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06-18
心电图作为心脏病临床检查的常规方法，具有无创、操作简单、出图快捷等优点。
它对各种心律失常和传导障碍的诊断具有决定性作用。
随着计算机网络、通信等相关技术的快速发展，心电图检测技术逐渐应用于远程医疗领域，使得医院为心脏病患者提供远程医疗服务成为可能。
目前，国内已开发出通过固定电话传输心电信号的心电传输系统。
但由于干扰大、成本高，尚未应用于临床。
为此，本文将研究设计一种低成本、低功耗、易于携带的无线远程心电监护系统，为心脏病患者提供便捷的远程心电监护服务功能。
1 系统概述 远程心电监护系统由心电检测终端、无线通信网络、医院监护中心组成。
结构框图如图1所示。
心电检测终端用于采集和检测患者的心电信号，然后通过GPRS无线网络传输到医院监护中心。
医院监护中心的上位机通过网络接收到心电图数据后，医生可以使用上位机的心电图分析软件对患者的心电信号进行分析、分类和存储。
心电检测终端还可以通过RS串口直接将心电数据传输至计算机。
2 系统硬件设计 为了设计一款体积小、功耗低、处理速度快的心电检测终端，本系统采用TI公司生产的MSPF单片机作为微处理器。
单片机的工作电压在1.8~3.6V之间；工作在1 MHz、2.2 V主动模式时，电流为μA； 12位A/D转换器，具有内部参考源、采样和保持以及自动扫描功能；串行通信软件有两种模式可供选择：异步UART和同步SPI。
该单片机具有丰富的片上外设和大容量的片内工作寄存器和存储器，在电路设计时节省了大量的空间。
本系统的硬件主要包括心电信号采集模块、RS通信模块和GPRS传输模块。
2.1心电信号采集模块 心电信号是一种很微弱的低频信号，幅度为0.5~4 mV，频率为0.05~Hz。
在检测过程中，还与其他生物信号和50 Hz信号混合。
频率干扰和周围电气设备引起的干扰。
因此，心电信号采集方法由信号提取、信号放大、信号滤波和信号处理组成，如图2所示。
2.1.1心电前置放大电路 心电信号被电极采集后，首先要进行电压放大。
电压放大器通常由两级组成。
前置放大采用微功耗仪表放大器AD芯片，AD具有高共模抑制比（CMRR）、高输入阻抗、低功耗、低噪声和低输入偏置电流等特点，其最大输出电流仅为1.3毫安。
通过调节引脚1和引脚8之间的电阻Rg可以将增益设置为1~1。
增益计算公式为：G=49.4 kΩ/Rg。
为了防止AD工作在饱和区或截止区，前级增益不易太大，因此第一级放大倍数设计为10倍。
前置放大器电路如图3所示。
其中，缓冲输入级采用双向并联二极管，将缓冲放大器两个输入端之间的电压限制在不超过0.7V，作为低电压保护。
kΩ电阻和pF电容组成无源低通滤波器，抑制高频干扰。
2.1.2 滤波电路 在心电信号采集过程中，不可避免地会混入高频干扰、低频干扰和50Hz工频干扰。
因此，心电信号的滤波电路至关重要。
。
本系统采用二阶有源滤波电路滤除0.03Hz以下及以上的低频和高频噪声，并采用经典的双T有源陷波电路和软件方法联合滤除50Hz工频干扰。
2.1.3 主放大隔离电路和电平升压电路 后放大部分需要放大10倍才能满足A/D转换所需的电压范围。
另外，主放大电路中采用线性光电隔离放大器ISO对心电信号进行隔离放大，从而对心电信号的A/D转换和数字滤波实现了良好的隔离效果。
心电信号经过两次放大，最高幅度为0.4V，而A/D的输入范围为0~2.5V。
电平提升电路采用加法器电路，以1.2V作为中间参考值，因此放大后叠加参考电压1.2 V，得到的心电信号大小为(1.2.8) V，正好在A/D的模拟输入信号范围内。
此时心电信号的负部分已被消除，输出信号可以传输给人们。
MSP 微控制器执行 A/D 转换和数字滤波。
后级放大电路和电平升压电路如图4所示。
2.2 GPRS传输模块 检测终端采集的心电信号经过MSP单片机处理后，可以传输到远程医疗中心通过GPRS模块向医生提供患者的心电图数据。
GPRS（通用分组无线业务）是通用分组无线业务的缩写。
GPRS是GSM Phase2.1规范实现的内容之一，可以提供比现有GSM网络9.6 kb/s更高的数据速率。
GPRS采用与GSM相同的频段、频率带宽、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。
本系统采用西门子MC35i模块，具有TC35i的全部功能，且易于集成。
GPRS模块的接收速率可达86.20kb/s，发送速率可达21.5kb/s。
