摘  要： 設(shè)計(jì)了一種基于EFM32單片機(jī)的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)體征和心電信號(hào)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以EFM32單片機(jī)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理核心，以其外接的A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以CC2500無(wú)線模塊作為傳輸平臺(tái)，利用MATLAB對(duì)PC機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并即時(shí)顯示。具有簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定性好、智能化程度高等特點(diǎn)，能夠全面地評(píng)估和監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)狀態(tài)，有效地預(yù)測(cè)診斷心臟疾?。挥兄诳粘怖夏耆巳粘１O(jiān)測(cè)、室內(nèi)工作者心臟監(jiān)測(cè)和評(píng)估、醫(yī)院對(duì)病人睡眠質(zhì)量和藥物作用監(jiān)測(cè)等。

　　關(guān)鍵詞： 體征信號(hào)；心電信號(hào)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；EFM32單片機(jī)；智能化；無(wú)線傳輸

0引言

　　現(xiàn)今中國(guó)已逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)，而且這種趨勢(shì)在今后幾十年將會(huì)愈加顯著。當(dāng)前如何做好對(duì)老年人的日常監(jiān)護(hù)，已成為一個(gè)全民族所關(guān)注的社會(huì)問(wèn)題。

　　目前，市面上同時(shí)監(jiān)測(cè)體征信號(hào)（BCG）和心電信號(hào)（ECG）的裝置還很少，已有的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的生命體征監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在功率高、系統(tǒng)利用率低、網(wǎng)絡(luò)化管理欠缺等問(wèn)題[1-3]。因此，研制一種體積小、穩(wěn)定性好、功耗低、集成度高并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體內(nèi)器官功能變化的系統(tǒng)尤其必要。本文設(shè)計(jì)了一種基于EFM32單片機(jī)的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)BCG和ECG的裝置，基于上述問(wèn)題，利用人體內(nèi)細(xì)微的變化所產(chǎn)生的作用力來(lái)監(jiān)測(cè)體內(nèi)各器官，尤其是心臟的實(shí)時(shí)變化狀況，以達(dá)到方便數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可靠性好、集成度高的目的；為老年人日常生活監(jiān)護(hù)提供更實(shí)際的保障以及醫(yī)生對(duì)病人呵護(hù)提供更科學(xué)的指導(dǎo)和建議。

　　1 系統(tǒng)方案

　　為了便于體征和心電信號(hào)同步監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　根據(jù)系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的采集到實(shí)時(shí)顯示可分為三部分：信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

　　（1）信號(hào)采集：該部分主要包含傳感器電路和信號(hào)處理電路。傳感器電路是一個(gè)由四個(gè)壓力傳感器組成的全橋電路，它的主要作用是把由心率、呼吸及身體移動(dòng)引起的體動(dòng)信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路中。信號(hào)處理電路由前置放大電路、增益可調(diào)放大電路、低通濾波電路及電池供電電路組成，采集過(guò)程如下：當(dāng)測(cè)試者站在傳感器電路上時(shí)，隨著呼吸、心率的變化，會(huì)產(chǎn)生一種細(xì)微的作用力，這種作用力通過(guò)傳感器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶有直流偏移的交流電壓輸出[5]。傳感器電路采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)差分電路前置放大、50 Hz陷波器、第一級(jí)放大電路、低通濾波器、50 Hz陷波器、增益可調(diào)放大電路送到示波器。在差分電路中，因?yàn)槠涓叻€(wěn)定性、高共模抑制比使得有用的差模信號(hào)得以保留，共模信號(hào)被消除。信號(hào)兩次通過(guò)50 Hz陷波器是為了消除其本身50 Hz信號(hào)的干擾。

　?。?）信號(hào)傳輸：采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)、A/D模塊轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)無(wú)線模塊傳送到PC機(jī)。本系統(tǒng)中，數(shù)字控制單元EFM32單片機(jī)外帶A/D轉(zhuǎn)換芯片，無(wú)線傳輸單元采用CC2500無(wú)線射頻芯片[3]。

　?。?）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：PC機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)處理后，再通過(guò)MATLAB GUI實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 體征和心電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 信號(hào)采集模塊

