基于蓝牙技术的便携式心电采集设备设计-毕业论文

题 目：基于牙技术便携电采集备设计PAGEPAGE40摘 要现如今我国民众对生活质量的要求不断提升,对自己的身体状态和生活层次也越来越重视。世界卫生组织的研究表明：心脑血管引起的死亡在全球范围看来仍然排在首位，作为病因之首，人们不得不对其引起重视，加以防范。心电图机作为诊断心脏疾病的最直观、高效的医疗设备，它可以即时检测心脏兴奋的电位活动状况，虽然医用心电图机使用方便，且检测结果可靠，对人体一般无创伤性损害，但是一般的心电图机体积和质量都较大，且价格不菲，对于非专业用户来说操作较为复杂，每次检查都需要患者亲自前往医院，这对患者检查带来了不少的负担。本文设计了一种便于携带，基于无线蓝牙技术的能持续对病人心电信号进行检测的个人医疗硬件系统，可以不间断地对患者心脏电活动状态进行记录，还能够为临床检查和评估提供可使用的参考资料。本文主要研究了心电采集电路的设计，将心电信号采集后，通过缓冲，滤波，放大，模数转换后传输到基于ARM7内核的LPC2138处理器上，经过MCU进行数据处理后，通过蓝牙芯片发送数据。该数据能被其他主机接收并通过软件对数据进行收集并显示出波形，同时该系统采用的蓝牙无线技术还可以通过网络将心电检测资料从家庭扩展到医院、社区等，能够对医疗资源的共享起到一定作用。关键词：心电检测；蓝牙技术；ARM处理器；个人医疗AbstractNowadays,ourpeoplesdemandofqualityoflifeisrising.Theypaymoreattentiontotheirphysicalconditionandtheleveloflife.orldHealthOrganizationstudyshowedthat:thedeathcausedbycardiovasculardiseaseinworldwideopinionisstillinfirstplace.Peoplehavetopayattentiontoit,toguardagainst.Electrocardiogram,asthemostintuitiveandefficientdiagnosticmedicaldevice,caninstantlydetectcardiacpotentialactivitystatus.AlthoughmedicalECGmachineiseasytobeusedanditstestresultsisreliable,anditisnon-invasivedamagetohumanbod,butitssizeandqualityarelargeanditisalsoexpensive.Theoperationfornon-professionalusersistoomorecomplex.PatientsarerequiredtoexaminetheirECGatthehospital,whichbroughtalotofburden.Thispaperpresentsanindividualportablemedicalhardware,whichisbasedonwirelessBluetoothtechnolog,cancontinuedetectingthepatientsECGandrecordingtheircardiacelectricalactivit,anditcanalsoprovidereferencematerialsforclinicalexaminationandassessment.ThispaperstudiesthedesignofECGacquisitioncircuit.AftertheECGdatahasbeenacquired,withthebuffe,filte,amplifingandanalogtodigitalconversioncircuit,thesignalwillbeconversedtodigitalandtransmittedtotheLPC2138ARM7-basedprocesso.TheMCUcanprocessthedataandsenditoutthroughtheBluetoothchip.Thisdatacanbereceivedbytheotherhostandwiththesoftware,theECGwaveformscanbedisplayed.iththeusingofBluetoothwirelesstechnolog,theECGdatacanalsobeextendedtohospitalandcommunitythroughthenetworkandtheseplayaroleinmedicalresourcessharing.Keywords:EC, Bluetooth wireless technolog, ARM7-based processo,individualmedicalhardware目 录摘 要1Abstract2第1章绪论51.1课题的来源及研究目的和意义51.2国内外研究现状分析61.2.1我国研究现状分析61.2.2国外研究现状分析71.3本章小结9第2章心电信号检测原理与电路设计102.1心电波形产生原理概述102.2心电导联体系和发展历程介绍122.3心电信号检测电路硬件设计要求132.4心电检测电路设计152.4.1保护和滤波电路152.4.2缓冲电路162.4.3心电导联差分放大电路172.4.4滤波放大电路182.4.5右腿驱动电路192.5模数转换电路设计202.6本章小结21第3章MCU及电源电路设计223.1MCU电路设计223.1.1LPC2138特性223.1.2LPC2138电路设计223.1.3看门狗电路设计233.1.4JAG接口设计243.2电源模块设计253.2.112VDC/DC电源设计253.2.2+5V与+7V稳压电路253.2.3-5V与-7V稳压电路263.3本章小结27第4章蓝牙无线模块设计284.1蓝牙技术284.2蓝牙协议284.3MCU与蓝牙模块通信294.3.1蓝牙数据传输可行性分析294.3.2蓝牙模块选用304.3.3T指令介绍304.3.4蓝牙与MCU连接314.4测试与实验324.4.1软件应用程序324.4.2蓝牙配置334.4.3数据通信334.5本章小结34第5章总结与展望355.1本文研究工作总结355.2进一步的工作和建议35参考文献36附录38致谢40第1章 绪论1.1 课题的来源及研究目的和意义世界卫生组织研究表明：2012年心血管疾病是造成人类因疾病死亡的头号原因[1]，心脑血管引起的死亡在全球范围看来仍然排在前列，意味着每每年由于心血管疾病而导致死亡的人数比其他疾病引起的死亡人数都高。这几年来心血管类疾病所造成的死亡人数虽然有所下降，但是心脏病作为一种常见疾病，而且发作时造成患者死亡概率很高，且病情急迫，所以心脏疾病患者需定期检测心脏电位变化，以确保疾病处于可控水平。