基于單片機(jī)的心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

1、巫錫鴻：基于PC機(jī)的心電監(jiān)控設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)（工科及部分理科專業(yè)使用）題 目： 基于PC機(jī)的心電監(jiān)控設(shè)計(jì) 系 別： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 09電子科學(xué)與技術(shù) 學(xué) 號(hào)： 20090661116 姓 名： 巫錫鴻 指導(dǎo)教師： 賴森財(cái) 職稱：高級(jí)工程師 系分管主任： 目錄題 目： 基于PC機(jī)的心電監(jiān)控設(shè)計(jì)1目錄2基于PC機(jī)的心電監(jiān)控設(shè)計(jì)3第一章 緒論11.1 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)的意義11.2歷史背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3具體要解決的關(guān)鍵問(wèn)題2第二章 心電信號(hào)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體構(gòu)架22.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)22.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)3第三章 硬件和軟件部分設(shè)計(jì)43.1心電信號(hào)處理放大模塊設(shè)計(jì)43.1

2、.1放大電路的要求43.1.2前端信號(hào)采集的設(shè)計(jì)43.1.3 前置放大部分53.1.4信號(hào)濾波處理63.1.5 后級(jí)放大部分及電平抬升83.2 A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)93.3無(wú)線發(fā)送與接收以及PC接收信號(hào)103.3.1 無(wú)線傳輸模塊103.3.2 射頻模塊的簡(jiǎn)介11第四章 心電信號(hào)的顯示14第五章 硬件測(cè)試和軟件的調(diào)試155.1 硬件測(cè)試155.2軟件調(diào)試15第六章 全文總結(jié)17參考文獻(xiàn)18致謝18摘要19承諾書(shū)和授權(quán)書(shū)20附錄211基于PC機(jī)的心電監(jiān)控設(shè)計(jì) 巫錫鴻三明學(xué)院 2009級(jí) 電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 福建三明 365401摘要 本設(shè)計(jì)是集信號(hào)采集、信號(hào)處理、傳輸和顯示于一體的。采集部分用心電5

3、導(dǎo)聯(lián)的方式來(lái)采集心電信號(hào)。信號(hào)處理部分，根據(jù)大多數(shù)的ECG的設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用信號(hào)放大、濾波、抗干擾等一系列的處理電路來(lái)處理信號(hào)。傳輸部分選用51系列的單片機(jī)作為主MCU來(lái)控制A/D轉(zhuǎn)換和無(wú)線傳輸。再將A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)運(yùn)用無(wú)線傳輸給PC機(jī)。最后運(yùn)用matlab軟件編輯程序及窗口界面顯示出心電信號(hào)的圖形。文中對(duì)每個(gè)電路的設(shè)計(jì)都有詳細(xì)的依據(jù)，能夠讓人理解起來(lái)簡(jiǎn)明易懂。關(guān)鍵字 心電 信號(hào)放大 濾波 ADC器件 無(wú)線 matlab巫錫鴻：基于PC機(jī)的心電監(jiān)控設(shè)計(jì)第一章 緒論1.1 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)的意義時(shí)代的發(fā)展帶來(lái)了人們生活水平的提高，同時(shí)導(dǎo)致心血管類疾病的病發(fā)數(shù)量的增加。根據(jù)從約1 / 3的心臟病死亡人

4、口統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)心血管病死亡人數(shù)約為44%。可見(jiàn)醫(yī)療保健的重要地位。它具有隱蔽性的特點(diǎn)，疾病和高風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展緩慢。在科技發(fā)達(dá)的今天，心電監(jiān)測(cè)市場(chǎng)的主流設(shè)備：實(shí)時(shí)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，心電圖和血壓，心電圖，但問(wèn)題是最大限度地應(yīng)用和推廣的范圍。由于很難發(fā)現(xiàn)一些突發(fā)的心電異常波形，實(shí)時(shí)心電監(jiān)控是必須的。病患需要長(zhǎng)期、連續(xù)的觀察心電參數(shù)，來(lái)捕捉那些短暫的突發(fā)異常，而往往這些異常都是問(wèn)題的關(guān)鍵。11基于上述問(wèn)題，一種便攜的、可移動(dòng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的問(wèn)世，已經(jīng)成為當(dāng)前醫(yī)療市場(chǎng)發(fā)展的一種需求。1.2歷史背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在上世紀(jì)三四十年代，美國(guó)的理學(xué)博士Norman J.Ho1ter成功研制出了遙測(cè)心電圖裝置。 一種

5、集收發(fā)于一體的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)于60年代問(wèn)世，這成為檢測(cè)心律失常、心肌缺血的一種 有效的診斷方法。這一系統(tǒng)成為家庭心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，推動(dòng)了心臟病的早期診斷和治療。9基于Internet的遠(yuǎn)程心電監(jiān)控：在病人的家庭心電信號(hào)的采集，然后采集信號(hào)傳輸?shù)结t(yī)療中心通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑\斷。因特網(wǎng)有PSTN、以太網(wǎng)、ISDN、MODEM撥號(hào)等不同的接入方式，也就有不同的設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用這個(gè)技術(shù)把病房和家庭連接起來(lái)，數(shù)據(jù)互通，使醫(yī)務(wù)人員能夠及時(shí)分析數(shù)據(jù)而做出診斷和及時(shí)治療。無(wú)線心電監(jiān)控：即數(shù)據(jù)通訊是用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有體積小、可實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)y帶方便等特點(diǎn)。有GSM，GPRS，藍(lán)