　　2.1.1 傳感器電路

　　傳感器電路即壓力全橋電路。心跳、呼吸及身體位移引起的體動(dòng)信號(hào)傳送到信號(hào)處理電路中，當(dāng)壓力傳感器受到外力作用時(shí)，傳感器彈性會(huì)發(fā)生形變，從而使得貼在彈性梁部位的應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，在激勵(lì)電壓的作用下，輸出的電信號(hào)也發(fā)生正比例變化。根據(jù)所測(cè)得的電信號(hào)就可以計(jì)算出外界作用力的大小，從而達(dá)到測(cè)力的目的[6]。當(dāng)測(cè)試者進(jìn)行測(cè)試時(shí)，傳感器電路將體內(nèi)各器官，尤其是心臟跳動(dòng)所引起的身體對(duì)支撐物體的作用力轉(zhuǎn)化為帶有直流偏移的交流電壓信號(hào)，在這個(gè)過(guò)程中，體重本身產(chǎn)生直流電壓，體動(dòng)信號(hào)則是由交流電壓對(duì)心臟內(nèi)部的跳動(dòng)造成的對(duì)支撐物的一種作用力。

　　2.1.2 信號(hào)處理模塊

　　信號(hào)處理模塊主要用于將微弱的體動(dòng)信號(hào)放大，其中前置放大電路用于消除共模干擾，保留差模信號(hào)；增益可調(diào)放大電路用于放大差模信號(hào)。

　　具體流程如圖2和圖3所示。

　　2.2 信號(hào)傳輸模塊

　　信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字控制單元、無(wú)線傳輸模塊構(gòu)成的信號(hào)傳輸模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)傳輸模塊的框圖如圖4所示。

　　2.3 PC機(jī)采集與監(jiān)測(cè)

　　系統(tǒng)采用了CC2500無(wú)線收發(fā)模塊，終端節(jié)點(diǎn)（End Device，ED）采集好數(shù)據(jù)后發(fā)送到與PC機(jī)相連的節(jié)點(diǎn)（Access Device，AP），利用EFM32單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理，再通過(guò)串口送到PC機(jī)，MATLAB將讀取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)[7]。PC機(jī)監(jiān)測(cè)模塊的框圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)以EFM32單片機(jī)作為核心模塊，利用其內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換芯片，以CC2500無(wú)線模塊作為無(wú)線收發(fā)芯片，通過(guò)傳感技術(shù)、無(wú)線收發(fā)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了心臟信號(hào)的采集和監(jiān)測(cè)。

　　整個(gè)系統(tǒng)由兩大塊組成，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)和上PC機(jī)程序端。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)（ED）為信號(hào)采集和發(fā)送端，由無(wú)線收發(fā)芯片CC2500和核心模塊EFM32單片機(jī)構(gòu)成。AP（Access Device）為上PC機(jī)程序端，由無(wú)線收發(fā)芯片CC2500和核心模塊EFM32單片機(jī)構(gòu)成。程序設(shè)計(jì)流程：首先，數(shù)據(jù)中心設(shè)備經(jīng)過(guò)AP，EFM32初始化，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，并等待ED終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備的加入；當(dāng)ED端有信號(hào)輸入后，將信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并通過(guò)CC2500無(wú)線模塊發(fā)送到AP端，AP端則通過(guò)串口送到PC機(jī)進(jìn)行顯示[8]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

4 結(jié)果顯示

　　信號(hào)整體測(cè)試：測(cè)試者站在稱(chēng)上，將前置放大器的輸入端接在傳感器的輸出端，用示波器測(cè)試在安靜狀態(tài)下的BCG波形。圖7所示為PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圖像，圖8為體征和心電信號(hào)的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測(cè)圖。在圖8中CH1為BCG波形，CH2為ECG波形，可以看出BCG波形與ECG同步，稍滯后于心電信號(hào)波形。從波形來(lái)看，信號(hào)采集模塊裝置的設(shè)計(jì)是滿足要求的，也是合理的。

5 結(jié)論

　　該同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，已經(jīng)在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行了實(shí)踐，反應(yīng)良好，效果顯著。該系統(tǒng)能夠有效實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)人體各器官活動(dòng)狀態(tài)，為老年人的日常生活、醫(yī)院對(duì)病人的心臟檢查等提供了一定的便捷。若進(jìn)一步對(duì)軟硬件進(jìn)行完善，將可使其成為老年人日常身體常規(guī)監(jiān)測(cè)、醫(yī)院檢測(cè)不可或缺的工具。

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