基于藍(lán)牙技術(shù)的便攜式心電采集設(shè)備設(shè)計

題 目：基于牙技術(shù)便攜電采集備設(shè)計摘 要現(xiàn)如今我國民眾對生活質(zhì)量的要求不斷提升,對自己的身體狀態(tài)和生活層次也越來越重視。世界衛(wèi)生組織的研究表明：心腦血管引起的死亡在全球范圍看來仍然排在首位，作為病因之首，人們不得不對其引起重視，加以防范。心電圖機(jī)作為診斷心臟疾病的最直觀、高效的醫(yī)療設(shè)備，它可以即時檢測心臟興奮的電位活動狀況，雖然醫(yī)用心電圖機(jī)使用方便，且檢測結(jié)果可靠，對人體一般無創(chuàng)傷性損害，但是一般的心電圖機(jī)體積和質(zhì)量都較大，且價格不菲，對于非專業(yè)用戶來說操作較為復(fù)雜，每次檢查都需要患者親自前往醫(yī)院，這對患者檢查帶來了不少的負(fù)擔(dān)。本文設(shè)計了一種便于攜帶，基于無線藍(lán)牙技術(shù)的能持續(xù)對病人心電信號進(jìn)行檢測的個人醫(yī)療硬件系統(tǒng)，可以不間斷地對患者心臟電活動狀態(tài)進(jìn)行記錄，還能夠為臨床檢查和評估提供可使用的參考資料。本文主要研究了心電采集電路的設(shè)計，將心電信號采集后，通過緩沖，濾波，放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)交贏RM7內(nèi)核的LPC2138處理器上，經(jīng)過MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過藍(lán)牙芯片發(fā)送數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)能被其他主機(jī)接收并通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并顯示出波形，同時該系統(tǒng)采用的藍(lán)牙無線技術(shù)還可以通過網(wǎng)絡(luò)將心電檢測資料從家庭擴(kuò)展到醫(yī)院、社區(qū)等，能夠?qū)︶t(yī)療資源的共享起到一定作用。關(guān)鍵詞：心電檢測；藍(lán)牙技術(shù)；ARM處理器；個人醫(yī)療AbstractNowadays,ourpeoplesdemandofqualityoflifeisrising.Theypaymoreattentiontotheirphysicalconditionandtheleveloflife.orldHealthOrganizationstudyshowedthat:thedeathcausedbycardiovasculardiseaseinworldwideopinionisstillinfirstplace.Peoplehavetopayattentiontoit,toguardagainst.Electrocardiogram,asthemostintuitiveandefficientdiagnosticmedicaldevice,caninstantlydetectcardiacpotentialactivitystatus.AlthoughmedicalECGmachineiseasytobeusedanditstestresultsisreliable,anditisnon-invasivedamagetohumanbod,butitssizeandqualityarelargeanditisalsoexpensive.Theoperationfornon-professionalusersistoomorecomplex.PatientsarerequiredtoexaminetheirECGatthehospital,whichbroughtalotofburden.Thispaperpresentsanindividualportablemedicalhardware,whichisbasedonwirelessBluetoothtechnolog,cancontinuedetectingthepatientsECGandrecordingtheircardiacelectricalactivit,anditcanalsoprovidereferencematerialsforclinicalexaminationandassessment.ThispaperstudiesthedesignofECGacquisitioncircuit.AftertheECGdatahasbeenacquired,withthebuffe,filte,amplifingandanalogtodigitalconversioncircuit,thesignalwillbeconversedtodigitalandtransmittedtotheLPC2138ARM7-basedprocesso.TheMCUcanprocessthedataandsenditoutthroughtheBluetoothchip.Thisdatacanbereceivedbytheotherhostandwiththesoftware,theECGwaveformscanbedisplayed.iththeusingofBluetoothwirelesstechnolog,theECGdatacanalsobeextendedtohospitalandcommunitythroughthenetworkandtheseplayaroleinmedicalresourcessharing.Keywords:EC, Bluetooth wireless technolog, ARM7-based processo,individualmedicalhardware目 錄摘 要.................................................................................................................1Abstract...................................................................................................................2第1章緒論...........................................................................................................51.1課題的來源及研究目的和意義..................................................................51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析..................................................................................61.2.1我國研究現(xiàn)狀分析...............................................................................61.2.2國外研究現(xiàn)狀分析...............................................................................71.3本章小結(jié)......................................................................................................9第2章心電信號檢測原理與電路設(shè)計.............................................................102.1心電波形產(chǎn)生原理概述............................................................................102.2心電導(dǎo)聯(lián)體系和發(fā)展歷程介紹................................................................122.3心電信號檢測電路硬件設(shè)計要求............................................................132.4心電檢測電路設(shè)計....................................................................................152.4.1保護(hù)和濾波電路.................................................................................152.4.2緩沖電路.............................................................................................162.4.3心電導(dǎo)聯(lián)差分放大電路.....................................................................172.4.4濾波放大電路.....................................................................................182.4.5右腿驅(qū)動電路.....................