6、牙和其他無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)等。大多是利用無(wú)線射頻收發(fā)芯片來(lái)進(jìn)行心電無(wú)線遙測(cè)的。例如一種心電無(wú)線遙測(cè)是由射頻無(wú)線收發(fā)模和單片機(jī)為核心組成的；利用ADuC8121主控芯片和nRF401無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)的無(wú)線心電信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)等。收發(fā)間距問(wèn)題認(rèn)為，一般的設(shè)定范圍是10米 100米，它是適用于數(shù)據(jù)傳輸范圍小，具有組網(wǎng)靈活，沒(méi)有電纜，傳輸?shù)穆曇簟?.3具體要解決的關(guān)鍵問(wèn)題硬件的設(shè)計(jì)利用目前較先進(jìn)的芯片，制造、設(shè)計(jì)出一種體積小、用電省、便于攜帶、放大性能好、干擾小、信號(hào)真實(shí)、數(shù)據(jù)丟失少、成本低廉的用戶端。心電信號(hào)的傳輸處理心電信號(hào)到相應(yīng)的狀態(tài)，掌握心電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換的條件。選擇較適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)傳輸方式，同時(shí)要保證

7、傳輸時(shí)信號(hào)的真實(shí)性。PC機(jī)上的顯示界面設(shè)計(jì)能夠正確的顯示出采集到的心電信號(hào)。要求界面友好、簡(jiǎn)單易懂，用戶一眼便能夠明了其用法和操作方式。第二章 心電信號(hào)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體構(gòu)架2.1 心電信號(hào)的特點(diǎn)心電信號(hào)是心臟的周期性的電活動(dòng)。在每個(gè)周期中，皮表產(chǎn)生電位變化急劇，在不同的部位形成一次有規(guī)律的電位變化。心電圖就是把不同時(shí)期的電信號(hào)采集并經(jīng)過(guò)放大、濾波等處理后，實(shí)時(shí)顯示而來(lái)的。心電信號(hào)具有的特點(diǎn)如下：（1） 心電信號(hào)是微弱信號(hào)，幅度小到毫伏級(jí)別，一般大小范圍為0.055mv。只有將其放大1000倍以上才能很好的顯示出來(lái)。由于信噪比低，心電信號(hào)的放大將是一個(gè)難題。（2） 人體的表面皮膚的阻抗約為

8、100K歐姆，即信號(hào)源阻抗大，由人體表面采集心電信號(hào)時(shí)，要使信號(hào)放大后失真小、誤差小到忽略不計(jì)，則放大器的輸入阻抗必須很高。（3） 人體周圍存在極大的電磁干擾。這些干擾信號(hào)都比心電信號(hào)強(qiáng)，采集時(shí)候容易遮蓋了想要的信號(hào)。因此，在信號(hào)主放大電路前，要把這些干擾濾除，才能保證采集到理想的心電信號(hào)。（4） 人體電信號(hào)頻率主要集中在0.05100Hz。根據(jù)美國(guó)美國(guó)心電圖信號(hào)能量的確定標(biāo)準(zhǔn)，最集中的是在0.05 40Hz。大概90%的ECG頻譜選在0.2535Hz之間。故在采集信號(hào)時(shí)候要選擇好正確的信號(hào)頻率段。2.2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要分為信號(hào)采集、信號(hào)處理、遠(yuǎn)程通信、軟件顯示四部分。采集心電信號(hào)部

9、分采用5導(dǎo)聯(lián)的方式，把5個(gè)電極片貼到相應(yīng)的位置上，來(lái)采集表皮的電信號(hào)。采集信號(hào)通過(guò)前置放大電路，然后就是高通濾波器、低通濾波器和50Hz陷波電路濾除干擾信號(hào)。再利用二級(jí)放大電路把濾波后的信號(hào)放大，保證心電信號(hào)能夠放大到足夠大。用A/D轉(zhuǎn)換把放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)采用nRF905無(wú)線模塊傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)，并利用軟件數(shù)據(jù)顯示心電圖。框圖如下所示。 圖 1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性： 對(duì)象的集合，除了心電圖，腦電圖，還可以有脈沖，溫度，血壓，呼吸，血氧飽和度等。越多的采集信號(hào),越能全面反映患者的生理狀況，診斷治療的效果就越好。因此本設(shè)計(jì)可以增加些

10、功能，如心電信號(hào)記錄、分析以及報(bào)警功能等。第三章 硬件和軟件部分設(shè)計(jì)3.1心電信號(hào)處理放大模塊設(shè)計(jì)3.1.1放大電路的要求根據(jù)心電的特點(diǎn)，為了采集到理想的心電信號(hào)，放大電路必須具有以下基本要求。（1） 介于心電信號(hào)幅度在毫伏級(jí)且最高不高于5mV，所以要能夠AD轉(zhuǎn)換，必須對(duì)其放大，且放大器的總倍數(shù)應(yīng)該在1000倍以上。故要保證電路有高增益。增益既是放大器的放大倍數(shù)。（2） 因?yàn)樾碾娦盘?hào)源具有很強(qiáng)的阻抗，一般在100K以上。使放大器的總輸入阻抗大于1M，才能忽略不計(jì)信號(hào)源內(nèi)阻上的電壓降。這樣在信號(hào)源內(nèi)阻上消耗的功率就可以忽略。所以設(shè)計(jì)的電路要具有很高輸入阻抗。（3） 因?yàn)樾碾娦盘?hào)都是差模信號(hào)，而大