在现代医学中，心电图机是诊断心脏类疾病的首选仪器，它可以检测心脏兴奋时的电位活动状况，虽然它使用方便，且检测结果可靠，对人体一般无创伤性损害，但是一般的心电图机体积和质量都较大，且价格不菲，每次检查都需要患者亲自前往医院，这对患者检查带来了不少经济负担和耗费时间。现如今，电子技术发展迅速。计算机技术和电子技术逐渐和临床上的医学问题相结合，为心电信号的检测和处理提供了方便的强有力的工具[2]。而而这种新的发明无疑可以帮助患者更好的了解自己的身体状况，因为是采用无线蓝牙技术，就可以对患者进行不间断的心脏电活动状态的检测，同时可以在后期的诊断和治疗提供更有参考价值的资料，这对于心脏疾病的预防和尽早发现都有很大的帮助。可以大大的降低由心脏功能异常而引起的死亡率。同时该系统不需要心脏病患者呆在医院，检测过程随时都可以进行，患者可以在家中进行日常的生活工作，具有随时检测即使出结果的优点。未来的设计还可以通过网络将心电检测资料从个人传输到医疗中心、社区等，患者就诊时无需拿着一堆的资料到处奔波，这不仅在方便了生活的同时对患者心脏病的预防和临床检查有很大的参考价值。通常医院使用的心电图仪设计思路都是通过微机串并口将心电监测装置记录的数据传输到计算机上进行数据处理，缺点是其体积一般较大，质量重，不具备便携性。近年来出现的蓝牙技术[3]，可以较好地解决数据传输问问题，将传统的有线传输转化为无线传输，为产品提供良好的便携性。同时，蓝牙的传输效率可以达到每信道721kb每秒[4]，符合一般的心电检测信号数据的通信要求，弥补过去因采集传输模块的信道数量少，和处理机的数据交换速度慢，采集系统体积庞大、价格昂贵等缺点。而近年来，可穿戴设备数量逐年增长，个人医疗设备也将向小型化、智能化发展[5]。医疗设备变得越来越智能有利于个人小型医疗设备的普及，并且使得设备的使用方法更为简便，有利于老年人和儿童用户的使用。另外，现如今移动互联网的普及和网络传输速度不断提高，个人智能医疗设备可以通过网络接入到未来的云医疗系统中，个人医疗数据能够上传到服务器，这将大大促进医疗资源的共享范围，对心脏类疾病的治疗提供更好的方法。我国的3G、4G通讯网路也已经越来越成熟，这为智能医疗设备的发展提供了可能性。因此，该款基于蓝牙的心电便携式采集设备具有广泛的应用空间和市场需求。1.2国内外研究现状分析1.2.1我国研究现状分析我国的心电记录仪得到质的发展是在1978年4月引进Holter监测技术开始的[6]。一方面，从以前的磁带式记录仪器转变为现在比较先进，更加有有利于保留的固态式记录的仪器；另一方面，升级后的十二导联代替原来的单导和双导心电记录系统。随着经济和科技的进步，电子技术已深入到我们生活的各个领域，人们的需求不断提高，从而设计这个便携式心电采集系统。该系统可以全天记录心电活动的过程，在不影响正常生活的衣食住行中，记录这不同状态的心电活动变化情况。研究表明，这种心电记录仪不仅可以检测出常规心电图发现的疾病，甚至可以检测出常规心电图很难检测出的疾病，例如心律状态异常和心肌缺血等。同时，这对分析病人的心脏状态、心脏疾病确诊和研究治疗效果等提供了重要的参考资料。而在不久的将来，这种技术将会成为我国动态监护设备的发展方向。图1-1便携式心电监护仪我国不能够大范围的推广便于携带的心电监护仪（如图1-1所示）的原因，有以下几个方面[7]：心电监护仪所能记录的心电信息过于简单：医生从中不易得到患者完整的心电信息，因此不能全面了解患者的实际情况，从而会影响医生对心脏疾病的诊断，由此而造成诊断率的下降；价格昂贵：便携式监护仪的价格比普通监护设备的价格高昂很多，一般的患者难以承受几千甚至上万的费用，这也是便携式心电监护仪不能普及的原因之一；参数不够完善：便携式心电监护仪的各种参数，例如立即性、质量、耗电量、智能化程度等性能还没那么完善，用户利用设备进行检测时会遇到很多麻烦。1.2.2 国外研究现状分析二十世纪初，心电图机首次被公布于世[8]，荷兰著名的科学家威廉·艾艾因特霍芬利用弦线电流计的独特方式收集到人体的心电信号从而发明了该心电图机。1957年美国科学家Holter制作了有史以来第一个动态心电图设备。它不仅携带方便而且还可以随时记录心电活动的变化情况。这一创举弥补了心电图监测时患者长时间无法移动的缺点，开辟了心电监测的新领域。但是该设备不足之处在于，它只能记录一次心电图，但该结果具有偶然性，没有说服力，所以需要对设备进行改进，使其可以多次记录并储存。1961年由DelMar最先将Holter系统应用于临床，发达国家开始大规模地应用该心电记录仪。在20世纪80年代，在动态心电图机的基础上，改进和发展了心电检测设备以及运用更先进的检测技术，从而诞生了12导联的测量方法。在2000年到2005年，美国投资了150亿美元进行研究远程的心电监护系统，在此期间，欧盟在相关研究领域的投资达到了17.5亿美元。早期的远距离心电图检测系统，主要是通过电话的方式来传输心电信号，方法是由心电图采集设备检测ECG的活动情况然后变成音频信号，再通过一个有线电话网将其发送到监视部门，最终会再次转换成心电信号，医生便可在计算机上看到心电监测的结果。图1-2欧姆龙HCG-801心电图仪日本欧姆龙推出的便携式心电图机HCG-801（图1-2）在2005年的夏季市场开始推广。该款心电图仪器的电极有手指电极和胸部的电极，只要把手指放置在指电极上，而左胸直接接触到胸腔电极，心电图就可以被测量并在液晶屏上显示，还会显示出诸如“心脏速率较快，心率似乎有紊乱”和其它类型的信息，对患者进行疾病的提醒，但是该仪器不能准确做出诊断。它采用了心电图噪声消除技术，可以有效去除电气噪声、手脚和肌肉因运动，出汗等原因造成的漂移。设备的内存可连续采集五次心电波形，通过心电储存卡还可记录采集时间。1.3 本章小结本章介绍了国内外心电检测设备的发展现状，从国内外的研究看来，心电检测设备价格依然较为昂贵，显示参数不足，因此具有广大的发展空间，为顺应个人医疗设备智能化的趋势，设计一款带有蓝牙技术的心电采集设备能有效地弥补如今采集系统体积大、价格高、患者使用操作复杂等缺点，填补了市场空白。第2章 心电信号检测原理与电路设计2.1 心电波形产生原理概述心电图能够体现每个心动周期中，从窦房结产生的兴奋按照一定的传递途径和顺序依次传向心房和心室，从而造成心脏的跳动。引起人体心脏跳动的电信号来源、传播和心脏电位兴奋恢复过程中所发生的生物电波动情况可在人体上传播，由于人体具有导电性，因此，周期性的去极化和复极化的这种不断变化的心脏电流会流入人体的身体部位，但是因为每个身体部位接受到的电量不一样，所以会产生电位差，这些电位差会导致心肌发生心肌收缩，这样的收缩所产生的心脏活动能够被心电检测设备探测，只要把心电导联电极片贴在皮肤的特殊位置，心电设备检测这些电位变化可判断心跳的频率、节奏、心脏的兴奋起源、兴奋传导过程和兴奋传导途径有无异常心脏活动，再经处理后记录到特殊的记录纸上，这样能生成一种详细的心电图。心电图中QRS波群是心脏的细胞除极而产生的，T波则反映了复极的过程。