便攜式心電圖采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在硬件上由基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2478、重復(fù)可擦寫低功耗U盤、點(diǎn)陣LCD顯示器模塊等組成心電動(dòng)態(tài)采集存儲(chǔ)儀;軟件上則使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)mC/OSⅡ作為系統(tǒng)控制平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)可連續(xù)記錄受檢者24～48小時(shí)的心電圖變化，檢查期間由受檢者隨身攜帶而不影響其日常生活與工作，可長(zhǎng)時(shí)間作動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄，大容量的U盤和USB2.0協(xié)議的出現(xiàn)，使得數(shù)據(jù)的傳輸越來越方便和迅捷，這為便攜式手持移動(dòng)存儲(chǔ)心電圖設(shè)備提供了條件。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)主要模塊框圖如圖2所示。由于電極采集到的心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的超低頻(0.5～100Hz)微弱信號(hào)(0.1～5mV)，所以需要前置放大部分將微弱的心電信號(hào)高保真放大，并通過低通濾波、高通濾波及50 Hz陷波濾除干擾，才可以送往LPC2478的A/D 轉(zhuǎn)換器AIN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

　　前置放大部分電路由輸入跟隨、儀用放大器、右腿浮地驅(qū)動(dòng)組成，輸入跟隨器為提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號(hào)，采用高精度運(yùn)算放大器OPA427，接收來自左、右手的心電信號(hào)經(jīng)調(diào)整后送往儀用放大器，由高精度儀用放大器進(jìn)行一級(jí)倒相放大后的信號(hào)送到低通濾波器，原始心電信號(hào)中的共模噪聲經(jīng)過一級(jí)放大后返回人體，使其相互疊加，從而可以減小人體共模干擾的絕對(duì)值，提高信噪比。

　　低通及高通濾波部分，由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，為了去掉高頻的干擾，還須通過低通濾波。低通濾波器截止頻率為110Hz，放大器的溫漂、皮膚電阻的變化、呼吸和人體運(yùn)動(dòng)都會(huì)造成心電信號(hào)出現(xiàn)所謂的“基線漂移”現(xiàn)象，也即輸出端的心電信號(hào)會(huì)在某條水平線上緩慢地上下移動(dòng)。從頻譜上說，這些影響都可以歸結(jié)為一個(gè)低頻噪聲干擾，于是使用高通濾波器濾除這部分干擾。在主放大器部分，通過調(diào)整電位器的阻值 RP1來設(shè)置整個(gè)心電放大電路的總增益。主放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC225。50Hz頻率陷波部分主要用來濾除以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的工頻干擾。電平提升部分用來把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)，以便可直接送入AIN0。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　硬件平臺(tái)

　　負(fù)壓產(chǎn)生電路

　　由于心電圖原始數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)放大和濾波電路中OPA4277、AD620和TLC2254芯片需要用到負(fù)壓，故此在電路中加入負(fù)壓產(chǎn)生電路，主要應(yīng)用電壓轉(zhuǎn)換芯片MC34063通過起振產(chǎn)生-12V的負(fù)壓，之后再進(jìn)行分壓得到芯片要求的-5V電壓。

　　信號(hào)前置放大電路

　　前置放大電路的組成和電路圖如圖3所示。前置放大電路由輸入跟隨器、儀用放大器和右腿浮地驅(qū)動(dòng)等三部分組成。

　　(1)輸入跟隨器：提高輸入阻抗、獲取更多的心電信號(hào)，采用高精度運(yùn)算放大器OPA4277，具有超低失調(diào)電壓l0 V，超低失調(diào)偏移±0.1V，偏置電流最大為l nA。

　　(2)儀用放大器：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器AD620，輸入失調(diào)最大為50mV，輸入失調(diào)漂移為0.6mV/攝氏度，共模抑制比為120dB(G=10)。該放大器增益范圍為1~10000，其放大增益關(guān)系式為：

　　G=1+49.4k/Rg

　　當(dāng)G=10時(shí)，Rg為5.489k，取近似值5.5k。

　　(3)右腿浮地驅(qū)動(dòng)：把混雜在原始心電信號(hào)中的共模噪聲提取出來，經(jīng)過一級(jí)反相放大后，再返回到人體，相互疊加，以減少人體共模干擾的絕對(duì)值，提高信噪比，主要應(yīng)用高精度運(yùn)算放大器OPA4277。

