【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 產(chǎn)生電極極化現(xiàn)象。當(dāng)兩電極保持對(duì)稱時(shí)，極化電壓可相抵消。但極化電壓與電極材料、電極膏、皮膚狀態(tài)、病人情緒、溫度、極化電流及電極與皮膚的接觸情況等因數(shù)有關(guān)，不可避免產(chǎn)生干擾，特別是在電極與皮膚接觸不良以致脫落的情況下更為嚴(yán)重。此外，電極在皮膚表面的移動(dòng)也會(huì)引起電位差的變化。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 7 (4)肌電干擾 興奮和收縮是肌肉的最基本功能，在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，肌肉機(jī)械性活動(dòng)并伴隨有生物 電 活 動(dòng) 。 這 些 生 物 電 活 動(dòng) 產(chǎn) 生 的 電 位 差 隨 時(shí) 間 變 化 的 曲 線 即 為 肌 電 圖[6](Electromygraphy,EMG)肌電通常是一種快速的電變化，其振幅為 20uV～ 50uV，其頻率范圍為 20～ 50000Hz。經(jīng)專家研究表明，肌電干擾主要集中在 35Hz，且存在較大的個(gè)體差異。 (5)測(cè)量?jī)x器自身的干擾 信號(hào)處理所采用的電子設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生儀器噪聲。這類干擾一般具有較高的頻率特性，可以通過低通濾波加以濾除。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 8 第三章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo) 供電： 鋰電池，可充電、連續(xù) 供電 24 小時(shí)以上； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)： SD 卡，體積小、功耗低、 擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性 ； 數(shù)據(jù)顯示： TFT 彩色 LCD，可顯示彩色數(shù)據(jù)； 報(bào)警方式： GPRS 無(wú)線傳輸電路，信息可遠(yuǎn)距離傳輸。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有明顯的現(xiàn)代化醫(yī)療儀器的特點(diǎn)和家用儀器的特征，除了具有科學(xué)性、先進(jìn)性之外，最重要的是工作可靠、操作簡(jiǎn)單，在體積、重量、價(jià)格、維護(hù)、安全等方面能滿足家庭和社區(qū)醫(yī)療的需要。無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為家庭使用電子儀器，要能由非專業(yè)人士操作，作為醫(yī)生對(duì)病人診 斷、治療、觀察監(jiān)護(hù)的輔助性設(shè)備，需和醫(yī)院、醫(yī)生保持良好的通信聯(lián)系。因此歸納起來對(duì)本系統(tǒng)的主要要求如下： (1)不引起創(chuàng)傷，無(wú)專業(yè)性很強(qiáng)的測(cè)試條件要求； (2)自動(dòng)化、智能化程度高，操作簡(jiǎn)單、安全、可靠，容錯(cuò)能力強(qiáng)，操作事務(wù)不產(chǎn)生嚴(yán)重后果； (3)輕便、小型，便于存放；具有通信、聯(lián)網(wǎng)功能。 根據(jù)以上條件，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖 31 所示。 圖 31 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖 無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由心電檢測(cè)電路、心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)電路、心電數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送MSP430處理器 顯示電路 存儲(chǔ)器電路 心電檢測(cè)電路 心電信號(hào) PC 機(jī) 無(wú)線接收 模塊 無(wú)線發(fā)送模塊 數(shù)據(jù)回放 報(bào)警電路 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 9 電路、數(shù)據(jù)顯 示、數(shù)據(jù)回放和電源管理等電路構(gòu)成。無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理是：由探測(cè)電極感應(yīng)的人體微弱的心電信號(hào)首先送入心電檢測(cè)電路即前端放大、濾波電路，經(jīng)前端預(yù)處理后直接送人信號(hào)的采集處理電路進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的心電數(shù)據(jù)一方面送入外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器中進(jìn)行存儲(chǔ)、一方面送入微處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、還有一部分用來進(jìn)行顯示。處理后的心電數(shù)據(jù)通過串口送入無(wú)線發(fā)送模塊中，借助 GPRS 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將心電數(shù)據(jù)上傳到醫(yī)院監(jiān)測(cè)中心。醫(yī)院監(jiān)測(cè)中心對(duì)收到的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析、并在顯示設(shè)備上進(jìn)行心電特征參數(shù)和波形的顯示，醫(yī)生根據(jù)顯示結(jié)果對(duì)病 情進(jìn)行分析和診斷．診斷結(jié)果一方面存儲(chǔ)在醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心中，一方面通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)反饋給病人，使病人能夠及時(shí)了解自己的病情和決定是否采取進(jìn)一步治療的措施。 基于無(wú)線通信的無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案比較 采用無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)儀，利用無(wú)線通信技術(shù)與監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。由于無(wú)線傳輸無(wú)需線纜介質(zhì)，使用者可以不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，隨時(shí)隨地得到監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)。