一个正常的心电图所应显示的心电波形应该包括P波、QRS波群和T波三部分。在心电图中可以看出心脏所产生的电位变化情况有着一定的周期性，它的一个周期代表人体一次心跳所产生的心电变化情况。下面对心电波形（如图2-1所示）的几个组成部分进行简单说明[9]。P波：在心电波形中首先出现的一个小二圆钝的波，即为P波，它体现的是心脏左、右心房的去极化过程，反映从心房开始除极至心室开始除极总共所需要的时间，P波的宽度一般为0.08~0.1秒，电压不大于0.25毫伏。P-R段：是指P波起点到QRS波群起点之间的时段，起点表示心房除极完毕，终点表示心室除极开始，从中可以测量到心房P-R段反映兴奋通过心房后向房室交界处传导至心室过程中的电位变化，但是这一过程电位的变化微弱，一般记录不到电位的改变P-R段的持续时间一般大概是0.12-0.20秒。图2-1心电波形的形成QRS波群：这个波群可以反映左、右心室的去极化进程，在这期间，心脏电位的冲动会先到达到心室间隔的左侧面，从间隔的里层朝着外层依次传导。伴随着心室的不同位置的按一定顺序除极而产生的三个波形叫做QRS波群。典型的QRS波包括三个紧密连接的心电波形，分别是幅值最开始下降的Q波，接着是幅值突然大幅上升的R波，然后是幅值迅速降低的S波，但是并非所有心电导联测量到的心电波形都会包含QRS波，一般来说，QRS波群大约会持续0.06-0.1秒[10]。ST段：指的是在QRS波群结束之后和T波产生前时期线段，在这期间，心室进入了较为平缓的复极时期，所以此时心电幅度变化较小，通常情况下这个波形会和时间轴处于水平状态，相对于上一个波群结束后向下的偏移量不大于0.05毫伏向上的偏移量不大于0.1。T波：是指紧接着QRS波群的是一个幅值变化比较平稳的稍微朝上增加的波，体现此时心室状态正在向复极状态转变，这个波形存在的时间比较长。心室的复极化是指，心室细胞膜的电位慢慢地由外壁的负电位变为正电位，细胞膜内壁的电位又慢慢变成负电位[11]，这个阶段的电位变化与心肌肌细胞的活动相连，这个期间心脏的电位变化较小，因此在心电波形就会显示持续时间较长但变化平缓的波形。T波存在的时间在0.05~0.25秒左右。U波：在上一个波形结束之后再经过大约0.02-0.04秒的时间，心脏会产生一个的较宽但是幅值大多都小于0.05毫伏的波形，持续时间大概有0.20s，通常情况下这个波形是因为心室舒张期间不同部位产生的负电流组成的[12]。2.2 心电导联体系和发展历程介绍在人体皮肤上使用心电电极和导联线来采集心电信号只是心电图形成的第一步。心电导联表示在采集心电活动情况时，使用特定材质制造的线材和贴在人体皮肤表面指定的检测部位(正极端)与参照部位(负极端)的电极片和接地部位的连接方法。通过导联线设备能够探测到心脏的电位变化，该变化可以被Holter和远距离心电监控等设备记录;使用十二导导联线来检测可以更加整体地体现心脏电位变化的状态，这种导联连接方式主要用于做常规静态心电图检查。1906年，荷兰科学家威廉·爱因托芬创建了标准双极肢体导联[13]即为为在心电检测过程中最常用的I、II、III导联I导联为体表电极连接左臂(+)和右臂(-)；II导联为体表电极连接右臂(-)和左腿(+)；III导联为体表电极连接左臂(-)左腿(+)1932年，路易斯和威尔逊创建了单极胸前导联，即为胸导，该导联体系共有六个体表电极，名称分别为V1,V2,V3,V4,V5,V6。V1位于胸肋骨右侧边缘第四肋间隙（第四肋骨至第五肋骨间；V2位于胸肋骨左侧边缘第四肋间隙（第四肋骨与第五肋骨之间；V3位于置于V2和V4导联中间；V4位于第五肋间隙与锁骨中线的交点处；V5与V4导联水平，位于与腋前线的交点；V6与V5导联水平，位于腋中线交点1942年，戈德伯格科学家创建了加压单极肢体导联[14]。aVR导联为右右手上臂(+)和左手上臂与左腿下肢(-)的中点连接；aVL导联为左手上臂(+)和右手上臂与左下肢(-)的中点连接；aVF导联为左腿下肢(+)和右手上臂与左手上臂(-)的中点连接本系统的设计采用修正的五电极导联体系如表2-2以及图2-3所示，采电极位置标号胸骨右侧锁骨中线第一肋间的空隙RA右侧锁骨中间位置剑突水电极位置标号胸骨右侧锁骨中线第一肋间的空隙RA右侧锁骨中间位置剑突水平处RL胸骨左侧第四肋间空隙V胸骨左侧与锁骨中线第一肋间的交点LA左锁骨中线剑突水平处LL表2-2电极位置与标号图2-3人体电极位置2.3 心电信号检测电路硬件设计要求心脏在活动的过程中，能够自发生成特定性兴奋电流的细胞即心肌自律细胞。比如窦房结、浦肯野细胞就会产生生物电流，这个电流在人体表面的各个部位所产生的电动势也不同，通过电极连接人体皮肤表面的特定位置，通过导联线采集信号所形成的电动势的变化情况并记录就成为心电图[15]。心电信号的频率一般为0.05赫兹至100赫兹，幅度在10V~5mv左右。心电信号的幅度很弱小，而且常常掺杂有人体的肌电杂波信号以及来自外部的电流杂波。在心电信号提的过程中比较不容易完成的是在如此多外界干扰中采集微弱的信号，这也是心电信号采集设备设计的关键点之一。本文的系统能顺从市场的发展前景，将采集设备的体积做得足够小，并且采用了低压供电系统，能较好地保护使用者的安全。通过采集位于人体左臂、左腿、右臂、右腿以及胸导联电极的心电信号。本系统的设计应具有医疗专用设备的特性，同时又需考虑到使用者为家庭用户，所以除了仪器设计需科学性和先进性之外，还应考虑到安全性。对仪器的体积，价格，性能，操作方法都应考虑到使用者的需要。本文设计的心电采集模块作为家庭个人医疗设备，应便于不了解专业设备操作方法的人员进行使用，同时又可以为专业医生提供可靠的检查结果，而且利于医生对患者做出诊断，所以本系统的总体设计要求如下：设备应对人体无损伤，方便非专业医生人员进行使用；高度智能化和自动化，即使出现操作失误也不会对使用者造成严重伤害；体积和质量都用做到便于携带和保存。在整个系统中，心电信号的采集模块非常重要，信号的好坏也取决于此，因此采集电路的设计应兼顾性能与稳定性。本文系统的总体设计框图如图2-4所示：图2-4系统框图从图2-4可以看出，采集电路主要由以下几个部分组成：采集电极、保护电路、信号缓冲电路、导联差分电路、滤波电路、模数转换电路。放大以及滤波电路的设计将会影响心电信号采集的质量，所以一定要严格要求放大器的各项参数。心电检测电路从人体的体表检测到电位变化，通过放大、滤波和将模拟的信号转化为数字信号的芯片后，经过ARM7内核的LPC2138处理，将数据发送至蓝牙通信模块，数据被主机接收后即能显示出波形。2.4心电检测电路设计2.4.1保护和滤波电路在临床上，心电电路除了单独用于检查心电以外，还可能要与其它医疗设备同时使用，例如高频电刀、除颤器等，在家庭使用时还可能有其他用电器也同时使用，这些电器的输出均为高电压；而且在使用时人体还有可能产生静电，为了防止对芯片造成损害以及保证电路安全正常运行，在导联输入前级采用过压保护，如图2-5所示。D1002 1+7V -7V3输入 R105 R106 输出LP101