11、部分的干擾信號(hào)都是共模信號(hào)，為了抑制人體所帶的各種干擾，放大器必須選用高共模抑制比的。一般選用為80100的放大器，也就是高共模抑制比。（4） 低輸入失調(diào)電壓。（5） 低輸入失調(diào)電流。（6） 低溫漂。3.1.2前端信號(hào)采集的設(shè)計(jì)心電是由心臟內(nèi)部的電勢(shì)連續(xù)變化而產(chǎn)生的，在人體的適當(dāng)部位貼上電極，再把這些變化的電勢(shì)整合、處理在一起就可以形成心電波形。心電導(dǎo)聯(lián)的方式有很多種，本設(shè)計(jì)中我采用的是單極肢體5導(dǎo)聯(lián)，不同的導(dǎo)聯(lián)方式得到的波形會(huì)有所不同。效果最好的位置如下： 黑線（LA) ：黏在第2肋骨與左鎖骨中線的交點(diǎn)；圖 2 5導(dǎo)聯(lián)實(shí)物圖白線（RA）：黏在右鎖骨中線與第2肋間之交點(diǎn)； 紅線（LL）：黏在左

12、下腹部位； 綠線（RL）：黏在右下腹部位； 棕線（V）： 黏在胸骨右緣第4肋之間(當(dāng)然可以貼別的類似部位)。 如果保證白色電極（RA）和紅色電極（LL）對(duì)角按放，就可以獲得最佳呼吸波，也就可以減少心臟搏動(dòng)和脈動(dòng)產(chǎn)生的偽差，這需避免把肝區(qū)和心室置于呼吸電極的連線上。3.1.3 前置放大部分儀表放大器AD620具有高共模抑制比、精度高等。事實(shí)上，該芯片也是專門為便攜式生理放大器而設(shè)計(jì)的。圖 3 AD620引腳圖AD620是一款價(jià)格低廉、性能優(yōu)良的儀表放大器。芯片的引腳如下圖所示。其增益相當(dāng)高，且可以根據(jù)1、8腳所接的電阻來(lái)改變，取值范圍為 110000倍。有如下關(guān)系式：G= 1+49.4 k /

13、Rg 或 Rg=49.4k/(G-1)其共模抑制比也非常高，一般在100dB。由此可知，如果是0.01mV的信號(hào)源輸入，差模信號(hào)部分就可以放大至1V。而共模信號(hào)部分卻依舊為0.01Mv（可忽略）。前置放大電路圖如下。圖 4 前端心電采集電路圖 圖中1和8腳接的是增益反饋電阻，即放大器放大倍數(shù)的判定電阻。把+2.5V看做參考地，因此，7和4腳就相對(duì)成了+2.5V和-2.5V了，這電路就是雙電源供電電路了。放大器采用雙電源供電，才能保證雙極性的心電信號(hào)的負(fù)半周信號(hào)不被削波。經(jīng)過(guò)考慮決定設(shè)計(jì)的前端放大增益定為50倍，即增益電阻為1K。圖中選擇的放大器是TLC2274。這款運(yùn)算放大器除了性能優(yōu)良、價(jià)格

14、低廉外，還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，也是本設(shè)計(jì)需要的，就是其具有“軌道軌”的特性。既電壓，即使在電源電壓的上限和下限，該放大器不飽和和倒裝。3.1.4信號(hào)濾波處理 盡管AD620部分的放大電路具有很好的共模抑制比，但是人體及周圍環(huán)境等因素，對(duì)采集到信號(hào)電路有很大干擾，所以采集信號(hào)時(shí)還應(yīng)該添加一些濾波電路。（1） 高通濾波部分根據(jù)心電信號(hào)的頻率成分都大于0.05Hz，這里添加一個(gè)高通濾波電路濾除低頻干擾。如圖所示，電路中由C1和R5組成的高通濾波器。其作用有兩個(gè)：1.除去直流信號(hào)，將被放大的交流信號(hào)部分保留下來(lái)；2.由C1和R5組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，其時(shí)間常數(shù)是2s，使放大器的下限頻率為0.08Hz。由下式

15、 和 圖 5 高通濾波電路又有，代入中，可知濾波電路的特征頻率大小由決定。即當(dāng)=0時(shí)=0，電路的增益為零；當(dāng)W=時(shí)，=1/2，電路達(dá)到截止頻率；當(dāng)時(shí)，=1，電路沒(méi)有衰減。故要使高通濾波器工作，設(shè)計(jì)中取C為1uF。R取值為2M，由此可計(jì)算出特征角頻率為： 或 由此可知信號(hào)經(jīng)過(guò)這個(gè)電路后的帶寬為0.08Hz 。（2）低通濾波部分心電信號(hào)的頻率成分為0.05100Hz，所以除了高通濾波電路限制最低頻率的下限，還需要一個(gè)低通濾波電路來(lái)限制上限頻率。濾除高頻成分的干擾。本設(shè)計(jì)采用的是二階低通有源濾波器。如下圖所示。圖 6 低通濾波電路可由式子 和 來(lái)計(jì)算上限頻率。判定方式和高通濾波電路的類似，這里就不多