................................................................192.5模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計....................................................................................202.6本章小結(jié)....................................................................................................21第3章MCU及電源電路設(shè)計...........................................................................223.1MCU電路設(shè)計...........................................................................................223.1.1LPC2138特性......................................................................................223.1.2LPC2138電路設(shè)計..............................................................................223.1.3看門狗電路設(shè)計.................................................................................233.1.4JAG接口設(shè)計....................................................................................243.2電源模塊設(shè)計............................................................................................253.2.112VDC/DC電源設(shè)計.........................................................................253.2.2+5V與+7V穩(wěn)壓電路..........................................................................253.2.3-5V與-7V穩(wěn)壓電路............................................................................263.3本章小結(jié)....................................................................................................27第4章藍(lán)牙無線模塊設(shè)計.................................................................................284.1藍(lán)牙技術(shù)....................................................................................................284.2藍(lán)牙協(xié)議....................................................................................................284.3MCU與藍(lán)牙模塊通信...............................................................................294.3.1藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸可行性分析.................................................................294.3.2藍(lán)牙模塊選用.....................................................................................304.3.3T指令介紹........................................................................................304.3.4藍(lán)牙與MCU連接..............................................................................314.4測試與實驗................................................................................................324.4.1軟件應(yīng)用程序.....................................................................................324.4.2藍(lán)牙配置.............................................................................................334.4.3數(shù)據(jù)通信.............................................................................................334.5本章小結(jié)....................................................................................................34第5章總結(jié)與展望.............................................................................................355.1本文研究工作總結(jié)....................................................................................355.2進(jìn)一步的工作和建議................................................................................35參考文獻(xiàn)...............................................................................................................36附錄...............................................................................................................38致謝...............................................................................................................40第1章 緒論1.1 課題的來源及研究目的和意義世界衛(wèi)生組織研究表明：2012年心血管疾病是造成人類因疾病死亡的頭號原因[1]，心腦血管引起的死亡在全球范圍看來仍然排在前列，意味著每每年由于心血管疾病而導(dǎo)致死亡的人數(shù)比其他疾病引起的死亡人數(shù)都高。這幾年來心血管類疾病所造成的死亡人數(shù)雖然有所下降，但是心臟病作為一種常見疾病，而且發(fā)作時造成患者死亡概率很高，且病情急迫，所以心臟疾病患者需定期檢測心臟電位變化，以確保疾病處于可控水平。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，心電圖機(jī)是診斷心臟類疾病的首選儀器，它可以檢測心臟興奮時的電位活動狀況，雖然它使用方便，且檢測結(jié)果可靠，對人體一般無創(chuàng)傷性損害，但是一般的心電圖機(jī)體積和質(zhì)量都較大，且價格不菲，每次檢查都需要患者親自前往醫(yī)院，這對患者檢查帶來了不少經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和耗費時間?，F(xiàn)如今，電子技術(shù)發(fā)展迅速。計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)逐漸和臨床上的醫(yī)學(xué)問題相結(jié)合，為心電信號的檢測和處理提供了方便的強(qiáng)有力的工具[2]。而而這種新的發(fā)明無疑可以幫助患者更好的了解自己的身體狀況，因為是采用無線藍(lán)牙技術(shù)，就可以對患者進(jìn)行不間斷的心臟電活動狀態(tài)的檢測，同時可以在后期的診斷和治療提供更有參考價值的資料，這對于心臟疾病的預(yù)防和盡早發(fā)現(xiàn)都有很大的幫助?？