C103图2-5保护和滤波电路图2-5中，LP101为R075XA陶瓷气体放电三极管，三极管拥有两个端电极a、b，和两个瓷管。三极管管内用惰性气体填满管子的内部，陶瓷气体放电管组成高压保护单元，能够抵抗75V（正负20%）的电压冲击和5KA冲击电流。当加载在三极管的电压超出其保护的额度值时，三极管内会自动短路，并“吸收掉”会造成危险的电压，从而防止后级电路和使用者出现事故。双开关二极管D100内部有两个二极管，D100的2端和1端分别加上7V电压，当3端的电压大于+7V或者小于-7V时，其中一个二极管将会近似短路，电压将会被限制。相反，当3端电压在-7V~+7V之间时，两个二极管均截止近似开路，电压通过R106到后级。所以，D100的作用是将3端的电压限制在-7V~+7V之间。R105和C103构成RC低通滤波电路，当有高频（如1MHz）杂波信号干扰时，此时高于低通截止频率，杂波信号会经过C103近似短路到地，得以滤除。2.4.2缓冲电路输入缓冲器采用电压跟随器电路，能够避免人体与导联电路的直接相连接。在图2-6中，心电信号输入到U101A即LF44F低功耗四通道精密放大器中，该放大器和LM148放大器具有相同的带宽、频率、增益，并且只需有其四分之一的供电电流即可正常工作。U101A构成的其中一路缓冲放大器，它具有高输入阻抗，低输出阻抗，增益为“1”的特性。设置缓冲放大器的第一个优点是能够提高放大器的输入阻抗，防止导联与人体皮表接触时所产生的电阻而引起的信号衰减，提高采集心电信号时的共模抑制比和心电描记幅度，另一方面，设置缓冲器电路耗能提供较低的输出阻抗可确保有效地驱动后级导联电路工作。-7V

