基于ARM9的无线多床位心电监护仪的设计

1 引言

随着社会生活节奏加快、人口逐渐老龄化，心血管疾病已经成为同前威胁人类生命的丰要疾病之一，此类疾病往往具有突发性、短暂性和危险性的特点，如果不能及时发现并进行治疗将会产生非常严重的后果。心电图是检查．诊断和预防该类疾病的主要手段和依据，对于心肌梗塞、心律失常等症状，心电监护仪的使用贯穿于治疗、康复的整个过程。由于传统的基于PC机平台的心电躲护仪，价格昂贵，体积庞大，不便于移动且主要集中在大医院，给医牛和病人带来了很大的不便。因此，为了降低成本、缩小体积，本文设计了一种基于ARM9微处理器的新型便携式多床位遥测心电盟护仪。该监护仪采用Samsung公司的一款以ARM920T为控制器内核的16／32位高速处理器S3C2410A芯片作为系统控制核心，利用nRF401无线收发芯片发送和接收心电数据，具有功耗低、体积小、可靠性高、操作简单等优点。

2 系统结构

该遥测心电监护仪可同时监护1～12个床位．系统结构框图如图1所示．其中与PC机相连的S3C2410A作为中心躲护端．其功能是传递由PC机发出的命令，与监护各个床位的监护终端进行通信，将各个临护终端所采集到的数据汇总到中心监护端，并通过USB口传递给Pc机。监护一个床位的便携式心电监护终端作为终端节点，功能是采集心电信号，对采集到的数据进行必要的处理，同时当收到中心监护端的命令时，做出回应。


图1 系统结构框图  

3 系统硬件设计

系统硬件设计包括中心监护端的硬件设计和监护一个床位的各个心电监护终端的硬件设计两大部分。中心监护端的硬件设计包括S3C2410A与PC机的连接和nRF401与S3C2410A的连接。由于S3C2410A具有USB设备控制器，因此可通过USB口与PC机相连，并得到5V的T作电压。无线收发芯片nRF401直接与S3C2410A的串口1连接。图2为监护一个床位的心电监护终端硬件电路的结构框图，包括ARM微处理器S3C2410A、心电放大及采集电路、外部扩展的Nand FLash存储器、电源、LCD显示、键盘和nRF401尤线数传模块等。

3．1心电采集电路

心电采集电路包括放大器、低通滤波器、50Hz陷波器等。该电路的放大器由差动放大电路和放大级电路两级放大电路组成。导联系统采用通用的二电极方式，右胸上电极及左腹下电极为心电采样电极．右腹下电极为右腿驱动电极。由于采集的心电信号是筹模信号，采用三运放筹动放大电路作为第一级放大电路，增益约为22，再经第二级放大电路，总增益接近1000。由于心电信号属于低频信号，因此，为消除高频信号，本设计了采用了一阶滤波电路的低通滤波器，截止频率为100Hz。为抑制50Hz的工频干扰，还设计了二阶压控电压源带阻滤波器，即50Hz陷波器。


图2 监护1个床位的硬件电路结构框图

3．2 ARM微处理器模块

S3C2410A是二星公司推出的一款基于ARM920T处理器构架的嵌入式CPUS3C2410，它提供8通道的10位模数转换器，转换器以2．5MHz MD转换时钟将模拟输入信号以最大500ksps转换率转换为lO位二进制数字编码。根据美困心脏学会AHA标准[3]和Nyquist采样定律，当信号采样频率等于或大干信号最高频率的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，中心频率在17Hz左右，故取采样频率取200Hz，即采样周期为5ms即可满足要求。采集到的信号经通道1送入S3C2410A微处理器。经分析处理后在液晶屏上显示心电波形和分析结果。

3．3无线收发模块

无线收发模块采用Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片nRF401，该芯片工作在433MHzISM(Industrial，scientific and Medical)濒段。该频段无需申请许可证。并采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频牢稳定性好，数据传输速率可达20kbDs，传输距离可达1000m，完全满足本设计所需要的通信距离要求。不同于其他的RF单片芯片，nRF401通过单片机串口直接于MCU通信，而无需对数据进行曼彻斯特编码，这使的nRF401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，具有成本低、一致性好等特点。本设计中，nRF401直接与S3C2410A的串口1连接。

3．4存储、显示和键盘模块

为了实现大容量的数据存储，利用S3C2410A自带的Nand Flash控制器扩展了一片16Mx8位的Nand Flash存储器，可存储12小时的心电数据。为了使用户能够对采集到的心电信号有一个直观的印象和进行常识性的观察，利用S3C2410A自带的LCD控制器，设计了LCD显示屏的接口，并选用了一块240x128的LCD显示屏，用于显示所采集的心电信号及一些基本参数。系统还设计了一个4x4的键盘模块，用户可通过键盘实现一些基本功能的切换。