基于51单片机的无线心电监护系统设计

3 系统软件设计
3．1 数据采集盒程序设计
数据采集盒中以C8051F320单片机为核心，该器件是完全集成的混合信号片上系统MCU，具有以下特性：(1)高速、流水结构的8051兼容的微控制器内核(可达25 MI/s)；(2)全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；(3)通用串行总线(USB)功能控制器，有8个灵活的端点管道、集成收发器以及1 KB FIFO RAM；(4)真正10位200 ks／s的17通道单端／差分A／D转换器，带模拟多路器；(5)硬件实现的SMBus／I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口。
采集参数分析与确定：(1)心电能量主要分布在0．05～100 Hz之间，根据采样定理可知A／D转换器的采样频率应大于200 Hz。综合考虑A／D转换器采样速度高和低功耗，将其采样率设置为2000Hz；(2)由于A／D转换器每次采样时问并不相等，所以采用TIME2定时器触发每个采样周期；(3)为提高传输速度和数据传输效率以及达到低功耗的要求，将NRF24L01设置为数据块传输模式，每采样32个点发起一次无线数据传输；(4)C8051 F320中的SPI口设置为4线主方式，NRF24L01的SPI为从方式。这样不仅满足实时采样要求，还充分利用硬件资源和能源。图4为数据采集盒软件流程。

3．2 PC监护终端软件设计
3．2．1 C8051F320固件程序
单片机与NRF24L01间通过SPI接口交换数据，USB设置为块状传输模式与PC机进行数据通信。为和数据采集盒相兼容，仍将每32个数据打成一个数据包，也可充分利用硬件资源并提高数据传输效率。其流程图与数据采集盒类似。

3．2．2 PC机软件设计
PC机软件采用VC++6．0编写。VC++6．0中集成MFC开发环境，该环境提供丰富的接口函数同时透明化程度较高，界面编写灵活且方便，同时大部分硬件开发商都提供标准的C++接口函数供客户使用，DLL也是VC++的便捷之处，它是基于Windows程序设计的一种装置。其中USB通信接口的控制部分通过调用SIXUSB．DLL动态连接库实现；显示部分调用：MFC提供的库函数如Lineto()、Moveto()等，数据存储采用数据流的方式存储；调用SetTimer(1，0,NULL)每1 ms产生1次时钟中断消息，便于及时更新数据显示。由于USB模式设置为块状数据传输模式，所以PC机读取速度要大于数据采集盒采集速度才能保证数据包不丢失，故每次预读128字节，然后判断真实读到的数据量，将其放到数据存放地址以供显示。具体流程如图5所示。

4 联机调试及数据记录
4．1 数据采集盒的调试
在心电信号输入端加10 mV、70 Hz的正弦波信号，将程控放大部分增益设置为1，观察A／D转换器输入端波形，调节手动放大器上的可调电阻，使整个电路的增益为200倍，这样在A／D转换器处信号幅值应为1 V；将示波器设置为直流模式，调整抬高电平电路至信号的中心线位于1．5 V左右。这样整个数据采集盒调试完毕，打开PC机端软件，将程控放大增益设为1，在显示屏上应能看到正弦波信号。
4．2 数据记录
一次性心电电极同定位置：在左右肋骨下靠近胳膊处分别贴一个，在腹部右侧贴一个。将 HOLTER导联线连接到电极上，并将另一端插到数据采集盒上，打开电源后，测试者便可做一些基本活动。此时打开PC机端HeartECG软件，先手动选择程控放大倍数，使心电信号处于屏幕中央，也可以选择自动模式，这样软件会根据算法自动调节放大倍数便于心电信号的观测。实测数据如图6所示，其中图左是放大500倍波形，图右是放大1 000倍波形。

5 结束语
实验结果表明该系统具有较强的抑制基线漂移能力、低功耗、操作简单和支持多个病人同时监护等特点。在空旷环境下，测试者可在50 m范围内活动，室内可穿过1面水泥墙。因全部采用SMT封装，数据采集盒尺寸仅为5 cm×6 cm，佩戴方便，是一款廉价实用的无线心电监护系统。