模块工作电压3.3~4.8V，支持EGSM和GSM双频工作段，采用GPRS时分复用Class 8标准，同时支持数字、语音、短信和传真。
MC35i模块有40个引脚，通过ZIF（零插入力，零电阻插座）连接器引出。
这40个引脚可以分为5类，分别是电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。
MSP单片机通过RS接口与MC35i模块连接，从而实现单片机与MC35i模块之间的通信。
2.3 RS通讯模块 单片机还可以通过RS串口直接将心电信号传输到计算机。
单片机和PC机之间的通信需要RS驱动芯片。
本系统采用SP驱动芯片，该芯片是一种低功耗、宽电压供电的通信芯片。
可以完成TTL电平和RS电平之间的转换以及串行通信，上传速率可高达kb/s。
通过设计SP的接口电路和软件驱动程序，实现了心电信号的本地传输。
如图6所示，SHDN引脚通过上拉电阻拉高，使芯片保持工作状态。
如果系统需要处于低功耗状态，也可以通过单片机控制该引脚。
工作时将该引脚设置为低电平，需要低功耗时将该引脚设置为高电平。
这样就很容易控制了。
3系统软件设计 3.1模数转换及数字滤波 由于前端采集的是模拟信号，需要将模拟信号转换为数字信号才能进行数字滤波并传输心电信号。
该系统采用MSPF微控制器附带的高速12位逐次逼近A/D转换器。
它采用单通道、单次转换、定时器触发的工作模式对心电信号进行模数转换。
采样频率设置为 Hz。
小波变换是20世纪80年代发展起来的一种很好的时频定位方法。
它是由短时傅里叶变换演变而来，具有视频定位的特点。
在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。
小波变换的这些特点更适合处理心电信号。
因此，本系统采用小波变换的快速算法Mallat算法对心电信号进行分解、阈值去噪和重构，从而实现信号的滤波功能。
在具体的Mallat算法滤波实验中，各级滤波器均采用补零运算方法，不仅避免了信息冗余，而且加快了运算速度。
由于分解尺度可调，因此程序中经过反复实验分析，最终确定分解尺度为3级。
经过阈值去噪后，进入信号重构模块和UAR2端口进行信号传输。
3.2 GPRS通信模块软件设计 本系统使用的GPRS模块已经嵌入了TCP/IP协议栈。
无需编程即可实现 TCP/IP 协议。
单片机可以通过AT/AT+i命令控制GPRS模块。
，其中AT命令用于控制MC35i通信模块（调制解调器），AT+i命令用于与协议栈通信。
由于GPRS数据传输方式是基于IP协议的，所以主要使用AT+i指令来控制GPRS模块。
微控制器MSPF通过RS接口向模块发送相应的AT+i命令，对GPRS模块进行初始化、发送、接收数据以及控制。
MSP单片机将要发送的数据发送到GPRS模块的串口缓冲区。
GPRS模块将数据打包成IP数据包，通过GPRS空中接口接入无线GPRS网络，由移动服务提供商传输到互联网，最后通过各种网关和路由到达医院远程监控中心。
监控中心的计算机需要有固定的IP，Winsock控件主要用于通过UDP或TCP协议接收数据和交换数据。
3.3监控中心软件设计 本系统采用VC编写监控中心的接收与显示软件。
该软件用于接收并显示GPRS模块发送的心电信号。
因此，需要设计可视化监护界面，并且监护中心的计算机需要有固定的IP地址，以方便接收患者发送的心电图数据。
VC中的Winsock控件有效屏蔽了Windows套接字上的低级操作，可以轻松地在网络中任意两个具有唯一IP地址的节点之间建立连接，并通过UDP或TCP协议交换数据。
监控中心软件由插座初始化、数据接收、心电波形显示、数据分类与存储、GPRS模块远程控制命令发送五部分组成。
4 结论 本文介绍了一种使用MSP单片机和MC35i通信模块实现的无线远程心电监护系统。
该系统具有便携、低功耗、高性能、实时传输等特点。
其中，信号采集部分采用小波变换方法对心电信号进行滤波，处理后的心电信号更有利于医生查看和诊断； GPRS模块是目前常用的无线通信模块，用于数据传输和Internet网络连接。
性能更加优越，适合心电信号的远程传输和监测。
该系统不仅可以实现心电信号的远程传输功能，还可以将心电信号传输到本地计算机，实现本地显示功能。
同时，随着检测技术和网络通信技术的不断发展，心电信号的远程监测技术也将不断改进和完善，为患者和医生带来更大的帮助。
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