毕业设计论文-无线心电监控仪的设计

毕业设计论文-无线心电监控仪的设计内容摘要：

产生电极极化现象。 当两电极保持对称时，极化电压可相抵消。 但极化电压与电极材料、电极膏、皮肤状态、病人情绪、温度、极化电流及电极与皮肤的接触情况等因数有关，不可避免产生干扰，特别是在电极与皮肤接触不良以致脱落的情况下更为严重。 此外，电极在皮肤表面的移动也会引起电位差的变化。 武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 7 (4)肌电干扰 兴奋和收缩是肌肉的最基本功能，在神经系统的控制下，肌肉机械性活动并伴随有生物 电 活 动。 这 些 生 物 电 活 动 产 生 的 电 位 差 随 时 间 变 化 的 曲 线 即 为 肌 电 图[6](Electromygraphy,EMG)肌电通常是一种快速的电变化，其振幅为 20uV～ 50uV，其频率范围为 20～ 50000Hz。 经专家研究表明，肌电干扰主要集中在 35Hz，且存在较大的个体差异。 (5)测量仪器自身的干扰 信号处理所采用的电子设备本身也会产生仪器噪声。 这类干扰一般具有较高的频率特性，可以通过低通滤波加以滤除。 武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 8 第三章 系统总体方案设计 系统设计指标 供电： 锂电池，可充电、连续 供电 24 小时以上； 数据存储： SD 卡，体积小、功耗低、 拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性 ； 数据显示： TFT 彩色 LCD，可显示彩色数据； 报警方式： GPRS 无线传输电路，信息可远距离传输。 系统总体结构设计 无线心电监测系统具有明显的现代化医疗仪器的特点和家用仪器的特征，除了具有科学性、先进性之外，最重要的是工作可靠、操作简单，在体积、重量、价格、维护、安全等方面能满足家庭和社区医疗的需要。 无线心电监测系统作为家庭使用电子仪器，要能由非专业人士操作，作为医生对病人诊 断、治疗、观察监护的辅助性设备，需和医院、医生保持良好的通信联系。 因此归纳起来对本系统的主要要求如下： (1)不引起创伤，无专业性很强的测试条件要求； (2)自动化、智能化程度高，操作简单、安全、可靠，容错能力强，操作事务不产生严重后果； (3)轻便、小型，便于存放；具有通信、联网功能。 根据以上条件，系统整体结构框图设计如图 31 所示。 图 31 系统整体结构框图 无线心电监测系统主要由心电检测电路、心电数据的存储电路、心电数据的无线发送MSP430处理器 显示电路 存储器电路 心电检测电路 心电信号 PC 机 无线接收 模块 无线发送模块 数据回放 报警电路 武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 9 电路、数据显 示、数据回放和电源管理等电路构成。 无线心电监测系统的工作原理是：由探测电极感应的人体微弱的心电信号首先送入心电检测电路即前端放大、滤波电路，经前端预处理后直接送人信号的采集处理电路进行 AD 转换。 转换后的心电数据一方面送入外部扩展存储器中进行存储、一方面送入微处理器进行实时处理、还有一部分用来进行显示。 处理后的心电数据通过串口送入无线发送模块中，借助 GPRS 移动通信网络将心电数据上传到医院监测中心。 医院监测中心对收到的心电数据进行实时处理和分析、并在显示设备上进行心电特征参数和波形的显示，医生根据显示结果对病 情进行分析和诊断．诊断结果一方面存储在医院监护中心中，一方面通过 GPRS 网络及时反馈给病人，使病人能够及时了解自己的病情和决定是否采取进一步治疗的措施。 基于无线通信的无线心电监测系统的方案比较 采用无线实时监测心电信号的监测仪，利用无线通信技术与监测中心进行数据通讯。 由于无线传输无需线缆介质，使用者可以不受时间、地点的限制，随时随地得到监测中心的监测。 目前，市场上运用蓝牙、 GSM、 GPRS(无线分组业务 )、 CDMA等无线移动通信技术实现的无线心电监测系统应用非常广泛，但由于受到传输距离、无线传输频 率等制约，仍未能形成完善可靠的远程在线实时监测产品。 将无线通信技术与 Inter网技术相结合成为近年来心电远程监测系统研究的又一热点，这两种技术的结合，可以弥补单纯依靠Inter网时造成监测环境相对固定的不足，同时，也可弥补单纯依靠无线技术时只能将受测者的数据在移动监测终端之间传递从而造成传输成本高、数据处理分析手段单一等不足[7]。 主要有以下几种形式：基于蓝牙技术的心电监测系统、基于 GPRS技术的心电监测系统、基于 CDMA技术的心电监测系统。 基于蓝牙技术的心电监测系统 蓝牙作为一种 短程无线通信技术，由于体积小、功耗低等特点，已成为无线嵌入式医疗设备所考虑采用的基本无线通信技术之一。 蓝牙设备能够支持点对点、点对多点的通信，支持的接口一般包括 UART、 USB和 PC卡等，而 USB支持在同一个物理通道上处理多个逻辑通道，因此控制、数据和语音通道不再需要额外的物理接口，从而使得蓝牙心电无线监测能够实现数据和语音的实时传输。 基于蓝牙技术的监测系统是将家庭心电监测系统通过蓝牙模块与中心工作站进行无线通讯而组成的监测网络。 蓝牙模块通常是由两个芯片构成一个芯片组，一块是射频芯片，另一个是基带控制芯片， 再加上外加的 Flash、天线和电源芯片就可以构成一个蓝牙模块。 心电信号经过 A/D转换后经蓝牙射频发送给固定接入端，武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 10 再将接收到的心电数据转换成 IP数据包，并送到 Inter网。 基于 GPRS技术的心电监测系统 GPRS是在现有 GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为 GSM用户提供分组形式的数据业务。 GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁少量的数据传输，也适用于 偶尔的大数据量传输。 GPRS可以发挥永远在线、快速登陆、按流量计费等优势，无线心电监测系统无须使用信号电缆，因而简化了结构，降低了成本，具有一定的市场潜力。 基于 CDMA的心电监测系统 CDMA是基于码分多址技术的数字移动电话系统，它是在数字扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术，与使用时分多路的 GSM技术不同， CDMA并不给每一个通话者分配一个确定的频率，而是让每一个通信者都使用全部的频率，使大量用户能够共享同一个无线频率。 CDMA系统为每个用户分配各自特定的地址码，彼此之间是相互独立、 互相不影响的，由于有不同的地址码来区分用户，所以对频率、时间和空间没有特定的限制，利用公共信道来传输信息。 