目前，市場(chǎng)上運(yùn)用藍(lán)牙、 GSM、 GPRS(無(wú)線分組業(yè)務(wù) )、 CDMA等無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛，但由于受到傳輸距離、無(wú)線傳輸頻 率等制約，仍未能形成完善可靠的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。將無(wú)線通信技術(shù)與 Inter網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合成為近年來心電遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究的又一熱點(diǎn)，這兩種技術(shù)的結(jié)合，可以彌補(bǔ)單純依靠Inter網(wǎng)時(shí)造成監(jiān)測(cè)環(huán)境相對(duì)固定的不足，同時(shí)，也可彌補(bǔ)單純依靠無(wú)線技術(shù)時(shí)只能將受測(cè)者的數(shù)據(jù)在移動(dòng)監(jiān)測(cè)終端之間傳遞從而造成傳輸成本高、數(shù)據(jù)處理分析手段單一等不足[7]。主要有以下幾種形式：基于藍(lán)牙技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于 GPRS技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于 CDMA技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 基于藍(lán)牙技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 藍(lán)牙作為一種 短程無(wú)線通信技術(shù)，由于體積小、功耗低等特點(diǎn)，已成為無(wú)線嵌入式醫(yī)療設(shè)備所考慮采用的基本無(wú)線通信技術(shù)之一。藍(lán)牙設(shè)備能夠支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，支持的接口一般包括 UART、 USB和 PC卡等，而 USB支持在同一個(gè)物理通道上處理多個(gè)邏輯通道，因此控制、數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通道不再需要額外的物理接口，從而使得藍(lán)牙心電無(wú)線監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的實(shí)時(shí)傳輸?；谒{(lán)牙技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將家庭心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過藍(lán)牙模塊與中心工作站進(jìn)行無(wú)線通訊而組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙模塊通常是由兩個(gè)芯片構(gòu)成一個(gè)芯片組，一塊是射頻芯片，另一個(gè)是基帶控制芯片， 再加上外加的 Flash、天線和電源芯片就可以構(gòu)成一個(gè)藍(lán)牙模塊。心電信號(hào)經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)藍(lán)牙射頻發(fā)送給固定接入端，武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 10 再將接收到的心電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 IP數(shù)據(jù)包，并送到 Inter網(wǎng)。 基于 GPRS技術(shù)的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng) GPRS是在現(xiàn)有 GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為 GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于 偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。 GPRS可以發(fā)揮永遠(yuǎn)在線、快速登陸、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)勢(shì)，無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)須使用信號(hào)電纜，因而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本，具有一定的市場(chǎng)潛力。 基于 CDMA的心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng) CDMA是基于碼分多址技術(shù)的數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)，它是在數(shù)字?jǐn)U頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種新的無(wú)線通信技術(shù)，與使用時(shí)分多路的 GSM技術(shù)不同， CDMA并不給每一個(gè)通話者分配一個(gè)確定的頻率，而是讓每一個(gè)通信者都使用全部的頻率，使大量用戶能夠共享同一個(gè)無(wú)線頻率。 CDMA系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配各自特定的地址碼，彼此之間是相互獨(dú)立、 互相不影響的，由于有不同的地址碼來區(qū)分用戶，所以對(duì)頻率、時(shí)間和空間沒有特定的限制，利用公共信道來傳輸信息。 CDMA的優(yōu)點(diǎn)在于：系統(tǒng)容量大、建網(wǎng)成本低、配置靈活、頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單、保密性好、發(fā)射功耗小、無(wú)線輻射能量低。 CDMA1X標(biāo)準(zhǔn)是 CDMA2020的第一階段，可支持 308kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)部分引入分組交換，支持移動(dòng)業(yè)務(wù)，具有較快傳輸速率，適合應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)。目前市場(chǎng)上的 CDMA模塊有很多，如 MG801A收發(fā)模塊， Bellwave公司的 BCM860無(wú)線通信模塊， WAVECOM Q2358C模 塊等。 結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸模塊選用 BENQ公司的無(wú)線三頻帶模塊M22。