16、說(shuō)。電路中取C為0.01uF，R為150K，計(jì)算出的特征角頻率為： 或 即放大器的帶寬為0106Hz。又由于心電信號(hào)的主要頻率成分為0.0540Hz，用于監(jiān)護(hù)的放大電路對(duì)帶寬的要求不太高，所以本設(shè)計(jì)選取R的值為470K，C的值為0.01uF，即其特征頻率為34Hz 。（3）50Hz陷波部分由第二章介紹的心電信號(hào)的特點(diǎn)可知，心電信號(hào)為微弱的電信號(hào)。人體周圍存在著很多的電磁干擾。前面的濾波電路已經(jīng)濾除了0.0834Hz以外的部分干擾。然而50Hz的工頻干擾是一個(gè)很大的干擾，想要采集到理想的心電信號(hào)，則50Hz的干擾必須濾除。電路圖如下所示。圖 7 50HZ陷波電路圖這電路的選頻條件是： 中心頻率為

17、： 其中電位器中心點(diǎn)兩邊的阻值分別計(jì)入和之中。 。運(yùn)用這兩個(gè)式子計(jì)算各個(gè)電阻值分別為：,和（16和17的電阻都包含電位器的那部分）。1根據(jù)這個(gè)，實(shí)際中選取如下：,=68K,電位器為20K，選取電容為0.047uF。調(diào)節(jié)電位器，使電阻16、17 的阻值和計(jì)算的值相符，使陷波點(diǎn)為50Hz。3.1.5 后級(jí)放大部分及電平抬升二級(jí)放大由于心電信號(hào)為微弱信號(hào)，需要放大1000倍以上才能很好的顯示。考慮到濾波網(wǎng)絡(luò)的衰減問(wèn)題，放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該更大些。本設(shè)計(jì)前端用AD620采集信號(hào)的時(shí)候，反饋電阻選擇了1K，其放大倍數(shù)為50左右，故將二級(jí)放大倍數(shù)定為40倍左右，則總增益為G=2000左右。具體可以根據(jù)顯示

18、的波形來(lái)調(diào)整。電路如圖所示。圖 8 信號(hào)的二級(jí)放大電路圖圖中7、8、9三個(gè)電阻, 構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)是用來(lái)調(diào)節(jié)本級(jí)放大器的基線。由于前置放大級(jí)采用的是雙電源供電方式，參考電壓則為0V（則實(shí)際上可以看做是05V電壓供電）。然而本設(shè)計(jì)的前置放大部分之后都采用5V單電源供電的，為了保證心電信號(hào)的完整性，通過(guò)調(diào)節(jié)二級(jí)放大器的基線，來(lái)使基線達(dá)到+2.5V左右，從而將來(lái)自運(yùn)放之前的雙極性心電信號(hào)轉(zhuǎn)換成從0V到5V的正極性信號(hào)。此放大電路的放大倍數(shù)由反饋電阻來(lái)決定的，關(guān)系如下式： 電流提高圖 9 電平抬升電路經(jīng)過(guò)前部分的信號(hào)放大和濾波后，采集到的信號(hào)波幅很小，并不能很好的顯示。這是因?yàn)檩敵龅男盘?hào)電流很小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)

19、下級(jí)電路。故再設(shè)計(jì)的二級(jí)放大后面加上一個(gè)提高電流模塊，提高輸出電流。電路如右圖所示。此運(yùn)放是一個(gè)跟隨器。其電壓放大為1，為正相放大器。輸出電流為輸入的（ 1+）倍，這電路具有電流和功率放大的作用。經(jīng)過(guò)這個(gè)運(yùn)放后，輸出端的信號(hào)就不會(huì)因?yàn)楹蠹?jí)部分負(fù)載過(guò)大而降低。3.2 A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn) 本設(shè)計(jì)中運(yùn)用單片機(jī)STC89C52RC和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1549實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換。把A/D芯片的參考電源和地腳接5V電源和地。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，只需連線正確，再軟件編寫(xiě)程序就可以了。電路連接如圖所示。圖 10 TLC1549引腳圖 AD程序如下所示。unsigned int get_AD() char i; unsign

20、ed int buf=0; CLK=0; _CS=0; delay_us(); for(i=0;i10;i+) CLK=1; delay_us();if(DIN) buf=(buf1)+1;else圖 11 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖 buf=(buf1)+0; CLK=0; _CS=1; CLK=0; return buf;3.3無(wú)線發(fā)送與接收以及PC接收信號(hào)3.3.1 無(wú)線傳輸模塊為了擺脫數(shù)據(jù)傳輸線的羈絆，本設(shè)計(jì)采用了將心電信號(hào)由一對(duì)無(wú)線射頻收發(fā)端與USB連接傳輸給PC機(jī)。市場(chǎng)上的無(wú)線射頻傳輸模塊種類很多，功能各異。在選擇前要好好考慮設(shè)計(jì)的要求，選擇的器件的功能特點(diǎn)等。比如：1.功能集成高度，外圍

