基于ARM9的無線多床位心電監護儀的設計

1 引言

隨著社會生活節奏加快、人口逐漸老齡化，心血管疾病已經成為同前威脅人類生命的豐要疾病之一，此類疾病往往具有突發性、短暫性和危險性的特點，如果不能及時發現并進行治療將會產生非常嚴重的后果。心電圖是檢查．診斷和預防該類疾病的主要手段和依據，對于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監護儀的使用貫穿于治療、康復的整個過程。由于傳統的基于PC機平臺的心電躲護儀，價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫院，給醫生和病人帶來了很大的不便。因此，為了降低成本、縮小體積，本文設計了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位遙測心電監護儀。該監護儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內核的16／32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統控制核心，利用nRF401無線收發芯片發送和接收心電數據，具有功耗低、體積小、可靠性高、操作簡單等優點。

2 系統結構

該遙測心電監護儀可同時監護1～12個床位．系統結構框圖如圖1所示．其中與PC機相連的S3C2410A作為中心躲護端．其功能是傳遞由PC機發出的命令，與監護各個床位的監護終端進行通信，將各個臨護終端所采集到的數據匯總到中心監護端，并通過USB口傳遞給Pc機。監護一個床位的便攜式心電監護終端作為終端節點，功能是采集心電信號，對采集到的數據進行必要的處理，同時當收到中心監護端的命令時，做出回應。

圖1 系統結構框圖

3 系統硬件設計

系統硬件設計包括中心監護端的硬件設計和監護一個床位的各個心電監護終端的硬件設計兩大部分。中心監護端的硬件設計包括S3C2410A與PC機的連接和nRF401與S3C2410A的連接。由于S3C2410A具有USB設備控制器，因此可通過USB口與PC機相連，并得到5V的T作電壓。無線收發芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。圖2為監護一個床位的心電監護終端硬件電路的結構框圖，包括ARM微處理器S3C2410A、心電放大及采集電路、外部擴展的Nand FLash存儲器、電源、LCD顯示、鍵盤和nRF401尤線數傳模塊等。

3．1心電采集電路

心電采集電路包括放大器、低通濾波器、50Hz陷波器等。該電路的放大器由差動放大電路和放大級電路兩級放大電路組成。導聯系統采用通用的二電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極．右腹下電極為右腿驅動電極。由于采集的心電信號是籌模信號，采用三運放籌動放大電路作為第一級放大電路，增益約為22，再經第二級放大電路，總增益接近1000。由于心電信號屬于低頻信號，因此，為消除高頻信號，本設計了采用了一階濾波電路的低通濾波器，截止頻率為100Hz。為抑制50Hz的工頻干擾，還設計了二階壓控電壓源帶阻濾波器，即50Hz陷波器。

圖2 監護1個床位的硬件電路結構框圖

3．2 ARM微處理器模塊

S3C2410A是二星公司推出的一款基于ARM920T處理器構架的嵌入式CPUS3C2410，它提供8通道的10位模數轉換器，轉換器以2．5MHz MD轉換時鐘將模擬輸入信號以最大500ksps轉換率轉換為lO位二進制數字編碼。根據美困心臟學會AHA標準[3]和Nyquist采樣定律，當信號采樣頻率等于或大干信號最高頻率的2倍時，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0．05~100Hz，中心頻率在17Hz左右，故取采樣頻率取200Hz，即采樣周期為5ms即可滿足要求。采集到的信號經通道1送入S3C2410A微處理器。經分析處理后在液晶屏上顯示心電波形和分析結果。

3．3無線收發模塊

無線收發模塊采用Nordic公司研制的單片UHF無線收發芯片nRF401，該芯片工作在433MHzISM(Industrial，scientific and Medical)瀕段。該頻段無需申請許可證。并采用FSK調制解調技術，抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術，頻牢穩定性好，數據傳輸速率可達20kbDs，傳輸距離可達1000m，完全滿足本設計所需要的通信距離要求。不同于其他的RF單片芯片，nRF401通過單片機串口直接于MCU通信，而無需對數據進行曼徹斯特編碼，這使的nRF401的外圍元件很少，只包括一個基準晶振和幾個無源器件，具有成本低、一致性好等特點。本設計中，nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。