CDMA的优点在于：系统容量大、建网成本低、配置灵活、频率规划简单、保密性好、发射功耗小、无线辐射能量低。 CDMA1X标准是 CDMA2020的第一阶段，可支持 308kbit/s的数据传输，网络部分引入分组交换，支持移动业务，具有较快传输速率，适合应用于远程实时心电监测。 目前市场上的 CDMA模块有很多，如 MG801A收发模块， Bellwave公司的 BCM860无线通信模块， WAVECOM Q2358C模 块等。 结合系统的设计指标，心电数据的无线传输模块选用 BENQ公司的无线三频带模块M22。 该模块集成有基带处理器、 FLASH闪存、 RF接口、普通 I／ 0口、通用异步收发器、SIM卡接口、电池及 LED接口。 M22支持 GSM语音、数据、传真、短消息及 GPRS数据传输业务等，数据传输速率高达 115． 2kbit／ s。 M22模块内嵌有 TCP， IP协议，能够自动识别波特率。 BENQ支持 AT命令，主控处理器通过使用 AT命令直接控制 M22模块进行 GPRS数据无线传输。 无线心电实时监测系统利用 GPRS网络建立在移动用户和数据网 络之间的一种连接，实现心电数据的无线远程传输。 在该监测系统中．采集处理模块与 GPRS模块间是通过串行口进行通讯的，通讯协议是 AT指令集； GPRS模块与 GSM／ GPRS移动通讯网络的 SGSN通讯时遵循点对点协议 (PPP)；心电数据经采集处理模块送入 GPRS模块，再经 GPRS无线网接入 Intemet网，实现无线心电监测系统与远程监测中心的数据传输。 武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 11 第四章 硬件设计 微处理器硬件结构 此设计中使用到的微处理器是 MSP430，下面对其进行相关介绍。 MSP430 单片机简介 MSP430 系列单片 机是美国 德州仪器 （ TI） 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗、具有 精简指令集 （ RISC）的混合信号处理器（ Mixed Signal Processor）。 称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的 模拟电路 、 数字电路 模块和 微处理器 集成在一个芯片上，以提供 “单片 ”解决方案。 该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。 MSP430 单片机的特点 1） 处理能力强 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（ RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以 及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。 这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 2） 运算速度快 MSP430 系列单片机能在 25MHz 晶体的驱动下，实现 40ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现 数字信号处理 的某些算法（如 FFT 等）。 3） 超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 电压。 因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有。 其次，独特的时钟系统设计。 在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（ FLL 和 FLL+）时钟系统和 DCO 数字振荡器时钟系统。 可以只使用一个晶体振荡器（ 32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。 由系统时钟系统产武汉工程大学毕业设计 (论文 )说明书 12 生 CPU 和各功能所需的时钟。 并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中共有一种活动模式（ AM）和五种低功耗模式（ LPM0~LPM4）。 在实 时时钟模式下，可达 ，在 RAM 保持模式下，最低可达。 4） 片内资源丰富 MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。 它们分别是 看门狗（ WDT）、 模拟比较器 A、定时器 A0（ Timer_A0）、定时器 A1（ Timer_A1）、定时器B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、 硬件乘法器 、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC、16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定时器（ Basic Timer）、 实时时钟 （ RTC）和USB 控制器等若干外围模块的不同组合。 其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕获 /比较功能，大量的捕获 /比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口， P0、 P P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 10/12 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件 I2C 串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加 数据传输速度 ，而采用的 DMA 模块。 MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的 单片解决方案提供了极大的方便。 另外， MSP430 系列单片机的 中断 源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需 5μs。 心电检测电路 心电检测电路包括对采集到的心电信号进行初步放大、滤波、电平抬升等处理。 心电检测 电路的总体设计方案 通过前面的分析得出心电信号是一种典型的人体生理信号，具有生物电信号的普遍特征，如幅 度小、频率低并且易受外界环境干扰，这为采集。