21、原件數(shù)，是否便于開(kāi)發(fā)調(diào)試；2.傳輸速率；3.和MCU的連接情況；4.靈活性和功耗等?？傮w考慮后，本設(shè)計(jì)選用了NRF905模塊作為信號(hào)傳輸?shù)拿浇椤?.3.2 射頻模塊的簡(jiǎn)介 雖說(shuō)905芯片有32個(gè)引腳，但是需要掌握的就幾個(gè)罷了。面對(duì)無(wú)線發(fā)送接收模塊，引腳數(shù)量減少到14位，在左圖中可以一目了然。主要分為三塊：1.SPI接口；2.發(fā)射接收控制；3.信號(hào)控制檢測(cè)。 圖 12 nRF905的管腳圖 MISO、MOSI、CSN和SCK為SPI接口的數(shù)據(jù)線和信號(hào)線。其中MOSI和MISO為數(shù)據(jù)通道；CSN是通信開(kāi)啟和斷開(kāi)的控制信號(hào)；SCK是時(shí)鐘脈沖，一個(gè)脈沖就進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換，即完成一次通信。連接好這些是數(shù)

22、據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)條件。單片機(jī)是通過(guò)PWR、TRX_CE和TX_EN端口來(lái)控制模塊發(fā)送和接收的。至于CD、AM和DR是模塊的一組狀態(tài)信號(hào)端口。 3.3.3模塊的運(yùn)用 發(fā)送部分 無(wú)線射頻的運(yùn)用很簡(jiǎn)單。硬件方面只要將SPI接口及控制端口連接對(duì)MCU相應(yīng)的端口就好。其他的就是軟件方面的事了。無(wú)線射頻模塊在工作前，必需要對(duì)其寄存器進(jìn)行配置，以保證其能夠按照要求正確的工作。RF的配置寄存器一共分為10個(gè)字節(jié)的單元，分別對(duì)寄存器進(jìn)行不同的設(shè)置。如：用于細(xì)調(diào)各個(gè)頻率的通道的CH_NO；中心頻率；輸出功率；字節(jié)長(zhǎng)度設(shè)置；地址寄存器RX；晶振等。本設(shè)計(jì)中對(duì)RF寄存器進(jìn)行配置是采用WC指令。具體程序如下：/RF寄存器配

23、置/unsigned char idata RFConf11= 0x00, /配置命令/ 0x4c,0x0c,0x44,0x20,0x20,0xcc,0xcc,0xcc,0xcc,0x58, /充許CRC，不使能外部時(shí)鐘信號(hào)，8位CRC校驗(yàn)，16M晶振;bit lcdbit; 圖 13 發(fā)送程序框圖（1） 配置參數(shù)，啟動(dòng)SPI，寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)地址。置高控制端口TRX_CE和TX_EN，使無(wú)線模塊處于發(fā)送模式。在發(fā)送過(guò)程中，NRF905自動(dòng)完成以下工作：射頻寄存器自動(dòng)開(kāi)啟。（2） 在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)，引腳DR置高。（3） 打包數(shù)據(jù)（包含字頭和CRC校驗(yàn)碼）。（4） 發(fā)送數(shù)據(jù)包。這些程序的過(guò)程

24、約10us。故在發(fā)送的期間要加一個(gè)延時(shí)程序。在發(fā)送過(guò)程中，無(wú)論trx_ce和tx_en端口是高還是低，傳輸都不會(huì)中斷。一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)完，就進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，若是沒(méi)有數(shù)據(jù)可發(fā)送時(shí)，905自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。nRF905只要硬件連接好后，剩下的就只是軟件問(wèn)題了，編程好后就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸了。接收部分接收部分的主要實(shí)現(xiàn)功能是：用無(wú)線模塊接收由發(fā)送部分發(fā)送的心電數(shù)據(jù)，再通過(guò)單片機(jī)的SPI接口接收數(shù)據(jù)，通過(guò)串口功能，把數(shù)據(jù)傳輸給電腦。nRF905處于接收模式，其他無(wú)線設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)才能接收到。接收模式啟動(dòng)后，接近入接收模式，完成以下工作：（1） 載波檢測(cè)。nRF905模塊進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到相同頻

25、段的載波時(shí)，就置高CD引腳。（2） 地址匹配。發(fā)送的數(shù)據(jù)中都有目的地址，地址與本機(jī)相同，就接收信號(hào)，若不同就不接收。在接收同時(shí)，地址匹配信號(hào)（AM）引腳立即置高。（3） 接收數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包被接收后，存入RX_PLAYLOAD寄存器中。（4） 數(shù)據(jù)就緒。有效數(shù)據(jù)接收到后，去除其字頭，置高DR引腳，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)好， 可以開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。單片機(jī)就通過(guò)SPI接口讀出寄存器中的數(shù)據(jù)。 和發(fā)送部分相比。接收部分運(yùn)用的無(wú)線模塊的配置、啟動(dòng)和發(fā)送等幾乎一樣，唯一不同的是一個(gè)處于發(fā)送方式，一個(gè)處于接收方式。發(fā)送部分有一個(gè)AD轉(zhuǎn)換模塊，而接收部分有一個(gè)串口通信模塊。這樣看來(lái)接收部分的程序框圖和發(fā)送的大致相同，只是