梢源蟠蟮慕档陀尚呐K功能異常而引起的死亡率。同時該系統(tǒng)不需要心臟病患者呆在醫(yī)院，檢測過程隨時都可以進(jìn)行，患者可以在家中進(jìn)行日常的生活工作，具有隨時檢測即使出結(jié)果的優(yōu)點。未來的設(shè)計還可以通過網(wǎng)絡(luò)將心電檢測資料從個人傳輸?shù)结t(yī)療中心、社區(qū)等，患者就診時無需拿著一堆的資料到處奔波，這不僅在方便了生活的同時對患者心臟病的預(yù)防和臨床檢查有很大的參考價值。通常醫(yī)院使用的心電圖儀設(shè)計思路都是通過微機(jī)串并口將心電監(jiān)測裝置記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，缺點是其體積一般較大，質(zhì)量重，不具備便攜性。近年來出現(xiàn)的藍(lán)牙技術(shù)[3]，可以較好地解決數(shù)據(jù)傳輸問問題，將傳統(tǒng)的有線傳輸轉(zhuǎn)化為無線傳輸，為產(chǎn)品提供良好的便攜性。同時，藍(lán)牙的傳輸效率可以達(dá)到每信道721kb每秒[4]，符合一般的心電檢測信號數(shù)據(jù)的通信要求，彌補(bǔ)過去因采集傳輸模塊的信道數(shù)量少，和處理機(jī)的數(shù)據(jù)交換速度慢，采集系統(tǒng)體積龐大、價格昂貴等缺點。而近年來，可穿戴設(shè)備數(shù)量逐年增長，個人醫(yī)療設(shè)備也將向小型化、智能化發(fā)展[5]。醫(yī)療設(shè)備變得越來越智能有利于個人小型醫(yī)療設(shè)備的普及，并且使得設(shè)備的使用方法更為簡便，有利于老年人和兒童用戶的使用。另外，現(xiàn)如今移動互聯(lián)網(wǎng)的普及和網(wǎng)絡(luò)傳輸速度不斷提高，個人智能醫(yī)療設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)接入到未來的云醫(yī)療系統(tǒng)中，個人醫(yī)療數(shù)據(jù)能夠上傳到服務(wù)器，這將大大促進(jìn)醫(yī)療資源的共享范圍，對心臟類疾病的治療提供更好的方法。我國的3G、4G通訊網(wǎng)路也已經(jīng)越來越成熟，這為智能醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展提供了可能性。因此，該款基于藍(lán)牙的心電便攜式采集設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用空間和市場需求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析1.2.1我國研究現(xiàn)狀分析我國的心電記錄儀得到質(zhì)的發(fā)展是在1978年4月引進(jìn)Holter監(jiān)測技術(shù)開始的[6]。一方面，從以前的磁帶式記錄儀器轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在比較先進(jìn)，更加有有利于保留的固態(tài)式記錄的儀器；另一方面，升級后的十二導(dǎo)聯(lián)代替原來的單導(dǎo)和雙導(dǎo)心電記錄系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的進(jìn)步，電子技術(shù)已深入到我們生活的各個領(lǐng)域，人們的需求不斷提高，從而設(shè)計這個便攜式心電采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以全天記錄心電活動的過程，在不影響正常生活的衣食住行中，記錄這不同狀態(tài)的心電活動變化情況。研究表明，這種心電記錄儀不僅可以檢測出常規(guī)心電圖發(fā)現(xiàn)的疾病，甚至可以檢測出常規(guī)心電圖很難檢測出的疾病，例如心律狀態(tài)異常和心肌缺血等。同時，這對分析病人的心臟狀態(tài)、心臟疾病確診和研究治療效果等提供了重要的參考資料。而在不久的將來，這種技術(shù)將會成為我國動態(tài)監(jiān)護(hù)設(shè)備的發(fā)展方向。圖1-1便攜式心電監(jiān)護(hù)儀我國不能夠大范圍的推廣便于攜帶的心電監(jiān)護(hù)儀（如圖1-1所示）的原因，有以下幾個方面[7]：心電監(jiān)護(hù)儀所能記錄的心電信息過于簡單：醫(yī)生從中不易得到患者完整的心電信息，因此不能全面了解患者的實際情況，從而會影響醫(yī)生對心臟疾病的診斷，由此而造成診斷率的下降；價格昂貴：便攜式監(jiān)護(hù)儀的價格比普通監(jiān)護(hù)設(shè)備的價格高昂很多，一般的患者難以承受幾千甚至上萬的費用，這也是便攜式心電監(jiān)護(hù)儀不能普及的原因之一；參數(shù)不夠完善：便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的各種參數(shù)，例如立即性、質(zhì)量、耗電量、智能化程度等性能還沒那么完善，用戶利用設(shè)備進(jìn)行檢測時會遇到很多麻煩。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀分析二十世紀(jì)初，心電圖機(jī)首次被公布于世[8]，荷蘭著名的科學(xué)家威廉·艾艾因特霍芬利用弦線電流計的獨特方式收集到人體的心電信號從而發(fā)明了該心電圖機(jī)。1957年美國科學(xué)家Holter制作了有史以來第一個動態(tài)心電圖設(shè)備。它不僅攜帶方便而且還可以隨時記錄心電活動的變化情況。這一創(chuàng)舉彌補(bǔ)了心電圖監(jiān)測時患者長時間無法移動的缺點，開辟了心電監(jiān)測的新領(lǐng)域。但是該設(shè)備不足之處在于，它只能記錄一次心電圖，但該結(jié)果具有偶然性，沒有說服力，所以需要對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，使其可以多次記錄并儲存。1961年由DelMar最先將Holter系統(tǒng)應(yīng)用于臨床，發(fā)達(dá)國家開始大規(guī)模地應(yīng)用該心電記錄儀。在20世紀(jì)80年代，在動態(tài)心電圖機(jī)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和發(fā)展了心電檢測設(shè)備以及運用更先進(jìn)的檢測技術(shù)，從而誕生了12導(dǎo)聯(lián)的測量方法。在2000年到2005年，美國投資了150億美元進(jìn)行研究遠(yuǎn)程的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在此期間，歐盟在相關(guān)研究領(lǐng)域的投資達(dá)到了17.5億美元。早期的遠(yuǎn)距離心電圖檢測系統(tǒng)，主要是通過電話的方式來傳輸心電信號，方法是由心電圖采集設(shè)備檢測ECG的活動情況然后變成音頻信號，再通過一個有線電話網(wǎng)將其發(fā)送到監(jiān)視部門，最終會再次轉(zhuǎn)換成心電信號，醫(yī)生便可在計算機(jī)上看到心電監(jiān)測的結(jié)果。圖1-2歐姆龍HCG-801心電圖儀日本歐姆龍推出的便攜式心電圖機(jī)HCG-801（圖1-2）在2005年的夏季市場開始推廣。該款心電圖儀器的電極有手指電極和胸部的電極，只要把手指放置在指電極上，而左胸直接接觸到胸腔電極，心電圖就可以被測量并在液晶屏上顯示，還會顯示出諸如“心臟速率較快，心率似乎有紊亂”和其它類型的信息，對患者進(jìn)行疾病的提醒，但是該儀器不能準(zhǔn)確做出診斷。它采用了心電圖噪聲消除技術(shù)，可以有效去除電氣噪聲、手腳和肌肉因運動，出汗等原因造成的漂移。設(shè)備的內(nèi)存可連續(xù)采集五次心電波形，通過心電儲存卡還可記錄采集時間。1.3 本章小結(jié)本章介紹了國內(nèi)外心電檢測設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，從國內(nèi)外的研究看來，心電檢測設(shè)備價格依然較為昂貴，顯示參數(shù)不足，因此具有廣大的發(fā)展空間，為順應(yīng)個人醫(yī)療設(shè)備智能化的趨勢，設(shè)計一款帶有藍(lán)牙技術(shù)的心電采集設(shè)備能有效地彌補(bǔ)如今采集系統(tǒng)體積大、價格高、患者使用操作復(fù)雜等缺點，填補(bǔ)了市場空白。第2章 心電信號檢測原理與電路設(shè)計2.1 心電波形產(chǎn)生原理概述心電圖能夠體現(xiàn)每個心動周期中，從竇房結(jié)產(chǎn)生的興奮按照一定的傳遞途徑和順序依次傳向心房和心室，從而造成心臟的跳動。引起人體心臟跳動的電信號來源、傳播和心臟電位興奮恢復(fù)過程中所發(fā)生的生物電波動情況可在人體上傳播，由于人體具有導(dǎo)電性，因此，周期性的去極化和復(fù)極化的這種不斷變化的心臟電流會流入人體的身體部位，但是因為每個身體部位接受到的電量不一樣，所以會產(chǎn)生電位差，這些電位差會導(dǎo)致心肌發(fā)生心肌收縮，這樣的收縮所產(chǎn)生的心臟活動能夠被心電檢測設(shè)備探測，只要把心電導(dǎo)聯(lián)電極片貼在皮膚的特殊位置，心電設(shè)備檢測這些電位變化可判斷心跳的頻率、節(jié)奏、心臟的興奮起源、興奮傳導(dǎo)過程和興奮傳導(dǎo)途徑有無異常心臟活動，再經(jīng)處理后記錄到特殊的記錄紙上，這樣能生成一種詳細(xì)的心電圖。