C1202输入 3

114+7V

1 输出U101AC121图2-6缓冲器电路2.4.3 心电导联差分放大电路导联检测电路采取了优化的五电极导联体系。用电极片贴在人体表面的任何两个地方上再用特制的导线分别于与心电图机的正端和负端连接，便可观察体表两处心电电位的活动情况。在人体的任意三个肢体上安置电极，由于人体左边的肩膀和右边肩膀以及臀部离心脏的距离类似相等，因此在人体表面上假想出一个等边三角形，心电信号从心脏出来后，能够迅速均匀地在体腔传播，LA、RA和LL三点形成一个等边三角形，即“爱氏三角”，如图2-7所示，同时，假设心脏产生的电偶向量位于此等边三角形的中心。RA I LARA--

I +LA-

II IIIII III+ +LL LL图2-7爱氏三角示意图在电路中，LA和RA差分放大为导联I，如图2-8（a）所示，RA、LA、LL和V差分放大为胸导联，如图2-8（b）所示。CB1 CB2R124 R125 R126 R127-7V

C13442 61 7 Ⅰ导联RA 3LA

8+7V

U103AC135

5 U103B（a）CB7 CB8R157 R158 R159 R160RA R121LA R122LL R123V

-7V4238+7V

C1441U106AC145

67 胸导联V5 U106B（b）图2-8心电导联电路（a）I导联电路（b）胸导联电路2.4.4滤波放大电路因为心电信号的幅度比较小而且具有一定的周期性，在心电的检测期间会被环境电气、患者的肌电等方面的影响，而且信号中常常伴随着频率为50Hz的工频干扰，所以要精确检测心电信号需要设计独特的电路对采集到的信号滤除不相关的波形，并设计合适放大倍数的电路对其放大，然后再经过带通滤波电路后才得到0.05Hz-100Hz心电信号。如图2-9所示，经过差分放大器后的II导联信号，再经过R139和C139组成的RC滤波电路后，流入带通滤波器，通频带设置在0.05Hz-100Hz之间，然后经过U108A和后级缓冲器电路输出。R176

C177R177R139

R140

C173

6R173

-7V4

R1897

缓冲器

Ⅱ输出Ⅱ输入

带通滤波器

5 U108A8

C189C139

+7V图2-9滤波放大电路2.4.5 右腿驱动电路在检测的过程中，患者如果直接接地可能会导致患者触电，从而对患者造成伤害，所以需要防止人体的直接接地。但是假如在信号检测的过程中，由于人体的电容影响，在患者身上可能会产生很大的共模信号，这些干扰会影响心电图的准确度，在没有质量良好的滤波放大器的条件中，人体接地又是降低该信号影响的最直接方法。所以，为了消除这种干扰信号，需要设计一款在防止共模信号对检测结果造成影响的同时可以避免患者直接接地的电路。如图2-10所示的电路即可实现这一目的。图中放大器，可以检测50Hz的频率干扰，将该干扰信号给患者，从而消除不必要的信号。信号在经过两个20KΩ的等值电阻后，可以计算得到交流共模信号的平均值，这个平均值有利于针对性地对信号进行处理，然后经过数字控制模拟开关后再流入右腿驱动电路对信号进行反相放大，通过限流电阻R120把信号接入右腿电极，该电路能够避免工频影响，提高共模抑制比，在人体和大地的电位差超过一定额度的时候，运算放大器会打到饱和状态，从而后级电路发生危险。图中输入信号LLB、LAB、RAB是经过缓冲器后的心电信号。RA132LLBLABLLBRABLABRAB