　　高通與低通濾波電路

　　由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，為了去掉高頻干擾，還須通過低通濾波。低通濾波器采用歸一化設(shè)計(jì)的四階低通濾波，截止頻率為100 Hz，在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度，避免高頻信號(hào)的干擾?？紤]到元件的誤差，設(shè)定截止頻率為110Hz。低通和高通濾波電路如圖4所示，放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC2254。每通道供電電流為35mA。

　　主放、50Hz工頻陷波和電平提升

　　主放電路圖通過調(diào)整電位器的阻值PI來設(shè)置整個(gè)心電放大電路的總增益。主放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC2254。雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但部分干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上其他各種不穩(wěn)定因素，經(jīng)放大、低通濾波、高通濾波和主放后，輸出仍存在干擾，必須專門濾除。

　　經(jīng)過陷波器后的心電信號(hào)為雙極性，系統(tǒng)中的MD芯片只能量化單極性信號(hào)，所以，通過TLC2254把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)。

　　LCD 模塊

　　此系統(tǒng)采用MGLS12864 LCD模塊，由于該液晶顯示器沒有內(nèi)部字符發(fā)生器，所以在屏幕上顯示的任何字符、漢字均須事先建立點(diǎn)陣字模庫(kù)，然后按圖形方式進(jìn)行顯示。MGLS12864 模塊與LPC2478 連接，D0～D7 為數(shù)據(jù)/命令雙向總線，CS 為片選信號(hào)，RES 為復(fù)位信號(hào)，D/I 為數(shù)據(jù)/命令選擇信號(hào)，R/W 為讀寫命令信號(hào)，CE為控制允許信號(hào)。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　操作系統(tǒng)

　　本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸需要很高的實(shí)時(shí)性，一個(gè)可靠的RTOS是系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)作的保證，所以我們將在LPC2478上移植mC/OS II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用以滿足系統(tǒng)對(duì)多線程、硬實(shí)時(shí)的嚴(yán)格要求。

　　mC/OS II是一個(gè)成熟穩(wěn)定的占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核，基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度，支持56個(gè)用戶任務(wù)，提供信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列等任務(wù)通信機(jī)制，能夠極大提高CPU的利用效率。由于基于優(yōu)先級(jí)來執(zhí)行任務(wù)，如果其中一個(gè)任務(wù)跑飛，其它高優(yōu)先級(jí)則可以通過運(yùn)行系統(tǒng)的監(jiān)視程序?qū)ζ溥M(jìn)行修復(fù)，因此在高安全性場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用。且mC/OS II源碼開放，移植簡(jiǎn)單，在基于ARM的32位微處理器中有大量成功的案例。在mC/OS II中，每個(gè)任務(wù)都是無限循環(huán)的，處于5種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)和中斷態(tài)。

　　2.A/D轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)存USB模塊：

　　由前端心電信號(hào)放大模塊放大后的心電信號(hào)直接送給LPC2478芯片的P0.23引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為無符號(hào)32位數(shù)據(jù)格式，將其放入緩存數(shù)組中送給USB進(jìn)行存儲(chǔ)，并留待給LCD顯示輸出，具體實(shí)現(xiàn)過程為：

　　首先，需創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)“GcWritFileData[DATA_N]”及“GcReadFileData[DATA_N]”做為“寫文件緩沖區(qū)”及“讀文件緩沖區(qū)”，初始化mC/OS II操作系統(tǒng)，創(chuàng)建用于處理A/D轉(zhuǎn)換的任務(wù)Task0及用于LCD顯示的任務(wù)Task1，啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境，在Task0中首先進(jìn)行硬件平臺(tái)的初始化，設(shè)置P0.23為AIN0[0]功能，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入引腳，進(jìn)行ADC模塊設(shè)置，設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘等，采用直接啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的參考電壓為精密恒壓源提供的2.5V電壓，最后轉(zhuǎn)換結(jié)果保存至“寫文件緩沖區(qū)”。接著初始化USB HOST，并創(chuàng)建文件系統(tǒng)任務(wù)“OSFileTask”，用“OSFileOpen”函數(shù)創(chuàng)建并打開一個(gè)命名為“ECD.dat”的文件，通過“OSFileWrite”函數(shù)將“GcWritFileData” 寫文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入到U盤中，并通過其返回值判斷寫文件是否成功，完成寫文件后再使用“OSFileRead”函數(shù)將“GcWritFileData” 寫文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫到“GcReadFileData” 讀文件緩沖區(qū)，再通過寫、讀文件緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的比較來確定寫入文件數(shù)據(jù)是否正確，至此，完成從A/D轉(zhuǎn)換接收數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)存至USB的過程。程序流程圖如圖5所示。