26、把AD轉(zhuǎn)換的那部分換成串口通信部分，這里就不再詳細(xì)表述。 圖 14 數(shù)據(jù)接收部分電路圖第四章 心電信號(hào)的顯示 MATLAB是一個(gè)高技術(shù)計(jì)算的開(kāi)發(fā)環(huán)境，比如科學(xué)計(jì)算，可視化和交互式程序設(shè)計(jì)。它是一個(gè)易于使用的集成Windows環(huán)境，數(shù)值分析，矩陣計(jì)算，可視化，和許多其他功能。目前，MATLAB的工具箱功能延伸到數(shù)據(jù)采集、圖像處理、概率統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、偏微分方程求解、小波分析、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、DSP與通訊等領(lǐng)域中。6 本設(shè)計(jì)中采用matlab軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)心電圖在PC機(jī)上的顯示。主要是串口初始化等相關(guān)程序部分、波特率和數(shù)據(jù)位和發(fā)送位等程序部分、數(shù)據(jù)接收程序

27、部分、顯示通道程序部分。利用通信類serial來(lái)創(chuàng)建串口對(duì)象，通信是設(shè)置串口對(duì)象屬性和通信模式來(lái)進(jìn)行。設(shè)計(jì)中利用串口傳輸，開(kāi)啟串口需要用fopen函數(shù)。還需fread函數(shù)讀取二進(jìn)制數(shù)據(jù)，結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸需要fclose函數(shù)。12本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用到的是串口事件回調(diào)函數(shù)來(lái)處理窗口收到的消息、以及畫(huà)圖函數(shù)來(lái)畫(huà)出收到的數(shù)據(jù)等。在設(shè)置回調(diào)函數(shù)時(shí)，首先設(shè)置回調(diào)函數(shù)的名稱和輸入?yún)?shù)。然后是回調(diào)函數(shù)的定義，來(lái)實(shí)現(xiàn)想要的功能。如下程序?yàn)榇谑录卣{(diào)設(shè)置：o_SerialPort.BytesAvailableFcnMode=byte; o_SerialPort.BytesAvailableFcnCount=10; o_

28、SerialPort.BytesAvailableFcn=EveBytesAvailableFcn,handles;要用到matlab的畫(huà)圖功能來(lái)顯示出心電圖。首先要對(duì)接收數(shù)據(jù)部分施控件，即類似于按鈕；接著把接收的數(shù)據(jù)存到緩存中，定義成一個(gè)變量，最后運(yùn)用畫(huà)圖功能把數(shù)據(jù)畫(huà)成圖表形式。程序如下：if ms=1figure(1);set(0,ShowHiddenHandles,On); set(gcf,menubar,figure); plot(1:1:length(M1),M1,-.Rs,1:1:length(M2),M2,-.GP,1:1:length(M3),M3,-.bh) Xlabel(-

29、 時(shí)間 -); Ylabel(- 電壓 -); legend(信道一,信道二,信道三,-1); end這里介于篇幅就不再多加介紹了 。第五章 硬件測(cè)試和軟件的調(diào)試5.1 硬件測(cè)試 圖 15 示波器上顯示采集的心電圖為了硬件調(diào)試，在設(shè)計(jì)硬件實(shí)物時(shí)，把信號(hào)采集、信號(hào)濾波、信號(hào)放大等分別接一個(gè)測(cè)試輸出端口。測(cè)試時(shí)，把電極片按前面介紹的位置貼好，在本設(shè)計(jì)中直接把濾波后的心電信號(hào)接到示波器上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下圖所示?？梢钥闯鍪静ㄆ魃系男盘?hào)為心電信號(hào)。信號(hào)的頻率和心電信號(hào)一樣，放大的倍數(shù)和計(jì)算值差不多，且每個(gè)心電沖擊信號(hào)相隔1s，其中沖擊的幅值不一樣是因?yàn)殡姌O片不穩(wěn)定等外界因素，依舊可以肯定是心電信號(hào)

30、。故可以省去電極片采集信號(hào)部分的測(cè)試。 為了看清心電的基線的特性，本設(shè)計(jì)中再把心電信號(hào)放大些，以便基線的特性更加明顯。同時(shí)由采集到的信號(hào)可知心電信號(hào)的基線的紊亂挺多的。故設(shè)計(jì)中還加有一個(gè)50HZ的陷波電路，濾除50HZ的工頻干擾。這樣基本就達(dá)到理想的心電信號(hào)。5.2軟件調(diào)試軟件部分主要包括信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換部分、信號(hào)的無(wú)線發(fā)送和接收部分、串口通信和軟件顯示程序。在程序調(diào)試中，首先是運(yùn)用串口連接PC機(jī)部分程序，這里用開(kāi)發(fā)板來(lái)調(diào)試程序，用UartAssist(串口助手)來(lái)顯示通信的端口、波特率和數(shù)據(jù)等。接著進(jìn)行的是NRF905通信調(diào)試，在905調(diào)試中重要的是其配置的數(shù)據(jù)要一樣，接著是數(shù)據(jù)位、SPI和寄