R119R118R117R116R115R114

数字控制RA113模拟开关

RA111CA10342 38CA104

-7V+7V

CA1051U109A

R120 RL图2-10右腿驱动电路2.5模数转换电路设计在获取了心电的模拟信号后，需要将其转换为数字信号才能让MCU对其处理，又由于需对七路信号进行转换，本系统采用了AnalogDevice公司的AD7327芯片进行AD转换。这款AD7327模数转换芯片具有8个转换通道，十二位带符号，双极型，采用了连续逼近型Analog-to-DigitalConverter设计。与采用传统CMOS工艺相比，采用iCMOS工艺组件可以输入双极性信号，具有4个可调电源输入范围：±10V，±5V，±2.5V以及0V至+10V。其内部具有2.5V的参考电压，也可以使用外部参考电压进行操作。模数转换器的每个模拟信号输入端都能被独立编程，同时还能更高的性能，大幅降低功耗，拥有更小的封装尺寸。图2-1所示为本系统模拟转换为数字的电路设计图。图2-1模数转换电路2.6 本章小结本章主要通过叙述心脏活动电位的产生部位，以及一个完整心电波形的各个阶段的主要区分方法和主要特征，阐述了心电信号采集的生理基础；介绍了心脏导联创立的发展历程，只有了解这些历程才能更好地设计心电采集系统。介绍了心电的波形特征以及硬件要求，展示了系统框图。设计了心电检测电路，因检测时可能会受到环境等其他信号的干扰，因此又设计了滤波电路和右腿驱动电路。因为采集系统所检测的心电信号为模拟信号，在考虑了系统的整体需求后，采用AD7327作为模数转换芯片。第3章 MCU及电源电路设计3.1 MCU电路设计3.1.1 LPC2138特性LPC2138是经常使用的嵌入式系统芯片，该芯片具有实时仿真的优势，和32位ARM7处理器的跟踪，他在保证了性能的同时又能使系统更节能，因为它的结构相比于复杂指令集来说得到了进一步的优化，精简指令集原则的使用使得相关的解码机更为优化[16]，大大缩短了解码时间，因此不需要太昂贵的MCU就能够满足系统设计的相关要求。和以往的单片机一样，MCU在工作时取指令、解码、执行指令可以同时进行，MCU会在运行指令的期间一边解码即将运行的指令，而且还可以调出在存储器中里面的指令。由于采用了128位的接口以及优化了的结构能够提高指令在较高波特率时的执行速度3.1.2 LPC2138电路设计MCU控制电路能够采用来自外部的晶振或者外部的时钟源，内部的锁相环路能够控制系统运行频率，从而加快系统的运行。如果无需用到芯片内部的锁相环和ISP的话，那么片外的时钟频率可调整到1Hz-30MHz，如果需要这两个电路，片外晶时钟频率可设为10Hz-25MHz。在控制电路设计中，选取14.7456MHz的片外晶振作为系统的振荡器，电路图3-1中的Y403晶体振荡器与C1电容和C12电容组成的电路可使串口的波特率更精确，提高系统稳定性。图3-1PC2138控制模块3.1.3 看门狗电路设计在MCU的运行过程中，可能会因为某些原因引起的干扰，导致程序运行不正常从而进入死循环，即程序跑飞。这将会导致MCU停留在奔溃的代码中，而且不能调整到正常的运行情景。因此为了系统的正常工作，本系统采用了具有独特功能的复位集成电路。这款能够在处理器运行不正常时向处理器发送特定的信号就叫做看门狗系统，这个信号能够将处理器强制复位，从而避免了系统陷入死循环但不会自动复位的状态。本设计使用的看门狗复位系统采用了SP706REN模块，如图3-2所示，能够当MCU停滞的情况下而自动发出复位脉冲，能够满足处理器无需人工监控就能正常运行的要求。其工作原理是SP706REN模块的6脚和MCU的WDT端口连接，在软件中令MCU周期性地向复位模块的6脚上发出高电位信号，假如MCU的程序运行不正常并且进入了死循环状态，如果没有人工干预，处理器是不会自动调整恢复的，在这个时候，看门狗电路则起到了保护程序正常运行的作用，它因为无法接收MCU的高电平脉冲则会向处理器的RST端口传送低电平信号，强制MCU的程序重新恢复到最初状态，这样便实现了单片机的自动复位。图3-2看门狗电路模块3.1.4JAG接口设计图3-3JAG接口设计为了方便芯片的调试，虽然调试接口不是控制系统的必需接口，但是设计该接口可以在线调试系统，在调试的过程中可以更方便的操作。通过这个接口利用开发软件可以对芯片的FLASH存储区进行编码，从而无需在生产期间对芯片进行预编程，大大加快了研发速度。图3-3为本系统的JAG的接口设计。3.2电源模块设计3.2.112VDC/DC电源设计本系统采用了12V输入电压设计，由于放大器需要7V电压才可以正常工作，而单片机的正常工作电压为3.3V。本系统采用了金升阳12VDC-DC电源模块。如图3-4所示。将从电源适配器的直流12V电压转换为12V。由于本设计中具有模拟电路，对电源波纹的抑制要求很高，因此在电源外围电路设计中，添加了电容进行滤波。为防止数字部分对模拟部分的影响，在电源电路的研发中需要将模拟GND与数字GND隔离，避免干扰的产生。图3-412VDC-DC电源模块3.2.2+5V与+7V稳压电路经过优化后的电源，由于电压仍然为12V所以还需要将其转换为+5v和+7V的，为后面的心电放大部分和模数转换芯片提供正常工作所需的电源。如图3-5所示，图3-5+5V与+7V稳压电路在该稳压电路的设计中，采用了LM17与LM317压差电压稳压器，可提供电流限制和过热保护。在输出端的电容对于保持输出电压的稳定性起着重要的作用，由于使用钽电容，能有效提高了回路的稳定性和瞬态响应。3.2.3 -5V与-7V稳压电路如图3-6所示，本系统设计采用了TS79M08与79L05为系统提供负稳压电源。这一系列的固定负电压集成电路电压稳压器应用广泛，它可以消除噪声和解决单点连接所带来的问题。其内部的限流保护和过热关断功能可以有效避免超载。图3-6-5V与-7V稳压电路3.3 本章小结这章主要描述本设计中的中央处理器和供电设计电路。MCU是本系统设计的核心，因此，保证MCU正常工作运行对本系统的实现起着至关重要的作用，因此，在设计中加入了看门狗电路以防止程序出错从而导致了系统陷入死循环；然后介绍了系统供电电路设计，只有具有稳定的电源供电系统才能为系统的运行提供保证。