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2023-2023德州仪器C2023和MCU创新设计大赛题目：基于ZigBee的无线ECG心电采集诊断系统贾真jiazhen.云南省昆明市呈贡县昆明市呈贡新区大学城东外环路南路云南大学校区楠院杨志柳 2 2 22.系统方案 33.系统硬件设计 53.1采集模块设计 53.1.1设计思绪 53.1.2改善方案 63.2ZigBee模块硬件设计 7 7 83.2.33.2.3A/D模数转换硬件设置 8 83.2.5串口通信硬件配置 9 9 93.3.2本项目中Cortex-M3平台的应用 4.系统软件设计 144.2.1算法设计思绪 4.2.2算法流程图 4.2.3程序的后期设计 5.系统创新 176.评测与结论 参照文献 19摘要性能处理器，对信号进行深入处理，将心电图wirelessly.ThesystemusesprofessionalanalogueamplifiertoCollectorwirelessly.TheCollectortransmitsthesignaltotheCortex-M3,whichprocfeaturedwithstrongcapacityofresistingdisturbance,highreliabilpowerconsumptionandtinyshapeKeywords:ECG;Electrocardiosignal;ZigBee;CortexM3然后通过ZigBee传播，再送至MCU平台处理显示。可实时显示人体心电图(ECG),测量人体呼吸，对采集到的人体信号作综合处理后，可观测病人的心肌工作与否正常，和时发现病人隐藏的断，这不仅解放了护理人员繁重的劳动，并且还为监护的和早发现、迅的方案进行升级与深入研究，该无线系统还可应用于灾害抢险中的生命检测，高危职业的生命智能我们的系统由安装在人体身上的电极传感器采集人体生命信号，经放大电路放大后，通过A/D送入子节点，子节点通过无线方式将采集数据汇报给母节点，母节点综合搜集各个子节点的数控制器分析并显示。整个系统共分为采集、传送、控制三个大模块。整体框图如图1所示：系统最前端的采集模块首先通过巧妙分布于人体中的电极传感器采集各个经屏蔽电缆送入模拟电路放大部分，该放大电路是经典的ECG小信号放大电路，具有高增益，点。在这里，为了使采集到的人体信号有说服力，我们兼顾了导联中间的传送模块是整个系统的关键部分。A/D部分采用多通道轮换采集，考虑到数据包的使用传播协议中内嵌了一种小型的微操作系统，因此每次数据连接都是一系列系统动作轮询执此每次连接的建立都是宝贵的，这就使得我们在每次连接的母站接受各方数据，这里它充当的就是协调器的角色。协调器会对数据作对应处理，进行初步加之符合系统的特性，这里尤其对数据帧的格式做了规定，以便双方无误接受以和精系统终端是控制器模块，负责将从串口传过来的数据进行显示，画出表征对数据进行初步分析，做到实时反应被检测人员的身体特性。由于最终汇总的数据量庞人体心电电压信号的大体范围是1~4mV,为信号进行合适的放大。1~5V的电压信号处理起来较为以便，因此我们大体需要对原始心电信号放大1000倍左右。在这里，我们采用了两级放大的设计方案。若第一级放大增益过高，则轻易自激，因此我们设计第一级放大增益为10倍左右，第二级放大增益为100倍左右。在第一级放大中，我们使用了仪器放大器AD623。AD623是一款低功耗仪器放大器，可以使用3V供电，可以与CC2230模块可以使用通过外接电阻进行调整。这里我们使用的电阻阻值为15K,AD623的增益约为8~10倍。第一级运放电路原第二级放大我们使用了低功耗通用放大器MCP6004。MCP6004使用1.8~5.5V单电源供电。可以实现与可知两级放大总增益约为400至500倍，可以将原始信号放大到0.5~2V,适合CC2530模块进行采集。图4右腿驱动原理图在采集模块的设计过程中我们发现，虽然该模块只用到AD623和为了处理这个问题，我们已经开始着手使用TI企业的ADS1298芯片来实现心电信号的采集。ADS1298是TI企业设计的专门用于生物电势测量的低功耗、8通道、24位模拟前端。其中内置8个低噪声可编程增本来使用AD623和MCP6004的方案，使用ADS1298可1个SK-SmartRF05EB(评估底板)2个SK-SmartRF05BB(电池底板)3支2.4GHz可折叠橡皮天线(天线增益3dBi)ZigBee模块的整体框图如图5所示：RAM,和丰富强大的外设资源，包括8~14位ADC、USART、21个可编程1/接USB供电。它具有卓越射频性能，包括低功耗持在99%以上。这里，协调器(亦称采集器)担任了采集数据之间重要的转换角色，它要搜集各方数据，它同样采用3.3V供电，由于终端采集节点分布在传感网络的最末端，我们可用8个独立配置输入通道并且心电信号躁动干扰大，不需要精确将每一时刻的值都全息记录，而重要我们的ADC使用8位模式。