心電圖中QRS波群是心臟的細(xì)胞除極而產(chǎn)生的，T波則反映了復(fù)極的過程。一個正常的心電圖所應(yīng)顯示的心電波形應(yīng)該包括P波、QRS波群和T波三部分。在心電圖中可以看出心臟所產(chǎn)生的電位變化情況有著一定的周期性，它的一個周期代表人體一次心跳所產(chǎn)生的心電變化情況。下面對心電波形（如圖2-1所示）的幾個組成部分進(jìn)行簡單說明[9]。P波：在心電波形中首先出現(xiàn)的一個小二圓鈍的波，即為P波，它體現(xiàn)的是心臟左、右心房的去極化過程，反映從心房開始除極至心室開始除極總共所需要的時間，P波的寬度一般為0.08~0.1秒，電壓不大于0.25毫伏。P-R段：是指P波起點到QRS波群起點之間的時段，起點表示心房除極完畢，終點表示心室除極開始，從中可以測量到心房P-R段反映興奮通過心房后向房室交界處傳導(dǎo)至心室過程中的電位變化，但是這一過程電位的變化微弱，一般記錄不到電位的改變P-R段的持續(xù)時間一般大概是0.12-0.20秒。圖2-1心電波形的形成QRS波群：這個波群可以反映左、右心室的去極化進(jìn)程，在這期間，心臟電位的沖動會先到達(dá)到心室間隔的左側(cè)面，從間隔的里層朝著外層依次傳導(dǎo)。伴隨著心室的不同位置的按一定順序除極而產(chǎn)生的三個波形叫做QRS波群。典型的QRS波包括三個緊密連接的心電波形，分別是幅值最開始下降的Q波，接著是幅值突然大幅上升的R波，然后是幅值迅速降低的S波，但是并非所有心電導(dǎo)聯(lián)測量到的心電波形都會包含QRS波，一般來說，QRS波群大約會持續(xù)0.06-0.1秒[10]。ST段：指的是在QRS波群結(jié)束之后和T波產(chǎn)生前時期線段，在這期間，心室進(jìn)入了較為平緩的復(fù)極時期，所以此時心電幅度變化較小，通常情況下這個波形會和時間軸處于水平狀態(tài)，相對于上一個波群結(jié)束后向下的偏移量不大于0.05毫伏向上的偏移量不大于0.1。T波：是指緊接著QRS波群的是一個幅值變化比較平穩(wěn)的稍微朝上增加的波，體現(xiàn)此時心室狀態(tài)正在向復(fù)極狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這個波形存在的時間比較長。心室的復(fù)極化是指，心室細(xì)胞膜的電位慢慢地由外壁的負(fù)電位變?yōu)檎娢唬?xì)胞膜內(nèi)壁的電位又慢慢變成負(fù)電位[11]，這個階段的電位變化與心肌肌細(xì)胞的活動相連，這個期間心臟的電位變化較小，因此在心電波形就會顯示持續(xù)時間較長但變化平緩的波形。T波存在的時間在0.05~0.25秒左右。U波：在上一個波形結(jié)束之后再經(jīng)過大約0.02-0.04秒的時間，心臟會產(chǎn)生一個的較寬但是幅值大多都小于0.05毫伏的波形，持續(xù)時間大概有0.20s，通常情況下這個波形是因為心室舒張期間不同部位產(chǎn)生的負(fù)電流組成的[12]。2.2 心電導(dǎo)聯(lián)體系和發(fā)展歷程介紹在人體皮膚上使用心電電極和導(dǎo)聯(lián)線來采集心電信號只是心電圖形成的第一步。心電導(dǎo)聯(lián)表示在采集心電活動情況時，使用特定材質(zhì)制造的線材和貼在人體皮膚表面指定的檢測部位(正極端)與參照部位(負(fù)極端)的電極片和接地部位的連接方法。通過導(dǎo)聯(lián)線設(shè)備能夠探測到心臟的電位變化，該變化可以被Holter和遠(yuǎn)距離心電監(jiān)控等設(shè)備記錄;使用十二導(dǎo)導(dǎo)聯(lián)線來檢測可以更加整體地體現(xiàn)心臟電位變化的狀態(tài)，這種導(dǎo)聯(lián)連接方式主要用于做常規(guī)靜態(tài)心電圖檢查。1906年，荷蘭科學(xué)家威廉·愛因托芬創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)雙極肢體導(dǎo)聯(lián)[13]即為為在心電檢測過程中最常用的I、II、III導(dǎo)聯(lián)I導(dǎo)聯(lián)為體表電極連接左臂(+)和右臂(-)；II導(dǎo)聯(lián)為體表電極連接右臂(-)和左腿(+)；III導(dǎo)聯(lián)為體表電極連接左臂(-)左腿(+)1932年，路易斯和威爾遜創(chuàng)建了單極胸前導(dǎo)聯(lián)，即為胸導(dǎo)，該導(dǎo)聯(lián)體系共有六個體表電極，名稱分別為V1,V2,V3,V4,V5,V6。V1位于胸肋骨右側(cè)邊緣第四肋間隙（第四肋骨至第五肋骨間；V2位于胸肋骨左側(cè)邊緣第四肋間隙（第四肋骨與第五肋骨之間；V3位于置于V2和V4導(dǎo)聯(lián)中間；V4位于第五肋間隙與鎖骨中線的交點處；V5與V4導(dǎo)聯(lián)水平，位于與腋前線的交點；V6與V5導(dǎo)聯(lián)水平，位于腋中線交點1942年，戈德伯格科學(xué)家創(chuàng)建了加壓單極肢體導(dǎo)聯(lián)[14]。aVR導(dǎo)聯(lián)為右右手上臂(+)和左手上臂與左腿下肢(-)的中點連接；aVL導(dǎo)聯(lián)為左手上臂(+)和右手上臂與左下肢(-)的中點連接；aVF導(dǎo)聯(lián)為左腿下肢(+)和右手上臂與左手上臂(-)的中點連接本系統(tǒng)的設(shè)計采用修正的五電極導(dǎo)聯(lián)體系如表2-2以及圖2-3所示，采電極位置標(biāo)號胸骨右側(cè)鎖骨中線第一肋間的空隙RA右側(cè)鎖骨中間位置劍突水電極位置標(biāo)號胸骨右側(cè)鎖骨中線第一肋間的空隙RA右側(cè)鎖骨中間位置劍突水平處RL胸骨左側(cè)第四肋間空隙V胸骨左側(cè)與鎖骨中線第一肋間的交點LA左鎖骨中線劍突水平處LL表2-2電極位置與標(biāo)號圖2-3人體電極位置2.3 心電信號檢測電路硬件設(shè)計要求心臟在活動的過程中，能夠自發(fā)生成特定性興奮電流的細(xì)胞即心肌自律細(xì)胞。比如竇房結(jié)、浦肯野細(xì)胞就會產(chǎn)生生物電流，這個電流在人體表面的各個部位所產(chǎn)生的電動勢也不同，通過電極連接人體皮膚表面的特定位置，通過導(dǎo)聯(lián)線采集信號所形成的電動勢的變化情況并記錄就成為心電圖[15]。心電信號的頻率一般為0.05赫茲至100赫茲，幅度在10V~5mv左右。心電信號的幅度很弱小，而且常常摻雜有人體的肌電雜波信號以及來自外部的電流雜波。在心電信號提的過程中比較不容易完成的是在如此多外界干擾中采集微弱的信號，這也是心電信號采集設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵點之一。本文的系統(tǒng)能順從市場的發(fā)展前景，將采集設(shè)備的體積做得足夠小，并且采用了低壓供電系統(tǒng)，能較好地保護(hù)使用者的安全。通過采集位于人體左臂、左腿、右臂、右腿以及胸導(dǎo)聯(lián)電極的心電信號。本系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)具有醫(yī)療專用設(shè)備的特性，同時又需考慮到使用者為家庭用戶，所以除了儀器設(shè)計需科學(xué)性和先進(jìn)性之外，還應(yīng)考慮到安全性。對儀器的體積，價格，性能，操作方法都應(yīng)考慮到使用者的需要。本文設(shè)計的心電采集模塊作為家庭個人醫(yī)療設(shè)備，應(yīng)便于不了解專業(yè)設(shè)備操作方法的人員進(jìn)行使用，同時又可以為專業(yè)醫(yī)生提供可靠的檢查結(jié)果，而且利于醫(yī)生對患者做出診斷，所以本系統(tǒng)的總體設(shè)計要求如下：設(shè)備應(yīng)對人體無損傷，方便非專業(yè)醫(yī)生人員進(jìn)行使用；高度智能化和自動化，即使出現(xiàn)操作失誤也不會對使用者造成嚴(yán)重傷害；體積和質(zhì)量都用做到便于攜帶和保存。在整個系統(tǒng)中，心電信號的采集模塊非常重要，信號的好壞也取決于此，因此采集電路的設(shè)計應(yīng)兼顧性能與穩(wěn)定性。本文系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2-4所示：圖2-4系統(tǒng)框圖從圖2-4可以看出，采集電路主要由以下幾個部分組成：采集電極、保護(hù)電路、信號緩沖電路、導(dǎo)聯(lián)差分電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。放大以及濾波電路的設(shè)計將會影響心電信號采集的質(zhì)量，所以一定要嚴(yán)格要求放大器的各項參數(shù)。心電檢測電路從人體的體表檢測到電位變化，通過放大、濾波和將模擬的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的芯片后，經(jīng)過ARM7內(nèi)核的LPC2138處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送至藍(lán)牙通信模塊，數(shù)據(jù)被主機(jī)接收后即能顯示出波形。2.4心電檢測電路設(shè)計2.4.1保護(hù)和濾波電路在臨床上，心電電路除了單獨用于檢查心電以外，還可能要與其它醫(yī)療設(shè)備同時使用，例如高頻電刀、除顫器等，在家庭使用時還可能有其他用電器也同時使用，這些電器的輸出均為高電壓；而且在使用時人體還有可能產(chǎn)生靜電，為了防止對芯片造成損害以及保證電路安全正常運行，在導(dǎo)聯(lián)輸入前級采用過壓保護(hù)，如圖2-5所示。D1002 1+7V -7V3輸入 R105 R106 輸出LP101