第4章 蓝牙无线模块设计4.1 蓝牙技术蓝牙（Bluetooth）无线技术[17]，这种技术一般运用在短途的数据传输输中，本系统利用了蓝牙的透传功能，从而达到不需要连接线的效果的同时又能保证数据正确传输，可以减少使用实体的数据线。设计中使用的蓝牙模块在2.G赫兹频率，蓝牙的工作最大带宽为一兆比特每秒，经实际检测，蓝牙的数据传输速度最快为721Kb/S，理论上连接距离超过十米时蓝牙可能会发生断线或丢包的情况。自从蓝牙被发明以来，这种新型的无线技术一直被看好，各种需要无线连接的领域都大规模使用蓝牙作为无线模块，因此蓝牙被运用在智能汽车、智能家居、计算机和手机的无线数据传输中。由于蓝牙具有低成本、低功耗的特性，所以蓝牙技术的大范围使用将使得各种设备的连接更加便捷与高速，甚至还可通过蓝牙协议将设备接入互联网中，从而大大拓展了蓝牙网络连接的应用范围。4.2 蓝牙协议蓝牙核心协议是由各大通信商通过研究后共同约定的蓝牙专用协议组成。现如今，我们所使用的蓝牙通讯模块都要使用到蓝牙的Core协议，这个通讯协议主要约定了蓝牙通讯中的细节。除此之外的协议要面向实际的情况来制定，例如Profiles则限定了组成蓝牙的协议栈，这样就为全球兼容性打下了基础，下面阐述蓝牙的常用协议。基带协议是指蓝牙的BB协议[18]以及链路控制协议（LC）能够保证蓝蓝牙通讯中的设备的连接的稳定而不会造成多个设备共同挤占一个频道的情况出现，从而确保了连接的质量。当蓝牙在发送数据的期间，蓝牙的基带会把来上层收到的数据通过对其信道进行编码的方式，将信号传输到射频模块从而把数据传输到接收方；蓝牙在接收数据的时候，与发送数据的方法相反，蓝牙能够把下层收到的数据上传给基带，然后蓝牙的基带会对接收的数据进行信道编码并发送到上层。连接管理协议主要管理各个使用蓝牙通信的设备的连接。管理设备的连接状态例如激活模式、休眠模式、保持模式等。并且管理设备的基带的分组，包括接入码、分组头、有限负荷。逻辑链路控制适应协议是蓝牙基带的高层协议，蓝牙链路管理器接收到高层的控制信息后，不是向自身的基带部分分发控制信息，而是与另一台设备的链路管理器进行协商管理。服务发现协议在蓝牙的连接中起到了关键的作用，这个协议主要用于设备连接时的搜索设备上。通过该协议可以查询到设备的类别以及设备所能提供的服务种类，从而建立起设备的连接。串口线仿真协议可以在蓝牙的基带协议上模拟出RS-232信号，做到使用蓝牙仿真串口线的功能。这也是本系统所使用的主要协议，它还能对使用串口通信的设备提供服务。4.3MCU与蓝牙模块通信本系统的设计相比于其他心电采集系统最主要的优势就是采用了无线设计，系统的各个部分之间用无线蓝牙代替了传统的串口线进行数据传输，在对比了各个无线通信方法后，最终选用了蓝牙作为无线传输系统。利用蓝牙的电缆替代协议，数据在主机和心电采集电路板通过蓝牙进行传输。4.3.1蓝牙数据传输可行性分析通常，人体的心跳频率大概为每分钟五十至七十次，心跳频率理论上为1Hz上下。所以，在测量时应选取较高的采样率才能保证心电图采集的质量，但是，较高的采样频率所带来的缺点是会产生过多的数据，而且蓝牙的速度达不到传输大量数据的要求。所以，本设计设置了采样率为250赫兹。由于模数转换芯片为7通道，系统采样所产生的数据每秒大概279字节，在数据的传输过程中还需加上蓝牙通信中的信息，所以系统所产生的总数据为每秒450字节。要满足本设计要求，首先蓝牙的协议应能为此提供足够的支持。由于本系统采用了蓝牙电缆替代协议，这个协议能够提供波特率为38400赫兹的通信，能够符合数据传输所需要的要求。4.3.2蓝牙模块选用本系统所使用的蓝牙通讯模块为LM01，该蓝牙拥有CSR公司推出的一块BlueCore4-Ext芯片，该模块使用了蓝牙V2.1版本。模块能够使用UAT、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，最关键的是能够使用蓝牙的SPP协议，而且价格便宜，集成度高，还有低功耗的优势。蓝牙模块已经开发完毕，不需要对模块内部进行二次开发，便于使用。4.3.3T指令介绍本设计使用的LM-01蓝牙能够工作在两种状态，第一种为指令状态，这需要在模块进入透传前才能用下表所示的T指令对其进行控制，使用者可以通过有线连接的方式对蓝牙的属性进行配置，同时也可以控制蓝牙的工作方式，例如是否自动搜索、连接到指定地址、蓝牙主从模式设定等；在另一种即工作在透明传输的状态下，模块能够进行搜索，检测附近的蓝牙从模块并建立连接，或者连接到指定的蓝牙地址，在该状态中，蓝牙忽略所有指令，即使发送了控制指令，蓝牙也会将该指令当作数据进行传输，而且会按照已经存储在模块内的设置参数进行通信。因为系统使用的蓝牙模块可以根据需要对其工作角色手动指定。设置工作角色有两种方法，第一种为硬件设置法，另一种为软件设置法。在模块上通过模块的PI(4)口控制蓝牙是否允许软件设置法。如果这个接口被接到高电位上，则允许通过软件对其进行工作角色设置；如果接到了低电位，则只能通过硬件对其设置，用软件发送T指令修改工作角色虽然会立即生效，但是重新上电后模块又会进入硬件所设定的角色。在硬件设置法中，通过蓝牙上的另一个串口O)对其模式进行设定。如果它被接到高电位上，那么蓝牙会工作在主模式，此时只能搜索从模块，不能被其他模块搜索；若接到低电位上，蓝牙工作在从模式，这时蓝牙不能搜索其他模块，只能等待连接。本设计所使用的蓝牙采用了软件设置法，将模块设置为允许软件配置，蓝牙就可以接受下表T指令的控制。表4-1常用的T指令设置：功能T指令模块应答说明测试是否进入T模式OK当模块返回时表明已进入T模式模块命名T+NAME<Para1>1.+NAME=<Para1>OK<Para1>：设备名称T+NAME<Para1>2.ERROR=<Error_Code>命名成功则返回模块名称，否则返回错误代码波特率设置T+BAUD<Para1>1.+BAUD=<Para1>OK2.ERROR=<Error_Code>设置成功则放回波特率代码，否则返回错误代码主从模式设置T+ROLE<Para1>1.+ROLE=<Para1>OK2.ERROR=<Error_Code>返回<Para1>：0从设备1主设备PN码设置T+PIN<Para1>1.