（圖3）。

圖3 心電信息采集模塊電路結構框圖

圖4 LMC7660電壓轉換電路原理圖

前置放大部分采用具有高輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路。帶通濾波部分由高通濾波器和低通濾波器組成，設計通頻帶為0.3～100Hz.50Hz工頻干擾采用雙T陷波電路來抑制。濾除噪聲之后，還需經過次級放大與電平抬升以使波形覆蓋A/D采樣的電壓范圍，保證轉換精度，通過同相放大電路與加法電路實現。信號最后輸出到主控制器STC12C5A08AD的A/D模塊。

為保證系統的性能，前置放大電路采用高精度、高輸入阻抗儀表放大器AD620，其他電路均選用高精度低噪聲運算放大器OP07來設計。

1.2電源模塊

系統采用5V鋰電池供電，但由于運算放大器需要正負電源供電，所以通過LMC7660來設計一個-5V的電壓轉換電路。LMC7660是高度集成的CMOS電壓轉換器，只需外接一個10μF的充電電容（圖4），具有寬工作電壓范圍與高電壓轉換效率的特點。

1.3無線通訊模塊

無線通訊模塊是聯系可移動終端與虛擬分析儀的紐帶，保證了系統的便攜性與靈活性。選用APC220集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，該模塊嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，為底層設置提供了通用接口，方便在線修改參數，無需編寫復雜的設置與傳輸程序，大大提高了開發效率。其引腳定義如表1所示。

可移動終端與虛擬分析儀各配一塊APC220模塊，終端與APC220直接通過串口（RXD、TXD）連接，分析儀則通過TTL-USB轉換器與APC220通訊。

1.4主控制器與顯示模塊

主控制器是整個可移動終端的核心，接收信息采集模塊輸出的波形，實現A/D轉換與數據輸出功能，選用51內核的單片機STC12C5A08 AD.STC12C5A08AD是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k字節Flash，1280字節RAM，內部集成8路10位高速A/D轉換通道。顯示模塊選用點陣式圖形液晶顯示屏FYD12864，分辨率為128×64點，帶中文字庫。

主控制器電路包括時鐘電路、復位電路、A/D接口電路、顯示接口電路和串行通信電路（圖5）。單片機通過P1.0（ADC0）口接收采集模塊的輸出信號；通過地址線（P2.3，P2.4）、數據線（P0口）、控制線（P2.0，P2.1，P2.2，P2.5）控制12864顯示屏；通過串行口（P3.0，P3.1）與通訊模塊相連。復位電路包括上電復位與按鍵復位；晶振的時鐘頻率選為11.0592MHz，確保精確的通信波特率。

圖5 主控制器及其接口電路原理圖