C103圖2-5保護(hù)和濾波電路圖2-5中，LP101為R075XA陶瓷氣體放電三極管，三極管擁有兩個端電極a、b，和兩個瓷管。三極管管內(nèi)用惰性氣體填滿管子的內(nèi)部，陶瓷氣體放電管組成高壓保護(hù)單元，能夠抵抗75V（正負(fù)20%）的電壓沖擊和5KA沖擊電流。當(dāng)加載在三極管的電壓超出其保護(hù)的額度值時，三極管內(nèi)會自動短路，并“吸收掉”會造成危險的電壓，從而防止后級電路和使用者出現(xiàn)事故。雙開關(guān)二極管D100內(nèi)部有兩個二極管，D100的2端和1端分別加上7V電壓，當(dāng)3端的電壓大于+7V或者小于-7V時，其中一個二極管將會近似短路，電壓將會被限制。相反，當(dāng)3端電壓在-7V~+7V之間時，兩個二極管均截止近似開路，電壓通過R106到后級。所以，D100的作用是將3端的電壓限制在-7V~+7V之間。R105和C103構(gòu)成RC低通濾波電路，當(dāng)有高頻（如1MHz）雜波信號干擾時，此時高于低通截止頻率，雜波信號會經(jīng)過C103近似短路到地，得以濾除。2.4.2緩沖電路輸入緩沖器采用電壓跟隨器電路，能夠避免人體與導(dǎo)聯(lián)電路的直接相連接。在圖2-6中，心電信號輸入到U101A即LF44F低功耗四通道精密放大器中，該放大器和LM148放大器具有相同的帶寬、頻率、增益，并且只需有其四分之一的供電電流即可正常工作。U101A構(gòu)成的其中一路緩沖放大器，它具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，增益為“1”的特性。設(shè)置緩沖放大器的第一個優(yōu)點是能夠提高放大器的輸入阻抗，防止導(dǎo)聯(lián)與人體皮表接觸時所產(chǎn)生的電阻而引起的信號衰減，提高采集心電信號時的共模抑制比和心電描記幅度，另一方面，設(shè)置緩沖器電路耗能提供較低的輸出阻抗可確保有效地驅(qū)動后級導(dǎo)聯(lián)電路工作。-7V