心电信号经放大后出来的信号幅值在2V上下，因此参照电压选择片上引(原则状态下为3.3V)。SK-SmartRF05EB协调器上配有的MzLH种字号的中文库(包括一、二级中文库)以和两种字号的ASCII码细纹字库；自带基本绘图功能。该模组为串行SPI接口，接口简朴、操作以便；我们使用式数据，这样我们就可以用USB与PC进行通信，但由于我们采用的是ARM处(cortex-m3内核)的全功能开发平台—HelloM3-9B9X开发板。LM3S9B96是TI最新推出的S列Tempest家族中功能最强大的一款，主频80MHz(100MMIPS)、256KB的闪存、96KB的静态存储器，图6ZigBee网络示意图还需兼顾发送端A/D采集数据并发送，接受端接受数据并通过UART传至下一级。由于图7操作系统流程图部分是系统初始化(Osal_init_system函数),它会给各个任务分派任务号(TaskID),然后设定对应事件。接着启动中断，初始化按键与显示之后，我们就可以启动操作系统(Osal_start_system函数)。开0sal_start_system函数使操作系统进入无返回的死循环，直至系统复位或者看门狗复位。该函数为轮询是通信就一定会涉和到两个终端，也就是我们这里所说的采集节点和协调器，因从协调器的算法中可看出，对于协调器，它充首先一种网络一种协调器，然后协调器启动，读取设备的逻辑类型，读为协调器发操作系统中的组网事件。网络建立起来后，协调器将与节点建立绑定关系，这的绑定，协调器会进入容许绑定状态，我们需设置时理人员是自主的，本系统中我们将时间设定为任何时候都容许绑定，在收到子节点由于在ZigBee的操作系统中有消息来访事件(有点像的来电显示),只要节点有数据发出，协调器就会进入接受数据指示函数，通过判断数据类型，数据帧头部标志(详细的数据帧格式将在下面的发送部分详细讲解),进入心电信号汇报处理部分，我们将采集到的8位数据扩大一倍，然后采用软件微滤波的方终端采集节点的流程图基本同协调器，与协调器相比，去掉了串口部分，增长了A/D采样模块，然后采集节点就会发出绑定装置信号，若返回成功标识，则绑定完毕。接着就是发送数据，数据来自A/D采样部分，现先通过图9指明A/D的详细过程：图9A/D采样流程图A/D采用p0.1通道，转换精度采用8位，有效位为7位，也就是说我们采集到的电压数据在1到127然后后续字节为采样数值，由于A/D转换精度采用8位，因此一次采样值刚好可以放入一种字节中。又由于120ms启动一次发送事件，意味着两次发送之间有120ms的间隔，我们在这段间隔中插入了15次A/D采样，每次采样间隔6ms。由于心电信号在它的上跳点处频率很高，因此我们充足挖掘了ZigBee的数据传播首先从指定端口0的接受FIF0中获取一种数值，通过颜色将数值画在第一列上，然后继续接受下一种数值，画在第二列，并与第一列的数值点连接成线。如此循环画下去，当画满一屏由于屏幕是320x240的规格，将屏幕分为两部分，纵轴0~23的范围处画框显示标题，纵轴29~239的然后重新刷新，覆盖前一屏的波形。在显示波形的区域，将其分为小块的方格，以便观测，并将5x5的方格画一种边界。在画每一列的过程中，先着背景色，再画出方格线，最终画出数值点当输入三路信号时，分别用红绿紫表达。通过列数计数器j累加，来判断与否画完一屏数据。当画完一屏时，列数计数器j清零，重新从第一列画起，逐渐覆盖前一屏的波形。加入计算心率算法，增长心率，体温参数的显示接受多种顾客的数据，通过触屏选择任何一种人的心电图并显示通过上位机与电脑连接，将所有的数据传给电脑，以便深入的处理5.系统创新医院或小区老龄人或特殊人群的监护周期长，并且监护这项工作的特点就是“防止万一”,有特殊状况的时间在整个监护时间段内只是一瞬间，但为了这一瞬间我们需要每时每刻的监耗问题，而ZigBee恰好就具有低功耗的特点，两节一般5号电池就可以驱动。因此采用低功耗的ZigBee上，然后通过有线的方式将数据传播至医务人员办公室，这样受护理者的活动范围案是病人自身要携带粗笨的检测分析仪器，而病人自身是很少有分析能力，因此这的方式传递至另一边的分析端。这样既给了受护理者息事件的间隔不能太小，否则会导致连接的中断，鉴于此，我们发明量，即在一种数据包中放入多次A/D采样值，通过一定延迟后再进行采样。我们本来每两次数据发送之间的定期周期为12ms,每次发送两个字节的数据，可以说数据率很低下，后来我们采用多次采样，打包发送的措施后，每次发送15个字节的数据，提高了数据率。这可以说是对ZigBee数据传播极限的一种挖掘。此外，放大电路的AD623、MCP6004与子节点的CC2530都是低功耗产品。这样，两节电池就可支持子节点右的可观测信号，先用示波器观测前级心电图(E稍微下跳的波形。接着我们将子节点采集到的信号用无线方式发送给了协调器，这里，每120ms发送一种数据包，每个数据包括14个有效采样值，它们是每隔6ms采样一次，由此发现发送速率实际为800bit/s左右。协调器的LCD显示屏可以看到实时采集