+PN=<Para1>2.ERROR=<Error_Code>返回<Para1>：配对码4.3.4 蓝牙与MCU连接设计中采用的蓝牙模块为串口类型的，可直接和蓝牙连接，因此将蓝牙的数据发送端（TDX）与数据接收端（RDX）和单片机的数据接收端（RDX）和发送端（TDX）连接，地线（GND）和电源（VCC）与蓝牙模块上对应的引脚连接好即可，同时应设置好相应的波特率，便可与MCU正常通信。蓝牙模块与MCU的连接示意图如图4-2所示图4-2蓝牙与MCU连接示意图4.4 测试与实验4.4.1 软件应用程序软件方面采用了VC++编写，主要的作用为将接收到的数据包解析，并且通过函数绘制出心电波形，采用精确的算法计算出心率，并且可以手动选择滤波类型以及导联的相关参数，界面美观，操作简便。软件界面如图4-3所示。图4-3软件界面4.4.2 蓝牙配置将蓝牙通过USB转TTL下载器连接到PC上，打开串口调试工具，设置好主机相应的串口号、波特率、奇偶校验位即可对蓝牙模块进行操作。通过T指令，对蓝牙设置通信波特率为38400，数据位为8位，一位停止位，没有奇偶校验位。至此，蓝牙的设置结束。此时可以看到蓝牙正在进行自动连接，如图4-4所示。图4-4蓝牙连接4.4.3 数据通信等待蓝牙配对并建立连接后，蓝牙会进入透传状态，这时通过串口调试工具对其进行设置是无效的，此时蓝牙即相当于一条串口线，可通过其电缆替代协议通过蓝牙进行数据透传。用串口调试工具可看到蓝牙收到的数据。根据通信协议，此时心电板会一直发送0xff，0xff请求信号，系统机收到后向心电板发送初始化命令。打开系统软件即可看到心电波形。从波形中可以看出系统机软件总体运行良好，如图4-5心电波形也较为正常。图4-5心电波形4.5 本章小结本章主要介绍了蓝牙的发展历程以及蓝牙的协议，并且论证了系统采用蓝牙作为无线传输模块的可行性。详细介绍了对蓝牙的配置以及建立系统机与采集模块的蓝牙通信连接，以及软件的说明和操作，最后的实验证明系统的可行性。第5章 总结与展望5.1本文研究工作总结心电图机是心电临床检查中的常用设备，医生可通过心电检查的结果对患者的心脏情况作出诊断。常用的心电图的检测一般都具有体积大，价格昂贵等缺点，本系统设计的基于蓝牙的心电仪采集设备有效地解决以上问题，并且能够实现心电信号采集的实时性，并具有低成本的特点，心电采集模块及处理和显示分开，再加上使用了蓝牙无线技术能够提高设备的便携性，不再需要过多的数据线。经过试验结果测试，本系统能正确检测心电波形，可看到清晰的QRS波群，并且能有效滤除杂波的干扰。本文主要完成了以下几个方面的工作:研究心电信号的特点和来源；在了解系统需求后，设计能满足相应指标的心电硬件采集模块；设计相应的采集软件，使用了较好的滤波算法和心率算法；对系统进行调试，结果较为符合要求。5.2进一步的工作和建议在系统的运行中，虽能满足系统的总体设计要求，由于本人时间及精力有限难免会存在不足，对未来研究方向做出几点展望：由于整个系统的设计较为复杂，所涉及到的知识面比较广，不易于实现，为了节约时间，后期可以在移动终端开发心电信号处理软件，可以更进一步提高硬件的智能化和小型化，提高系统的便携性；解决蓝牙的丢包问题，蓝牙的不定时丢包可能会导致软件的奔溃；本文设计的系统体积还不够小，后期将电路板重新布局，并把蓝牙模块集成到系统中；系统功耗还不足够低，后期和采用更低功耗的MCU和蓝牙模块，优化系统功耗性能。参考文献[1]世卫.非传染性疾病是人类健康最大威胁[N].中国医药报，201-05-13008.[2]杨德龙.基于Android系统的蓝牙无线动态心电监护系统设计[D].天津大学，2014.[3]彭保基.基于蓝牙及Android的便携式心电仪的设计与实现[D].吉林大学，2014.[4]梅翠松.基于蓝牙通讯的便携式心电监测仪的设计与实现[D].西安工业大学，2014.[5]李春聚.便携式医疗电子设备的应用[J].临床医药文献电子杂志，2015，27:5766.[6]田福英，沈铁明，刘博宇.基于蓝牙传输的手机心电监护系统设计与实现中国医学物理学杂志，2013，04:4303-4306.[7]张天翼.蓝牙技术在便携式心电监测仪中的应用研究[D].哈尔滨工程大学，2008.[8]徐涵.基于蓝牙的心电采集和传输系统设计与实现[D].东华大学，2013.[9]罗小刚.心电信号处理和特征信息提取方法的研究及心电工作站的研制重庆大学，2003.[10]张艳丽.基于小波变换与模糊神经网络的ECG自动分析[D].山东大学，2005.[11]韩立策.可穿戴式远程医疗系统用户端心电信号的实时检测[D].重庆大学，2008.[12]杨德龙.基于Android系统的蓝牙无线动态心电监护系统设计[D].天津大学，2014.[13]李念.多生理参数采集系统的硬件电路设计[D].武汉理工大学，2014.[14]孔凡雪.动态心电监护系统及心电信号处理方法的研究[D].山东科技大学，201.[15]张红丽.用电服务与管理系统的研究[D].山东大学，2007.[16]魏利锋.蓝牙技术鉴权加密算法的硬件实现[D].浙江大学，2004.[17]孙炎森.基于蓝牙标准的点到多点音视频传输技术的研究与设计[D].北京工业大学，2009.[18]范晨灿.基于蓝牙4.0传输的Android手机心电监护系统[D].浙江大学，2013.[19]张嘉伟.心电图形态特征的识别及其在分类中的作用研究[D].华东师范大学，201.[20]MahmoudSS,HussainZM,CosicI.etal.ime-frequencyanalysisofnormalandabnormalbiologicalsignals[J].BiomedicalSignalProcessingandControl,2006,1(1):33-43.[21]HicksonI,HyattD.HTML5:AvocabularyandaciatedAPIsforHTMLandXHTML[J].W3CorkingDraft,2010,19.[22]Gabriel 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