31、存器的一些程序。先用發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)做檢測(cè)，經(jīng)過(guò)幾次測(cè)試和修改后，905通信部分程序調(diào)試成功。最后是AD轉(zhuǎn)換信號(hào)通過(guò)905發(fā)送和接收顯示于串口助手界面，測(cè)試階段，用電源信號(hào)作為輸入，直接看串口助手上的數(shù)據(jù)是否為電源信號(hào)為準(zhǔn)，如是則通信正常。正常后把輸入信號(hào)改為地來(lái)檢測(cè)。串口助手界面及用電源接入ADC后接收到的數(shù)據(jù)如下圖所示。 圖 16 串口接收無(wú)線信號(hào)測(cè)試 這些調(diào)試成功后就可以直接接入心電信號(hào)測(cè)試了。本設(shè)計(jì)中采用matlab軟件顯示波形，下圖顯示的為兩個(gè)不同時(shí)段的心電圖。可以看出是心電波形。其最大幅值為（300/1024）*51.4 ，其中5為基準(zhǔn)電壓。橫坐標(biāo)為采集的點(diǎn)數(shù)，采樣頻率為9600Hz。

32、可知尖峰間隔約為1S左右。再者，每個(gè)尖峰出的波形和標(biāo)準(zhǔn)的心電波形類似，即包括R波、T波等。所以可以肯定采集到的信號(hào)為心電信號(hào)。 圖 17 心電信號(hào)在matlab上的顯示圖形第六章 全文總結(jié) 論文在研究心電信號(hào)采集、傳輸及顯示上，完成了信號(hào)的采集，信號(hào)高通低通濾波及50陷波處理；心電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換；無(wú)線傳輸以及PC機(jī)上的心電圖的顯示。其中采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，解決了數(shù)據(jù)傳輸線的煩惱。在信號(hào)處理問(wèn)題上，也根據(jù)美國(guó)心電學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，采集范圍具有權(quán)威性。在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，遇到一些問(wèn)題，要得到比較標(biāo)準(zhǔn)的心電信號(hào)，對(duì)電阻和電容的精確值要求比較高，故作品采集的心電信號(hào)的準(zhǔn)確性還是有提高的空間；一種功能的電路可以有

33、幾種不同的電路連接方式，在開(kāi)始時(shí)，器電路的取舍花了很多時(shí)間；開(kāi)始設(shè)計(jì)電路圖時(shí)，查找的資料中，有一處錯(cuò)誤，由于對(duì)該電路了解不夠，導(dǎo)致走入了誤區(qū)，浪費(fèi)了很多材料與時(shí)間。經(jīng)過(guò)這次設(shè)計(jì)的制作，學(xué)習(xí)到了很多的東西，比如設(shè)計(jì)前對(duì)相關(guān)的知識(shí)要很了解，設(shè)計(jì)中要認(rèn)真研究與思考，事后要及時(shí)總結(jié)等。前文也提出了許多本設(shè)計(jì)可提高和發(fā)展的地方，信號(hào)采集的越多, 越全面反映患者的生理狀況，診斷治療就的越有效果。參考文獻(xiàn)1 王正光.數(shù)據(jù)采集與處理.國(guó)防工業(yè)出版社，1985.2 任家富.數(shù)據(jù)采集與總線技術(shù).北京航空大學(xué)出版社，2008.3 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）高等教育出版社，2005.4 魏小龍.MSP430系列

34、單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.5 孫上鵬.心電信號(hào)采集及無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)x.北京：北京交通大學(xué).2009.6 梁原.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)研究.長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.7 劉冬，劉光斌，姚志成.單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)用抗干擾技術(shù)M.北京：人民郵電出版社.2003.8 王林漲等.心電信號(hào)處理中濾波器設(shè)計(jì)的研究.北京生物醫(yī)學(xué)工程,2002,21(:3).9 張石，張新宇.遠(yuǎn)程移動(dòng)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)J.控制工程.2006、13（2）：172-174.10 孫彤，李冬梅.逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器綜述.微電子學(xué).2007.11 鄧親愷.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)原理

35、M.北京：科學(xué)出版社.2004.12 趙云鵬.MATLAB串口通信在數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用.微計(jì)算機(jī)信息.2006.13 王萍，陳長(zhǎng)春，龔睿等.基于nRF905的無(wú)線串口通信系統(tǒng).微計(jì)算機(jī)信息.2007.14 劉剛、王立香.中文版編程及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2008.致謝 首先要感謝我的導(dǎo)師賴森財(cái)老師在整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程的悉心指導(dǎo)。感謝和我一起度過(guò)這段畢業(yè)設(shè)計(jì)期間的同學(xué)和好朋友，從論文的選題、方案設(shè)計(jì)、資料收集，直至論文的編寫(xiě)，給了我很多的幫助和支持，給了很多的寶貴的意見(jiàn)，讓我少走了很多彎路，深刻認(rèn)識(shí)做每樣事情前要收集各方面的信息，加上自己的努力才能做好，這期間讓我成長(zhǎng)了不少，使我懂得，遇到問(wèn)題如何去找