C1202輸入 3

114+7V

1 輸出U101AC121圖2-6緩沖器電路2.4.3 心電導(dǎo)聯(lián)差分放大電路導(dǎo)聯(lián)檢測電路采取了優(yōu)化的五電極導(dǎo)聯(lián)體系。用電極片貼在人體表面的任何兩個地方上再用特制的導(dǎo)線分別于與心電圖機(jī)的正端和負(fù)端連接，便可觀察體表兩處心電電位的活動情況。在人體的任意三個肢體上安置電極，由于人體左邊的肩膀和右邊肩膀以及臀部離心臟的距離類似相等，因此在人體表面上假想出一個等邊三角形，心電信號從心臟出來后，能夠迅速均勻地在體腔傳播，LA、RA和LL三點形成一個等邊三角形，即“愛氏三角”，如圖2-7所示，同時，假設(shè)心臟產(chǎn)生的電偶向量位于此等邊三角形的中心。RA I LARA--

I +LA-

II IIIII III+ +LL LL圖2-7愛氏三角示意圖在電路中，LA和RA差分放大為導(dǎo)聯(lián)I，如圖2-8（a）所示，RA、LA、LL和V差分放大為胸導(dǎo)聯(lián)，如圖2-8（b）所示。CB1 CB2R124 R125 R126 R127-7V

C13442 61 7 Ⅰ導(dǎo)聯(lián)RA 3LA

8+7V

U103AC135

5 U103B（a）CB7 CB8R157 R158 R159 R160RA R121LA R122LL R123V

-7V4238+7V

C1441U106AC145

67 胸導(dǎo)聯(lián)V5 U106B（b）圖2-8心電導(dǎo)聯(lián)電路（a）I導(dǎo)聯(lián)電路（b）胸導(dǎo)聯(lián)電路2.4.4濾波放大電路因為心電信號的幅度比較小而且具有一定的周期性，在心電的檢測期間會被環(huán)境電氣、患者的肌電等方面的影響，而且信號中常常伴隨著頻率為50Hz的工頻干擾，所以要精確檢測心電信號需要設(shè)計獨特的電路對采集到的信號濾除不相關(guān)的波形，并設(shè)計合適放大倍數(shù)的電路對其放大，然后再經(jīng)過帶通濾波電路后才得到0.05Hz-100Hz心電信號。如圖2-9所示，經(jīng)過差分放大器后的II導(dǎo)聯(lián)信號，再經(jīng)過R139和C139組成的RC濾波電路后，流入帶通濾波器，通頻帶設(shè)置在0.05Hz-100Hz之間，然后經(jīng)過U108A和后級緩沖器電路輸出。R176

C177R177R139

R140

C173

6R173

-7V4

R1897

緩沖器

Ⅱ輸出Ⅱ輸入

帶通濾波器

5 U108A8

C189C139

+7V圖2-9濾波放大電路2.4.5 右腿驅(qū)動電路在檢測的過程中，患者如果直接接地可能會導(dǎo)致患者觸電，從而對患者造成傷害，所以需要防止人體的直接接地。但是假如在信號檢測的過程中，由于人體的電容影響，在患者身上可能會產(chǎn)生很大的共模信號，這些干擾會影響心電圖的準(zhǔn)確度，在沒有質(zhì)量良好的濾波放大器的條件中，人體接地又是降低該信號影響的最直接方法。所以，為了消除這種干擾信號，需要設(shè)計一款在防止共模信號對檢測結(jié)果造成影響的同時可以避免患者直接接地的電路。如圖2-10所示的電路即可實現(xiàn)這一目的。圖中放大器，可以檢測50Hz的頻率干擾，將該干擾信號給患者，從而消除不必要的信號。信號在經(jīng)過兩個20KΩ的等值電阻后，可以計算得到交流共模信號的平均值，這個平均值有利于針對性地對信號進(jìn)行處理，然后經(jīng)過數(shù)字控制模擬開關(guān)后再流入右腿驅(qū)動電路對信號進(jìn)行反相放大，通過限流電阻R120把信號接入右腿電極，該電路能夠避免工頻影響，提高共模抑制比，在人體和大地的電位差超過一定額度的時候，運算放大器會打到飽和狀態(tài)，從而后級電路發(fā)生危險。圖中輸入信號LLB、LAB、RAB是經(jīng)過緩沖器后的心電信號。RA132LLBLABLLBRABLABRAB

