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)測心臟活動(dòng)狀態(tài),有效地預(yù)測診斷心臟疾病;有助于空巢老年人日常監(jiān)測、室內(nèi)工作者心臟監(jiān)測和評(píng)估、醫(yī)院對(duì)病人睡眠質(zhì)量和藥物作用監(jiān)測等。
關(guān)鍵詞: 體征信號(hào);心電信號(hào);實(shí)時(shí)監(jiān)測;EFM32單片機(jī);智能化;無線傳輸
0引言
現(xiàn)今中國已逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì),而且這種趨勢在今后幾十年將會(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)問題。
目前,市面上同時(shí)監(jiān)測體征信號(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BCG和ECG的裝置,基于上述問題,利用人體內(nèi)細(xì)微的變化所產(chǎn)生的作用力來監(jiān)測體內(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、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,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[4]。
?。?)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,采集過程如下:當(dāng)測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)過單片機(jī)、A/D模塊轉(zhuǎn)換后,再經(jīng)無線模塊傳送到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,無線傳輸單元采用CC2500無線射頻芯片[3]。
?。?)實(shí)時(shí)監(jiān)測:PC機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)處理后,再通過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。
2 體征和心電信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(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)到測力的目的[6]。當(dāng)測試者進(jìn)行測試時(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
系統(tǒng)采用了CC2500無線收發(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[7]。PC機(jī)監(jiān)測模塊的框圖如圖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無線模塊作為無線收發(fā)芯片,通過傳感技術(shù)、無線收發(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。
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CC2500無線模塊發(fā)送到AP端,AP端則通過串口送到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)整體測試:測試者站在稱上,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)測圖像,圖8為體征和心電信號(hào)的實(shí)時(shí)同步監(jiān)測圖。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、醫(yī)院檢測不可或缺的工具。
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