該模塊集成有基帶處理器、 FLASH閃存、 RF接口、普通 I／ 0口、通用異步收發(fā)器、SIM卡接口、電池及 LED接口。 M22支持 GSM語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息及 GPRS數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)等，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 115． 2kbit／ s。 M22模塊內(nèi)嵌有 TCP， IP協(xié)議，能夠自動(dòng)識(shí)別波特率。 BENQ支持 AT命令，主控處理器通過使用 AT命令直接控制 M22模塊進(jìn)行 GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。無(wú)線心電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用 GPRS網(wǎng)絡(luò)建立在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)之間的一種連接，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中．采集處理模塊與 GPRS模塊間是通過串行口進(jìn)行通訊的，通訊協(xié)議是 AT指令集； GPRS模塊與 GSM／ GPRS移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的 SGSN通訊時(shí)遵循點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 (PPP)；心電數(shù)據(jù)經(jīng)采集處理模塊送入 GPRS模塊，再經(jīng) GPRS無(wú)線網(wǎng)接入 Intemet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)傳輸。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 11 第四章 硬件設(shè)計(jì) 微處理器硬件結(jié)構(gòu) 此設(shè)計(jì)中使用到的微處理器是 MSP430，下面對(duì)其進(jìn)行相關(guān)介紹。 MSP430 單片機(jī)簡(jiǎn)介 MSP430 系列單片 機(jī)是美國(guó) 德州儀器 （ TI） 1996 年開始推向市場(chǎng)的一種 16 位超低功耗、具有 精簡(jiǎn)指令集 （ RISC）的混合信號(hào)處理器（ Mixed Signal Processor） 。 稱之為混合信號(hào)處理器，是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的 模擬電路 、 數(shù)字電路 模塊和 微處理器 集成在一個(gè)芯片上，以提供 “單片 ”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中 。 MSP430 單片機(jī)的特點(diǎn) 1） 處理能力強(qiáng) MSP430 系列單片機(jī)是一個(gè) 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以 及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 2） 運(yùn)算速度快 MSP430 系列單片機(jī)能在 25MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合，能實(shí)現(xiàn) 數(shù)字信號(hào)處理 的某些算法（如 FFT 等） 。 3） 超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。 首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 電壓。因而可使其在1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流最低會(huì)在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€(gè)晶體振蕩器（ 32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 12 生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制 。 由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4）。在實(shí) 時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá) ，在 RAM 保持模式下，最低可達(dá) 。 4） 片內(nèi)資源豐富 MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是 看門狗（ WDT）、 模擬比較器 A、定時(shí)器 A0（ Timer_A0）、定時(shí)器 A1（ Timer_A1）、定時(shí)器B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、 硬件乘法器 、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC、16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時(shí)器（ Basic Timer）、 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 （ RTC）和USB 控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時(shí)器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口， P0、 P P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 10/12 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I2C 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加 數(shù)據(jù)傳輸速度 ，而采用的 DMA 模塊。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的 單片解決方案提供了極大的方便。 另外， MSP430 系列單片機(jī)的 中斷 源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒只需 5μs。 心電檢測(cè)電路 心電檢測(cè)電路包括對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行初步放大、濾波、電平抬升等處理。 心電檢測(cè) 電路的總體設(shè)計(jì)方案 通過前面的分析得出心電信號(hào)是一種典型的人體生理信號(hào)，具有生物電信號(hào)的普遍特征，如幅 度小、頻率低并且易受外界環(huán)境干擾，這為采集