0引言

心血管疾病日益嚴(yán)重地威脅著人類的生命，通過日常監(jiān)護(hù)預(yù)先發(fā)現(xiàn)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(xù)誕生，滿足了心電參數(shù)快速采集的基本需求，改善了家庭護(hù)理條件。隨著計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和分析對便攜式心電儀在信息可視化、數(shù)據(jù)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(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過程通訊及圖形用戶界面的軟件組成的測試系統(tǒng)。它以計算機(jī)作為統(tǒng)一的硬件平臺，把傳統(tǒng)儀器的專業(yè)化功能和面板控件軟件化，兼具傳統(tǒng)儀器的功能和計算機(jī)智能資源。利用虛擬儀器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖形界面功能，開發(fā)小型化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的家用心電儀，可以很好地實現(xiàn)信息可視化、數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程共享功能。

圖1 基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計了一種基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（如圖1），重點(diǎn)介紹可移動終端與虛擬分析儀的設(shè)計與實現(xiàn)?？梢苿咏K端基于51單片機(jī)與相關(guān)的模擬電路開發(fā)實現(xiàn)，虛擬分析儀則通過計算機(jī)上的LabVIEW軟件編程實現(xiàn)。患者的心電信息由可移動終端采集，經(jīng)處理得到標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字信號，無線傳送至虛擬分析儀，實現(xiàn)圖形化的顯示、記錄與數(shù)據(jù)分析功能。虛擬分析儀還能通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)與專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的信息共享，達(dá)到對特定對象重點(diǎn)監(jiān)護(hù)的目的。

1可移動終端

可移動終端實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)構(gòu)框圖

圖4 LMC7660電壓轉(zhuǎn)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(shè)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(jīng)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(zhuǎn)換精度，通過同相放大電路與加法電路實現(xiàn)。信號最后輸出到主控制器STC12C5A08AD的A/D模塊。

為保證系統(tǒng)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(yùn)算放大器OP07來設(shè)計。

1.2電源模塊

系統(tǒng)采用5V鋰電池供電，但由于運(yùn)算放大器需要正負(fù)電源供電，所以通過LMC7660來設(shè)計一個-5V的電壓轉(zhuǎn)換電路。LMC7660是高度集成的CMOS電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率的特點(diǎn)。

1.3無線通訊模塊

無線通訊模塊是聯(lián)系可移動終端與虛擬分析儀的紐帶，保證了系統(tǒng)的便攜性與靈活性。選用APC220集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，該模塊嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，為底層設(shè)置提供了通用接口，方便在線修改參數(shù)，無需編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，大大提高了開發(fā)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(zhuǎn)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(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)輸出功能，選用51內(nèi)核的單片機(jī)STC12C5A08 AD.STC12C5A08AD是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8k字節(jié)Flash，1280字節(jié)RAM，內(nèi)部集成8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換通道。顯示模塊選用點(diǎn)陣式圖形液晶顯示屏FYD12864，分辨率為128&TImes;64點(diǎn)，帶中文字庫。

主控制器電路包括時鐘電路、復(fù)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(jī)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(shù)據(jù)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(fù)位電路包括上電復(fù)位與按鍵復(fù)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