R119R118R117R116R115R114

數(shù)字控制RA113模擬開關(guān)

RA111CA10342 38CA104

-7V+7V

CA1051U109A

R120 RL圖2-10右腿驅(qū)動電路2.5模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計在獲取了心電的模擬信號后，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能讓MCU對其處理，又由于需對七路信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用了AnalogDevice公司的AD7327芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。這款A(yù)D7327模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片具有8個轉(zhuǎn)換通道，十二位帶符號，雙極型，采用了連續(xù)逼近型Analog-to-DigitalConverter設(shè)計。與采用傳統(tǒng)CMOS工藝相比，采用iCMOS工藝組件可以輸入雙極性信號，具有4個可調(diào)電源輸入范圍：±10V，±5V，±2.5V以及0V至+10V。其內(nèi)部具有2.5V的參考電壓，也可以使用外部參考電壓進(jìn)行操作。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每個模擬信號輸入端都能被獨立編程，同時還能更高的性能，大幅降低功耗，擁有更小的封裝尺寸。圖2-1所示為本系統(tǒng)模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字的電路設(shè)計圖。圖2-1模數(shù)轉(zhuǎn)換電路2.6 本章小結(jié)本章主要通過敘述心臟活動電位的產(chǎn)生部位，以及一個完整心電波形的各個階段的主要區(qū)分方法和主要特征，闡述了心電信號采集的生理基礎(chǔ)；介紹了心臟導(dǎo)聯(lián)創(chuàng)立的發(fā)展歷程，只有了解這些歷程才能更好地設(shè)計心電采集系統(tǒng)。介紹了心電的波形特征以及硬件要求，展示了系統(tǒng)框圖。設(shè)計了心電檢測電路，因檢測時可能會受到環(huán)境等其他信號的干擾，因此又設(shè)計了濾波電路和右腿驅(qū)動電路。因為采集系統(tǒng)所檢測的心電信號為模擬信號，在考慮了系統(tǒng)的整體需求后，采用AD7327作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。第3章 MCU及電源電路設(shè)計3.1 MCU電路設(shè)計3.1.1 LPC2138特性LPC2138是經(jīng)常使用的嵌入式系統(tǒng)芯片，該芯片具有實時仿真的優(yōu)勢，和32位ARM7處理器的跟蹤，他在保證了性能的同時又能使系統(tǒng)更節(jié)能，因為它的結(jié)構(gòu)相比于復(fù)雜指令集來說得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，精簡指令集原則的使用使得相關(guān)的解碼機(jī)更為優(yōu)化[16]，大大縮短了解碼時間，因此不需要太昂貴的MCU就能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)要求。和以往的單片機(jī)一樣，MCU在工作時取指令、解碼、執(zhí)行指令可以同時進(jìn)行，MCU會在運行指令的期間一邊解碼即將運行的指令，而且還可以調(diào)出在存儲器中里面的指令。由于采用了128位的接口以及優(yōu)化了的結(jié)構(gòu)能夠提高指令在較高波特率時的執(zhí)行速度3.1.2 LPC2138電路設(shè)計MCU控制電路能夠采用來自外部的晶振或者外部的時鐘源，內(nèi)部的鎖相環(huán)路能夠控制系統(tǒng)運行頻率，從而加快系統(tǒng)的運行。如果無需用到芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)和ISP的話，那么片外的時鐘頻率可調(diào)整到1Hz-30MHz，如果需要這兩個電路，片外晶時鐘頻率可設(shè)為10Hz-25MHz。在控制電路設(shè)計中，選取14.7456MHz的片外晶振作為系統(tǒng)的振蕩器，電路圖3-1中的Y403晶體振蕩器與C1電容和C12電容組成的電路可使串口的波特率更精確，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖3-1PC2138控制模塊3.1.3 看門狗電路設(shè)計在MCU的運行過程中，可能會因為某些原因引起的干擾，導(dǎo)致程序運行不正常從而進(jìn)入死循環(huán)，即程序跑飛。這將會導(dǎo)致MCU停留在奔潰的代碼中，而且不能調(diào)整到正常的運行情景。因此為了系統(tǒng)的正常工作，本系統(tǒng)采用了具有獨特功能的復(fù)位集成電路。這款能夠在處理器運行不正常時向處理器發(fā)送特定的信號就叫做看門狗系統(tǒng)，這個信號能夠?qū)⑻幚砥鲝?qiáng)制復(fù)位，從而避免了系統(tǒng)陷入死循環(huán)但不會自動復(fù)位的狀態(tài)。本設(shè)計使用的看門狗復(fù)位系統(tǒng)采用了SP706REN模塊，如圖3-2所示，能夠當(dāng)MCU停滯的情況下而自動發(fā)出復(fù)位脈沖，能夠滿足處理器無需人工監(jiān)控就能正常運行的要求。其工作原理是SP706REN模塊的6腳和MCU的WDT端口連接，在軟件中令MCU周期性地向復(fù)位模塊的6腳上發(fā)出高電位信號，假如MCU的程序運行不正常并且進(jìn)入了死循環(huán)狀態(tài)，如果沒有人工干預(yù)，處理器是不會自動調(diào)整恢復(fù)的，在這個時候，看門狗電路則起到了保護(hù)程序正常運行的作用，它因為無法接收MCU的高電平脈沖則會向處理器的RST端口傳送低電平信號，強(qiáng)制MCU的程序重新恢復(fù)到最初狀態(tài)，這樣便實現(xiàn)了單片機(jī)的自動復(fù)位。圖3-2看門狗電路模塊3.1.4JAG接口設(shè)計圖3-3JAG接口設(shè)計為了方便芯片的調(diào)試，雖然調(diào)試接口不是控制系統(tǒng)的必需接口，但是設(shè)計該接口可以在線調(diào)試系統(tǒng)，在調(diào)試的過程中可以更方便的操作。通過這個接口利用開發(fā)軟件可以對芯片的FLASH存儲區(qū)進(jìn)行編碼，從而無需在生產(chǎn)期間對芯片進(jìn)行預(yù)編程，大大加快了研發(fā)速度。圖3-3為本系統(tǒng)的JAG的接口設(shè)計。3.2電源模塊設(shè)計3.2.112VDC/DC電源設(shè)計本系統(tǒng)采用了12V輸入電壓設(shè)計，由于放大器需要7V電壓才可以正常工作，而單片機(jī)的正常工作電壓為3.3V。本系統(tǒng)采用了金升陽12VDC-DC電源模塊。如圖3-4所示。將從電源適配器的直流12V電壓轉(zhuǎn)換為12V。由于本設(shè)計中具有模擬電路，對電源波紋的抑制要求很高，因此在電源外圍電路設(shè)計中，添加了電容進(jìn)行濾波。為防止數(shù)字部分對模擬部分的影響，在電源電路的研發(fā)中需要將模擬GND與數(shù)字GND隔離，避免干擾的產(chǎn)生。圖3-412VDC-DC電源模塊3.2.2+5V與+7V穩(wěn)壓電路經(jīng)過優(yōu)化后的電源，由于電壓仍然為12V所以還需要將其轉(zhuǎn)換為+5v和+7V的，為后面的心電放大部分和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片提供正常工作所需的電源。如圖3-5所示，圖3-5+5V與+7V穩(wěn)壓電路在該穩(wěn)壓電路的設(shè)計中，采用了LM17與LM317壓差電壓穩(wěn)壓器，可提供電流限制和過熱保護(hù)。在輸出端的電容對于保持輸出電壓的穩(wěn)定性起著重要的作用，由于使用鉭電容，能有效提高了回路的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。3.2.3 -5V與-7V穩(wěn)壓電路如圖3-6所示，本系統(tǒng)設(shè)計采用了TS79M08與79L05為系統(tǒng)提供負(fù)穩(wěn)壓電源。這一系列的固定負(fù)電壓集成電路電壓穩(wěn)壓器應(yīng)用廣泛，它可以消除噪聲和解決單點連接所帶來的問題。其內(nèi)部的限流保護(hù)和過熱關(guān)斷功能可以有效避免超載。圖3-6-5V與-7V穩(wěn)壓電路3.3 本章小結(jié)這章主要描述本設(shè)計中的中央處理器和供電設(shè)計電路。MCU是本系統(tǒng)設(shè)計的核心，因此，保證MCU正常工作運行對本系統(tǒng)的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，因此，在設(shè)計中加入了看門狗電路以防止程序出錯從而導(dǎo)致了系統(tǒng)陷入死循環(huán)；然后介紹了系統(tǒng)供電電路設(shè)計，只有具有穩(wěn)定的電源供電系統(tǒng)才能為系統(tǒng)的運行提供保證。第4章 藍(lán)牙無線模塊設(shè)計4.1 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙（Bluetooth）無線技術(shù)[17]，這種技術(shù)一般運用在短途的數(shù)據(jù)傳輸輸中，本系統(tǒng)利用了藍(lán)牙的透傳功能，從而達(dá)到不需要連接線的效果的同時又能保證數(shù)據(jù)正確傳輸，可以減少使用實體的數(shù)據(jù)線。設(shè)計中使用的藍(lán)牙模塊在2.G赫茲頻率，藍(lán)牙的工作最大帶寬為一兆比特每秒，經(jīng)實際檢測，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速度最快為721Kb/S，理論上連接距離超過十米時藍(lán)牙可能會發(fā)生斷線或丟包的情況。自從藍(lán)牙被發(fā)明以來，這種新型的無線技術(shù)一直被看好，各種需要無線連接的領(lǐng)域都大規(guī)模使用藍(lán)牙作為無線模塊，因此藍(lán)牙被運用在智能汽車、智能家居、計算機(jī)和手機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸中。由于藍(lán)牙具有低成本、低功耗的特性，所以藍(lán)牙技術(shù)的大范圍使用將使得各種設(shè)備的連接更加便捷與高速，甚至還可通過藍(lán)牙協(xié)議將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)中，從而大大拓展了藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)連接的應(yīng)用范圍。