基于S3C2410设计三导联远程心电监护

　　1 引 言
　　随着人们生活水平的提高、生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上升，已成为威胁人类身体健康的主要因素之一。而心电图则是治疗此类疾病的主要依据，具有诊断可靠，方法简便，对病人无损害的优点，在现代医学中，变得越来越重要。常规心电图是病人在静卧情况下由心电图仪记录的心电活动，历时仅为几s～1 m，只能获取少量有关心脏状态的信息，所以在有限时间内即使发生心率失常，被发现的概率也是很低的。因此有必要通过相应的监护装置对患者进行长时间的实时监护，记录患者的心电数据。又由于心脏病的发生具有突发性的特点，患者不可能长时间地静卧在医院，但又需实时得到医护人员的监护，所以研发相应的便携式无线心电监护产品就显得更加重要。
　　目前虽说国内已有成型的无线心电监护产品，但其采用的方案大都是“采集器+发送器(PDA或手机)”，这必然导致其价格昂贵，且PDA或手机的其他功能对于绝大部分患者完全没有必要，所以到目前为止国内实用的无线心电监护产品领域还是空白。本文所述的远程心电监护系统是在医院的提案基础之上，进行充分调研之后设计的总体方案，主要实现如下功能：
　　三导联心电信号采集;
　　无线传输紧急情况下40 s的心电数据及诊断结果;
　　24小时心电图连续记录;
　　通过高速USB上传心电数据至PC机;
　　紧急呼叫。
　　2 系统总体设计
　　作为便携式手持远程移动终端，在设计时应充分考虑其体积小，功耗低，存储容量大和处理速度高的要求，因此在CPU的选择上十分慎重。经过资料收集和反复比较，最终选择了Samsung公司推出的基于ARM920T内核的S3C2410处理器，该处理器资料丰富，性价比高。
　　采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：
　　体积小，功耗低，成本低，性能高;
　　支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集;
　　大量使用寄存器，使指令执行速度更快;
　　寻址方式灵活简单，执行效率高;
　　指令长度固定。
　　可以看出基于ARM的嵌入式处理器是便携式手持终端的最佳选择，所以在设计系统方案时首先定位在该系列处理器上。S3C2410处理器基于ARM920T处理器核，采用0.18 μm制造工艺的32位微控制器，采用五级流水线和哈佛结构，最高运行频率为203 MHz。该处理器具有：独立的16 KB指令Cache和16KB数据Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND闪存控制器、3路UART、4路带PWM的Timer、丰富的I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、IICBUS接口，以及2个USB主机和1个USB设备等丰富的外围设备。
　　S3C2410提供了一套较完整的通用外围设备，且使整个系统的功耗最低，从而免去了添加、配置附加外围接口的麻烦，有效地缩小了线路板的面积，这也正是本系统选择该处理器的重要原因。
　　系统的整体结构如图1所示，以S3C2410为核心，外扩了8 MB的NOR FLASH、64 MB的NAND FLASH以及16 MB的SDRAM等存储芯片，通过GPIO口扩展了键盘、LCD和蜂鸣器等人机接口单元，对外提供USB和UART等通信接口，同时连接了Siemens公司的MC35模块，以实现无线传输和紧急呼叫功能。从系统的总体功能结构来看，可将系统划分为5个模块：电源模块、心电数据采集模块、数据无线传输模块、图形用户界面模块、数据存储管理模块。
　　


　　图1 系统总体结构
　　2.1 电源模块原文位置
　　系统采用单节1700 mAh锂离子可充电电池供电，但随着电量的释放，电压也在不断降低，变化范围为4.2~2.75 V。而本系统中分别需要一个4.3 V的MC35工作电压、一个3.3 V的I/O电压、一个1.8 V的CPU核电压和一个1.8 V的CPU职守电压。为了满足系统的要求，电源电路中必须同时具备升压稳压器和低压差线性稳压器。为了解决该问题系统采用1个开关型升压DCDC稳压器、1个3.3 V极低压差线性稳压器和2个带有Shutdown引脚的1.8 V低压差线性稳压器来组成供电系统，供电方案如图2所示。
　　


　　图2 电源模块方案
                               
                　　2.2 心电数据采集原文位置
　　由于心电图信号的检测是属于强噪声背景下的超低频(0.5～100 Hz)微弱(0.1～5 mV)信号检测，具有微弱性、稳定性、低频特性和随机性等特点，故要求前置级应满足高输入阻抗、高共模抑制比(CMRR)、低噪声、低漂移和高安全性。微弱的心电信号受到来自人体内外的多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中，为了使其特征突出，就有必要对其进行预处理。系统采用的心电信号采集原理如图3所示。其中前置级采用差动放大电路，其放大倍数为22.4倍;后级放大电路的放大倍数为37倍，则总放大倍数为828.8倍。
　　


　　图3 心电信号采集原理
　　由于心电信号为低频信号，因此在模拟电路上，设计截止频率为100 Hz的一阶低通滤波器来滤除高频干扰，采用二阶VCVS带阻滤波器来滤除50 Hz工频干扰。在数字处理上，为了抑制对心电信号影响较大的工频干扰和基线漂移，采用2 048点FFT对输入的一帧心电数据进行时域—频域的变换，然后去除0.5 Hz以下的低频和50 Hz的工频;同时为了抑制高频噪声和50 Hz倍频造成的干扰，又滤除了100 Hz以上的频率，然后再进行IFFT将此组数据变换回时域。