基于ARM7的新型嵌入式心电监护仪的研制

摘要：本文介绍了一种新型便携式心电监测仪的软硬件设计，基于ARM核的32位低功耗微处理器作为系统控制核心，系统采用源码公开的嵌入式uClinux|0">uClinux操作系统，可实现心电信号的实时显示和远程监测，具有轻便节能、功能强大，安全稳定等优点。
关键词：心电ECG ARM uClinux 液晶显示屏 TCP/IP协议

一、绪论

心血管疾病是目前对人类危害最大的一种疾病，而心电图是检查、诊断和预防该类疾病的主要手段和依据。由于传统的基于PC机平台的心电监护仪，价格昂贵，体积庞大，不便于移动且主要集中在大医院，而无法实时监护患者的病情，给医生和病人带来了很大的不便。近年来，随着嵌入式和网络通讯技术的飞速发展，我们研制出一种基于ARM7处理器的新型嵌入式心电监护仪，它采用Samsung公司的一款ARM7TDMI核的RISC的32位高速处理器S3C44B0X,具有成本低、体积小、可靠性高、操作简单等优点，适用于个人、中小医院和社区医疗单位，为家庭保健（HHC）和远程医疗（Telemedicine）等新兴的医疗途径提供良好的帮助与支持。

二、系统的工作原理

图一 新型嵌入式心电监护仪的系统结构框图

心电信号通过专用电极从人的左右臂采集到后，送入信号调理电路，先经过前置放大器初步放大，经高通滤波滤除直流信号及低频基线干扰后，由后级放大器放大，再经滤波器进一步滤除50HZ的工频干扰，经低通滤波器后得到符合要求的心电信号，由模拟信号输入端送入ADC，进行高精度的A/D转换。为了更好的抑制干扰信号和防止导联松动及脱落，我们在电路中还引入了右腿驱动电路和导联脱落检测电路。系统控制核心采用Samsung公司的S3C44BOX,液晶显示屏（LCD）建立良好的人机交互界面，采集到的信号可以通过LCD实时显示和回放，数据通过因特网基于TCP/ IP(传输控制协议、网际协议) 顺序可靠地传输数据到心电监护中心,为医护人员及时准确的诊断提供参考。嵌入式实时操作系统采用现在流行的uClinx,管理协调各模块工作，为系统可靠的运行提供保证。

三、系统硬件模块设计

3．1、信号调理电路

信号调理电路主要包括：放大器、带通滤波器、陷波器等。

图二 心电前置放大电路

人体心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，一般只有0.05-5mV,频谱范围为：0.05-100HZ,心电信号正常输出时其幅值约为1mV,而A/D转换器的输入电平要求到达1V左右，即心电放大倍数约为1000倍，由于肌电干扰可能造成前置放大器静态工作点的偏移，甚至截至饱和，所以前置放大器的增益不能太大。我们选用AD620仪表放大器作为系统前置放大器，它具有低噪声、低漂移、高共模抑制比、高输入阻抗等特点。它的增益通过1脚和8脚的电阻Rg来调节，可达1－100倍，计算公式为：G＝49.4 /Rg+1。我设计初级放大倍数在七级左右，选用精度为0.01％，阻值为8.25 的精密线绕电阻，后级选用TL064将信号放大到A/D转换器的输入电平要求。

图三 心电后级放大及滤波电路

为抑制直流漂移和放大器通带外的低频噪声，设计一个RC高通滤波器；因心电信号的频率在100HZ以下，为消除高频信号和50HZ的工频干扰，还设计了低通滤波和带阻滤波器。

为防止导联松动和脱落，设计导联检测电路，电极脱落时，比较器的输出电平由正常的高电平变为低电平，产生报警信号，提醒患者检查导联。右腿驱动电路，人体共模电压检测出后，经倒相放大反馈到人的右腿上，而没有直接与放大器的地相联，这样人体的位移电流不流到地，而是流到运放的输出端，对AD620减小了共模电压的拾取。

3．2、嵌入式处理器及外围电路

S3C44B0X是Samsung公司为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微处理器解决方案。CPU内核采用ARM公司设计的16/32位ARMTDMI RISC处理器（66HZ），内核工作电压为2.5V，带有8KB的高速缓存，外部存储控制器8个bank,共256MB，8通道10位ADC和支持彩色/黑白显示LCD控制器，具有普通、慢速、空闲和停止功耗控制模式，精简出色的全静态设计适合于低成本和功耗敏感的设计。

3.2.1、A/D转换

对心电信号的采用精度的考虑主要是出自于对ST段异常分析处理的要求，ST段电平变化为0.05mV已经得到公认，因此采样精度至少为0.025mV。根据美国心脏学会AHA标准和Nyquist采样定律，当信号采样频率等于或大于信号最高频率的2倍时，就可以从抽样后的信号中不失真的还原出原信号。ECG频率范围为0.05－100HZ，我们取采样频率为200HZ，即采样周期为5ms.S3C44B0X内部有一个逐次逼近型8路模拟信号输入的10位ADC，输入满刻度电压为2.5V，能分辨出来的输入电压变化的最小值为2.5V/210=2.5mV，心电采集放大倍数约为1000倍，输入端的最小分辨率约为2.5mV/1000=0.0025mV，故完全满足系统采用要求。