本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在硬件上由基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2478,、重復(fù)可擦寫(xiě)低功耗U盤(pán),、點(diǎn)陣LCD顯示器模塊等組成心電動(dòng)態(tài)采集存儲(chǔ)儀;軟件上則使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)mC/OSⅡ作為系統(tǒng)控制平臺(tái),，提高了系統(tǒng)的可靠性,。本系統(tǒng)可連續(xù)記錄受檢者24～48小時(shí)的心電圖變化，檢查期間由受檢者隨身攜帶而不影響其日常生活與工作,，可長(zhǎng)時(shí)間作動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)記錄,，大容量的U盤(pán)和USB2.0協(xié)議的出現(xiàn),，使得數(shù)據(jù)的傳輸越來(lái)越方便和迅捷,，這為便攜式手持移動(dòng)存儲(chǔ)心電圖設(shè)備提供了條件,。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)主要模塊框圖如圖2所示,。由于電極采集到的心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的超低頻(0.5～100Hz)微弱信號(hào)(0.1～5mV),，所以需要前置放大部分將微弱的心電信號(hào)高保真放大,，并通過(guò)低通濾波,、高通濾波及50 Hz陷波濾除干擾，才可以送往LPC2478的A/D 轉(zhuǎn)換器AIN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。
前置放大部分電路由輸入跟隨,、儀用放大器、右腿浮地驅(qū)動(dòng)組成,，輸入跟隨器為提高輸入阻抗,、獲取更多的心電信號(hào)，采用高精度運(yùn)算放大器OPA427,，接收來(lái)自左,、右手的心電信號(hào)經(jīng)調(diào)整后送往儀用放大器,，由高精度儀用放大器進(jìn)行一級(jí)倒相放大后的信號(hào)送到低通濾波器，原始心電信號(hào)中的共模噪聲經(jīng)過(guò)一級(jí)放大后返回人體,，使其相互疊加,，從而可以減小人體共模干擾的絕對(duì)值，提高信噪比,。
低通及高通濾波部分,，由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，為了去掉高頻的干擾,，還須通過(guò)低通濾波,。低通濾波器截止頻率為110Hz，放大器的溫漂,、皮膚電阻的變化,、呼吸和人體運(yùn)動(dòng)都會(huì)造成心電信號(hào)出現(xiàn)所謂的“基線漂移”現(xiàn)象，也即輸出端的心電信號(hào)會(huì)在某條水平線上緩慢地上下移動(dòng),。從頻譜上說(shuō),，這些影響都可以歸結(jié)為一個(gè)低頻噪聲干擾，于是使用高通濾波器濾除這部分干擾,。在主放大器部分,，通過(guò)調(diào)整電位器的阻值 RP1來(lái)設(shè)置整個(gè)心電放大電路的總增益。主放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC225,。50Hz頻率陷波部分主要用來(lái)濾除以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的工頻干擾,。電平提升部分用來(lái)把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)，以便可直接送入AIN0,。
硬件設(shè)計(jì)
硬件平臺(tái)
負(fù)壓產(chǎn)生電路
由于心電圖原始數(shù)據(jù)處理中數(shù)據(jù)放大和濾波電路中OPA4277,、AD620和TLC2254芯片需要用到負(fù)壓，故此在電路中加入負(fù)壓產(chǎn)生電路,，主要應(yīng)用電壓轉(zhuǎn)換芯片MC34063通過(guò)起振產(chǎn)生-12V的負(fù)壓,，之后再進(jìn)行分壓得到芯片要求的-5V電壓。
信號(hào)前置放大電路
前置放大電路的組成和電路圖如圖3所示,。前置放大電路由輸入跟隨器,、儀用放大器和右腿浮地驅(qū)動(dòng)等三部分組成。
(1)輸入跟隨器：提高輸入阻抗,、獲取更多的心電信號(hào),，采用高精度運(yùn)算放大器OPA4277，具有超低失調(diào)電壓l0 V,，超低失調(diào)偏移±0.1V,，偏置電流最大為l nA。
(2)儀用放大器：根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求采用高精度儀用放大器AD620,，輸入失調(diào)最大為50mV,，輸入失調(diào)漂移為0.6mV/攝氏度,，共模抑制比為120dB(G=10)。該放大器增益范圍為1~10000,，其放大增益關(guān)系式為：
G=1+49.4k/Rg
當(dāng)G=10時(shí),，Rg為5.489k，取近似值5.5k,。
(3)右腿浮地驅(qū)動(dòng)：把混雜在原始心電信號(hào)中的共模噪聲提取出來(lái),，經(jīng)過(guò)一級(jí)反相放大后，再返回到人體,，相互疊加,，以減少人體共模干擾的絕對(duì)值，提高信噪比,，主要應(yīng)用高精度運(yùn)算放大器OPA4277,。
高通與低通濾波電路
由于心電信號(hào)屬于低頻信號(hào)，為了去掉高頻干擾,，還須通過(guò)低通濾波,。低通濾波器采用歸一化設(shè)計(jì)的四階低通濾波，截止頻率為100 Hz,，在頻率轉(zhuǎn)折處有足夠的陡度,，避免高頻信號(hào)的干擾?？紤]到元件的誤差,，設(shè)定截止頻率為110Hz。低通和高通濾波電路如圖4所示,，放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC2254,。每通道供電電流為35mA。
主放,、50Hz工頻陷波和電平提升
主放電路圖通過(guò)調(diào)整電位器的阻值PI來(lái)設(shè)置整個(gè)心電放大電路的總增益,。主放大器采用低功耗低噪聲的運(yùn)算放大器TLC2254。雖然前置放大電路對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用,，但部分干擾是以差模信號(hào)方式進(jìn)入電路的,，且頻率處于心電信號(hào)的頻帶之內(nèi)，加上其他各種不穩(wěn)定因素,，經(jīng)放大,、低通濾波,、高通濾波和主放后,，輸出仍存在干擾，必須專(zhuān)門(mén)濾除,。
