嵌入式遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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穿戴式心電采集設(shè)備的電路主要是由傳感器、放大濾波電路及陷波電路組成。
(1)傳感器：傳感器是將所要監(jiān)測的生理信號轉(zhuǎn)化為電信號。實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器采用的是貼片電極，通過CM1導(dǎo)連方式來獲取信號。
(2)放大濾波電路：經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后得到的生理電信號一般幅值較低，且?guī)в泻艽蟮脑肼暩蓴_，必須進(jìn)行放大濾波處理。該電路包含一個(gè)前置放大電路，一個(gè)帶通濾波電路及二級放大電路。前置放大電路采用的是一個(gè)AD620儀用放大器作為前置放大器。帶通濾波電路由一個(gè)二階高通濾波電路和一個(gè)二階低通濾波電路串聯(lián)而成?？紤]到心電信號的頻率范圍及后續(xù)A／D的動(dòng)態(tài)范圍，帶通濾波電路的通頻帶設(shè)計(jì)為O．1～
100 Hz，總放大倍數(shù)為1 000左右。
(3)陷波電路：50 Hz工頻干擾(國外為60 Hz)是生理信號最主要的噪聲來源，50 Hz干擾消除的效果直接決定了最后獲取信號的好壞。區(qū)別于傳統(tǒng)的雙T對稱有源陷波器，該系統(tǒng)采用非對稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器，其優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)干擾源頻率和干擾強(qiáng)度進(jìn)行陷波頻率和Q值的調(diào)節(jié)，使設(shè)計(jì)更具通用性。
1．2 射頻發(fā)射和接收
目前，穿戴式遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的無線通信手段包括藍(lán)牙、射頻、紅外等，以藍(lán)牙的使用最為廣泛，但使用藍(lán)牙成本高，這對于推廣普及是個(gè)很大的障礙。紅外的傳輸距離短，抗干擾差，現(xiàn)在已基本不使用。射頻具有價(jià)格低，傳輸距離長等特性，特別是高性價(jià)比射頻芯片的不斷出現(xiàn)，使它的使用越來越受青睞。該系統(tǒng)采用的是2塊挪威Nordic公司nRF905的射頻芯片，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。nRF905不僅能夠滿足穿戴式醫(yī)療儀器低功耗的要求，并且能同時(shí)保證傳輸速率以及傳輸距離。經(jīng)實(shí)際測量，在室內(nèi)有墻壁阻隔，無劇烈運(yùn)動(dòng)的情況下，傳輸距離達(dá)到25 m以上，因而被監(jiān)測者可以在室內(nèi)自由活動(dòng)。無線傳輸丟包率在1／10 000內(nèi)，能保證傳輸數(shù)據(jù)不丟失，最大傳輸速率可達(dá)100 Kb／s。設(shè)計(jì)時(shí)，處理器通過SPI接口對2塊nRF905寄存器進(jìn)行相同的配置。在實(shí)際工作中，nRF905就可以自動(dòng)濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)才會被接受，并存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中。nRF90提供了433／868／915 MHz三個(gè)ISM頻道(可以免費(fèi)使用)，該系統(tǒng)中采用的是915 MHz。
1．3 單片機(jī)
該系統(tǒng)中，單片機(jī)采用C8051F330。單片機(jī)具有體積小(MLP-20封裝)，功耗低，功能強(qiáng)大(自帶10位A／D、SPI總線、24．5 MHz晶振)等特性，能夠大大提高前端的輕便性。該單片機(jī)的作用是與nRF905進(jìn)行通訊，對心電采集電路獲取的信號進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以及對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻傳輸前的加密。
(1)與nRF905通訊：通過SPI總線來對nRF905的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)輸送。
(2)A／D轉(zhuǎn)換：C8051F330自身帶有一個(gè)10位的A／D轉(zhuǎn)換器，其動(dòng)態(tài)范圍為-2．7～+2．7 V。設(shè)計(jì)中心電的采樣率采用250 Hz。
(3)數(shù)據(jù)加密：由于設(shè)計(jì)中采用nRF905射頻芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，任何相同的芯片，只要內(nèi)部寄存器配置一致，它們之間就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。由于用戶的生理信息涉及到用戶的隱私問題，而nRF905傳輸覆蓋的范圍較寬。為了保證用戶數(shù)據(jù)在無線傳輸時(shí)的安全性，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，而這一過程在其他類似采用射頻傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中常被忽略掉。在該系統(tǒng)中，采用了AES軟件加密算法來完成這一過程。這相對于常用的硬件加密，一方面提高儀器的輕便性，另一方面又可以降低儀器的成本。AES支持128 b，192 b或256 b三種密鑰長度，該設(shè)計(jì)采用128 b密鑰長度。
1．4 ARM處理器
ARM處理器采用的是三星公司的S3C2440處理器，用于完成以下功能：
(1)與nRF905通信：其過程與單片機(jī)類似，即對nRF905進(jìn)行配置，讀取nRF905接收到的數(shù)據(jù)等。
(2)數(shù)據(jù)解密：由于nRF905接收到的心電數(shù)據(jù)需要經(jīng)過加密處理。為了對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，必須先將數(shù)據(jù)還原。解密過程是加密過程的標(biāo)準(zhǔn)逆運(yùn)算。
(3)LCD顯示：主要是將解密后的心電數(shù)據(jù)，以及監(jiān)護(hù)中心的反饋信息(如診斷結(jié)果、報(bào)警等)顯示在LCD上。采用的是一個(gè)320×240的三色LCD，運(yùn)用MINIGUI進(jìn)行編程。
(4)與DSP進(jìn)行通信：主要是將解密數(shù)據(jù)傳給DSP，然后再將DSP處理后的數(shù)據(jù)讀回來。ARM和DSP的通訊采用HPI總線方式。
(5)與GPRS通信：包括向監(jiān)護(hù)中心發(fā)送監(jiān)護(hù)請求、將從DSP處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)護(hù)中心，以及讀取中心的反饋信息等。ARM和GPRS通過RS 232串口進(jìn)行連接。GPRS采用ETPro-221An模塊。
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