36、根源、如何去解決，為以后的工作打下了一定的基礎(chǔ)。特別感謝王劍雄、林永軍、韋朝活在編程、調(diào)試期間的幫助和支持。感謝所有在學(xué)習(xí)期間關(guān)心和幫助我的老師、同學(xué)和朋友。摘要 Design of ECG monitor based on PC Wu Xihong 2009 Sanming University Electronic Science and technology of Fujian Sanming 365401 The design of ECG monitoring is a set of acquisition, signal processing, transmission and d

37、isplay in one. Data acquisition part,the 5 lead ECG to collect ECG signal. The signal processing part, according to the design requirement of most of the ECG, use the zoom, filter, anti-jamming and so on a series of signal processing circuit for signal processing. The transmission part uses 51 Serie

38、s MCU as the main MCU to control A/D transformation and wireless transmission module, wireless transmission signal transmission to PC. Finally using the editor and window of matlab software interface display ECG graph. In this paper, the design of each circuit are have a detailed basis, can make peo

39、ple understand it more easily.Keywords : ECG amplifying filtering device of ADC wireless matlab承諾書(shū)和授權(quán)書(shū)三明學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))承諾書(shū)我仔細(xì)閱讀了三明學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的有關(guān)文件規(guī)定。我知道，抄襲別人的成果是剽竊行為，是可恥的，也是違反畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）規(guī)定的。如果引用別人的成果或其他公開(kāi)的資料（包括網(wǎng)上查到的資料），必須按照規(guī)定的參考文獻(xiàn)的表述方式在正文引用處和參考文獻(xiàn)中明確列出。我鄭重承諾，嚴(yán)格遵守學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）規(guī)定，以自己的真實(shí)水平認(rèn)真做好畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。如有違反規(guī)定的行為，我將接

40、受嚴(yán)肅處理。我的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目為：學(xué)生簽名： 日期:畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本論文（設(shè)計(jì)）作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)三明學(xué)院可以將本論文（設(shè)計(jì)）的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文（設(shè)計(jì)）。 保密，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。本論文（設(shè)計(jì)）屬于 不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 日期： 附錄實(shí)物圖Matlab部分程序：function varargout = SerialPortCommunication

41、(varargin)gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn,SerialPortCommunication_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, SerialPortCommunication_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str

42、2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction figure1_CloseRequestFcn(hObject, eventdata, handles)global number;global o_SerialPort;%-關(guān)閉串口-if strcmp(o_SerialPort.Status,open) fclose(o_SerialPort);endnumber=;cl

43、ear number;delete(hObject);function SerialPortCommunication_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)handles.output = hObject;guidata(hObject, handles);javaFrame=get(hObject,JavaFrame);javaFrame.setFigureIcon(javax.swing.ImageIcon(update.jpg);function varargout = SerialPortCommunication_Outp

44、utFcn(hObject, eventdata, handles) varargout1 = handles.output;function pb_OpenSerialPort_Callback(hObject, eventdata, handles)global o_SerialPort;flag=0;set(hObject,Visible,off);set(handles.pb_CloseSerialPort,Position,get(handles.pb_OpenSerialPort,Position);set(handles.pb_CloseSerialPort,Visible,on

45、);%-串口初始化-int_Index_COM=get(handles.pop_SerialPort,Value);string_COM=get(handles.pop_SerialPort,String);string_Select_COM=string_COMint_Index_COM;o_SerialPort=serial(string_Select_COM);%Baud初始化int_Index_Baud=get(handles.pop_BaudRate,Value);string_Baud=get(handles.pop_BaudRate,String);string_Select_B

46、aud=string_Baudint_Index_Baud;double_Baud=str2double(string_Select_Baud);set(o_SerialPort,BaudRate,double_Baud);%設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度int_Index_DataBit=get(handles.pop_DataBit,Value);string_DataBit=get(handles.pop_DataBit,String);string_Select_DataBit=string_DataBit(int_Index_DataBit);double_DataBit=str2double(str

47、ing_Select_DataBit);set(o_SerialPort,DataBits,double_DataBit);%設(shè)置停止位長(zhǎng)度int_Index_StopBits=get(handles.pop_StopBits,Value);string_StopBits=get(handles.pop_StopBits,String);string_Select_StopBits=string_StopBits(int_Index_StopBits);double_StopBits=str2double(string_Select_StopBits);set(o_SerialPort,Sto

48、pBits,double_StopBits);%設(shè)置輸入緩沖區(qū)大小為1Mset(o_SerialPort,InputBufferSize,1024000);%串口事件回調(diào)設(shè)置 o_SerialPort.BytesAvailableFcnMode=byte; o_SerialPort.BytesAvailableFcnCount=10; o_SerialPort.BytesAvailableFcn=EveBytesAvailableFcn,handles;% -打開(kāi)串口-fopen(o_SerialPort);-發(fā)送按鈕打開(kāi)-set(handles.pb_SendData,Enable,on);

49、set(handles.pb_SendData,Visible,on);guidata(hObject, handles);%-BytesAvailableFcn事件回調(diào)函數(shù)function EveBytesAvailableFcn( t,event,handles )global o_SerialPort ck;% number=h_o_SerialPort.BytesAvailable;global number flag ;global ga number1;number=number fread(o_SerialPort,10);number1=number fread(o_SerialPort,10);set(handles.edit_ReceiveData,String,nm2str(number