經(jīng)過(guò)陷波器后的心電信號(hào)為雙極性,，系統(tǒng)中的MD芯片只能量化單極性信號(hào),，所以，通過(guò)TLC2254把雙極性信號(hào)轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào),。
LCD 模塊
此系統(tǒng)采用MGLS12864 LCD模塊,，由于該液晶顯示器沒(méi)有內(nèi)部字符發(fā)生器，所以在屏幕上顯示的任何字符,、漢字均須事先建立點(diǎn)陣字模庫(kù),，然后按圖形方式進(jìn)行顯示。MGLS12864 模塊與LPC2478 連接,，D0～D7 為數(shù)據(jù)/命令雙向總線,，CS 為片選信號(hào)，RES 為復(fù)位信號(hào),，D/I 為數(shù)據(jù)/命令選擇信號(hào),，R/W 為讀寫(xiě)命令信號(hào)，CE為控制允許信號(hào),。
軟件設(shè)計(jì)
操作系統(tǒng)
本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)顯示及網(wǎng)絡(luò)傳輸需要很高的實(shí)時(shí)性，一個(gè)可靠的RTOS是系統(tǒng)穩(wěn)定有效運(yùn)作的保證,，所以我們將在LPC2478上移植mC/OS II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，用以滿足系統(tǒng)對(duì)多線程、硬實(shí)時(shí)的嚴(yán)格要求,。
mC/OS II是一個(gè)成熟穩(wěn)定的占先式實(shí)時(shí)內(nèi)核,，基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度，支持56個(gè)用戶任務(wù),，提供信號(hào)量,、郵箱、消息隊(duì)列等任務(wù)通信機(jī)制,，能夠極大提高CPU的利用效率,。由于基于優(yōu)先級(jí)來(lái)執(zhí)行任務(wù)，如果其中一個(gè)任務(wù)跑飛,，其它高優(yōu)先級(jí)則可以通過(guò)運(yùn)行系統(tǒng)的監(jiān)視程序?qū)ζ溥M(jìn)行修復(fù),，因此在高安全性場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用。且mC/OS II源碼開(kāi)放,，移植簡(jiǎn)單,，在基于ARM的32位微處理器中有大量成功的案例。在mC/OS II中,，每個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的,，處于5種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài),、掛起態(tài)和中斷態(tài),。
2.A/D轉(zhuǎn)換及轉(zhuǎn)存USB模塊：
由前端心電信號(hào)放大模塊放大后的心電信號(hào)直接送給LPC2478芯片的P0.23引腳進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)為無(wú)符號(hào)32位數(shù)據(jù)格式,，將其放入緩存數(shù)組中送給USB進(jìn)行存儲(chǔ),，并留待給LCD顯示輸出，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：
首先,，需創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)“GcWritFileData[DATA_N]”及“GcReadFileData[DATA_N]”做為“寫(xiě)文件緩沖區(qū)”及“讀文件緩沖區(qū)”,，初始化mC/OS II操作系統(tǒng)，創(chuàng)建用于處理A/D轉(zhuǎn)換的任務(wù)Task0及用于LCD顯示的任務(wù)Task1,，啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境,，在Task0中首先進(jìn)行硬件平臺(tái)的初始化，設(shè)置P0.23為AIN0[0]功能,，作為A/D轉(zhuǎn)換的輸入引腳,，進(jìn)行ADC模塊設(shè)置，設(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘等,，采用直接啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換,，進(jìn)行轉(zhuǎn)換的參考電壓為精密恒壓源提供的2.5V電壓，最后轉(zhuǎn)換結(jié)果保存至“寫(xiě)文件緩沖區(qū)”,。接著初始化USB HOST,，并創(chuàng)建文件系統(tǒng)任務(wù)“OSFileTask”，用“OSFileOpen”函數(shù)創(chuàng)建并打開(kāi)一個(gè)命名為“ECD.dat”的文件,，通過(guò)“OSFileWrite”函數(shù)將“GcWritFileData” 寫(xiě)文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到U盤(pán)中,，并通過(guò)其返回值判斷寫(xiě)文件是否成功，完成寫(xiě)文件后再使用“OSFileRead”函數(shù)將“GcWritFileData” 寫(xiě)文件緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)到“GcReadFileData” 讀文件緩沖區(qū),，再通過(guò)寫(xiě),、讀文件緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的比較來(lái)確定寫(xiě)入文件數(shù)據(jù)是否正確，至此,，完成從A/D轉(zhuǎn)換接收數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)存至USB的過(guò)程,。程序流程圖如圖5所示。
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