4.2 藍(lán)牙協(xié)議藍(lán)牙核心協(xié)議是由各大通信商通過研究后共同約定的藍(lán)牙專用協(xié)議組成?，F(xiàn)如今，我們所使用的藍(lán)牙通訊模塊都要使用到藍(lán)牙的Core協(xié)議，這個通訊協(xié)議主要約定了藍(lán)牙通訊中的細(xì)節(jié)。除此之外的協(xié)議要面向?qū)嶋H的情況來制定，例如Profiles則限定了組成藍(lán)牙的協(xié)議棧，這樣就為全球兼容性打下了基礎(chǔ)，下面闡述藍(lán)牙的常用協(xié)議?；鶐f(xié)議是指藍(lán)牙的BB協(xié)議[18]以及鏈路控制協(xié)議（LC）能夠保證藍(lán)藍(lán)牙通訊中的設(shè)備的連接的穩(wěn)定而不會造成多個設(shè)備共同擠占一個頻道的情況出現(xiàn)，從而確保了連接的質(zhì)量。當(dāng)藍(lán)牙在發(fā)送數(shù)據(jù)的期間，藍(lán)牙的基帶會把來上層收到的數(shù)據(jù)通過對其信道進(jìn)行編碼的方式，將信號傳輸?shù)缴漕l模塊從而把數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮辗?；藍(lán)牙在接收數(shù)據(jù)的時候，與發(fā)送數(shù)據(jù)的方法相反，藍(lán)牙能夠把下層收到的數(shù)據(jù)上傳給基帶，然后藍(lán)牙的基帶會對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼并發(fā)送到上層。連接管理協(xié)議主要管理各個使用藍(lán)牙通信的設(shè)備的連接。管理設(shè)備的連接狀態(tài)例如激活模式、休眠模式、保持模式等。并且管理設(shè)備的基帶的分組，包括接入碼、分組頭、有限負(fù)荷。邏輯鏈路控制適應(yīng)協(xié)議是藍(lán)牙基帶的高層協(xié)議，藍(lán)牙鏈路管理器接收到高層的控制信息后，不是向自身的基帶部分分發(fā)控制信息，而是與另一臺設(shè)備的鏈路管理器進(jìn)行協(xié)商管理。服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議在藍(lán)牙的連接中起到了關(guān)鍵的作用，這個協(xié)議主要用于設(shè)備連接時的搜索設(shè)備上。通過該協(xié)議可以查詢到設(shè)備的類別以及設(shè)備所能提供的服務(wù)種類，從而建立起設(shè)備的連接。串口線仿真協(xié)議可以在藍(lán)牙的基帶協(xié)議上模擬出RS-232信號，做到使用藍(lán)牙仿真串口線的功能。這也是本系統(tǒng)所使用的主要協(xié)議，它還能對使用串口通信的設(shè)備提供服務(wù)。4.3MCU與藍(lán)牙模塊通信本系統(tǒng)的設(shè)計相比于其他心電采集系統(tǒng)最主要的優(yōu)勢就是采用了無線設(shè)計，系統(tǒng)的各個部分之間用無線藍(lán)牙代替了傳統(tǒng)的串口線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在對比了各個無線通信方法后，最終選用了藍(lán)牙作為無線傳輸系統(tǒng)。利用藍(lán)牙的電纜替代協(xié)議，數(shù)據(jù)在主機(jī)和心電采集電路板通過藍(lán)牙進(jìn)行傳輸。4.3.1藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸可行性分析通常，人體的心跳頻率大概為每分鐘五十至七十次，心跳頻率理論上為1Hz上下。所以，在測量時應(yīng)選取較高的采樣率才能保證心電圖采集的質(zhì)量，但是，較高的采樣頻率所帶來的缺點是會產(chǎn)生過多的數(shù)據(jù)，而且藍(lán)牙的速度達(dá)不到傳輸大量數(shù)據(jù)的要求。所以，本設(shè)計設(shè)置了采樣率為250赫茲。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為7通道，系統(tǒng)采樣所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)每秒大概279字節(jié)，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中還需加上藍(lán)牙通信中的信息，所以系統(tǒng)所產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)為每秒450字節(jié)。要滿足本設(shè)計要求，首先藍(lán)牙的協(xié)議應(yīng)能為此提供足夠的支持。由于本系統(tǒng)采用了藍(lán)牙電纜替代協(xié)議，這個協(xié)議能夠提供波特率為38400赫茲的通信，能夠符合數(shù)據(jù)傳輸所需要的要求。4.3.2藍(lán)牙模塊選用本系統(tǒng)所使用的藍(lán)牙通訊模塊為LM01，該藍(lán)牙擁有CSR公司推出的一塊BlueCore4-Ext芯片，該模塊使用了藍(lán)牙V2.1版本。模塊能夠使用UAT、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，最關(guān)鍵的是能夠使用藍(lán)牙的SPP協(xié)議，而且價格便宜，集成度高，還有低功耗的優(yōu)勢。藍(lán)牙模塊已經(jīng)開發(fā)完畢，不需要對模塊內(nèi)部進(jìn)行二次開發(fā)，便于使用。4.3.3T指令介紹本設(shè)計使用的LM-01藍(lán)牙能夠工作在兩種狀態(tài)，第一種為指令狀態(tài)，這需要在模塊進(jìn)入透傳前才能用下表所示的T指令對其進(jìn)行控制，使用者可以通過有線連接的方式對藍(lán)牙的屬性進(jìn)行配置，同時也可以控制藍(lán)牙的工作方式，例如是否自動搜索、連接到指定地址、藍(lán)牙主從模式設(shè)定等；在另一種即工作在透明傳輸?shù)臓顟B(tài)下，模塊能夠進(jìn)行搜索，檢測附近的藍(lán)牙從模塊并建立連接，或者連接到指定的藍(lán)牙地址，在該狀態(tài)中，藍(lán)牙忽略所有指令，即使發(fā)送了控制指令，藍(lán)牙也會將該指令當(dāng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，而且會按照已經(jīng)存儲在模塊內(nèi)的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行通信。因為系統(tǒng)使用的藍(lán)牙模塊可以根據(jù)需要對其工作角色手動指定。設(shè)置工作角色有兩種方法，第一種為硬件設(shè)置法，另一種為軟件設(shè)置法。在模塊上通過模塊的PI(4)口控制藍(lán)牙是否允許軟件設(shè)置法。如果這個接口被接到高電位上，則允許通過軟件對其進(jìn)行工作角色設(shè)置；如果接到了低電位，則只能通過硬件對其設(shè)置，用軟件發(fā)送T指令修改工作角色雖然會立即生效，但是重新上電后模塊又會進(jìn)入硬件所設(shè)定的角色。在硬件設(shè)置法中，通過藍(lán)牙上的另一個串口O)對其模式進(jìn)行設(shè)定。如果它被接到高電位上，那么藍(lán)牙會工作在主模式，此時只能搜索從模塊，不能被其他模塊搜索；若接到低電位上，藍(lán)牙工作在從模式，這時藍(lán)牙不能搜索其他模塊，只能等待連接。本設(shè)計所使用的藍(lán)牙采用了軟件設(shè)置法，將模塊設(shè)置為允許軟件配置，藍(lán)牙就可以接受下表T指令的控制。表4-1常用的T指令設(shè)置：功能T指令模塊應(yīng)答說明測試是否進(jìn)入T模式OK當(dāng)模塊返回時表明已進(jìn)入T模式模塊命名T+NAME<Para1>1.+NAME=<Para1>OK<Para1>：設(shè)備名稱T+NAME<Para1>2.ERROR=<Error_Code>命名成功則返回模塊名稱，否則返回錯誤代碼波特率設(shè)置T+BAUD<Para1>1.+BAUD=<Para1>OK2.ERROR=<Error_Code>設(shè)置成功則放回波特率代碼，否則返回錯誤代碼主從模式設(shè)置T+ROLE<Para1>1.+ROLE=<Para1>OK2.ERROR=<Error_Code>返回<Para1>：0---從設(shè)備1---主設(shè)備PN碼設(shè)置T+PIN<Para1>1.+PN=<Para1>2.ERROR=<Error_Code>返回<Para1>：配對碼4.3.4 藍(lán)牙與MCU連接設(shè)計中采用的藍(lán)牙模塊為串口類型的，可直接和藍(lán)牙連接，因此將藍(lán)牙的數(shù)據(jù)發(fā)送端（TDX）與數(shù)據(jù)接收端（RDX）和單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收端（RDX）和發(fā)送端（TDX）連接，地線（GND）和電源（VCC）與藍(lán)牙模塊上對應(yīng)的引腳連接好即可，同時應(yīng)設(shè)置好相應(yīng)的波特率，便可與MCU正常通信。藍(lán)牙模塊與MCU的連接示意圖如圖4-2所示圖4-2藍(lán)牙與MCU連接示意圖4.4 測試與實驗4.4.1 軟件應(yīng)用程序軟件方面采用了VC++編寫，主要的作用為將接收到的數(shù)據(jù)包解析，并且通過函數(shù)繪制出心電波形，采用精確的算法計算出心率，并且可以手動選擇濾波類型以及導(dǎo)聯(lián)的相關(guān)參數(shù)，界面美觀，操作簡便。軟件界面如圖4-3所示。圖4-3軟件界面4.4.2 藍(lán)牙配置將藍(lán)牙通過USB轉(zhuǎn)TTL下載器連接到PC上，打開串口調(diào)試工具，設(shè)置好主機(jī)相應(yīng)的串口號、波特率、奇偶校驗位即可對藍(lán)牙模塊進(jìn)行操作。通過T指令，對藍(lán)牙設(shè)置通信波特率為38400，數(shù)據(jù)位為8位，一位停止位，沒有奇偶校驗位。至此，藍(lán)牙的設(shè)置結(jié)束。此時可以看到藍(lán)牙正在進(jìn)行自動連接，如圖4-4所示。圖4-4藍(lán)牙連接4.4.3 數(shù)據(jù)通信等待藍(lán)牙配對并建立連接后，藍(lán)牙會進(jìn)入透傳狀態(tài)，這時通過串口調(diào)試工具對其進(jìn)行設(shè)置是無效的，此時藍(lán)牙即相當(dāng)于一條串口線，可通過其電纜替代協(xié)議通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)透傳。用串口調(diào)試工