这些小活动你都参加了吗?快来围观一下吧!>>
电子产品世界 » 论坛首页 » 综合技术 » 测试测量 » 一种基于GPRS的心电无线监护仪

共2条 1/1 1 跳转至

一种基于GPRS的心电无线监护仪

工程师
2013-09-29 15:47:43     打赏
介绍了一种基于GPRS的心电无线监护仪的设计原理。它以MSP430F449微控制器为核心,实现了 对心电信号的实时采集、分析及报警。当患者心电信号发生异常且无法解除报警时,它可以通过GPRS无线模块 以发送短消息的方式通知其家属,并拨打电话进行语音报警,这对为患者争取宝贵的时间,具有十分重要的意义。

心脏病是威胁人类生命与健康的最大顽疾, 其具有突发性、难预测、死亡率高等特点,因此对 患者的心电信号进行实时监测显得尤为重要? 。 大部分患者需要能随时提供心电监护的仪器,并 且使其工作和生活不会受到影响。基于这种转 变,无线心电监护系统的研究在近年来引起了国 内外的高度重视。例如李享元 等人研制的基于 GPRS的远程移动心电监护系统,Rune Fensli 等 人研制的无线便携式心电监护系统,Salvador 等 人研制了一种对于出院患者进行心电跟踪监护的系统。

由于大多数心电监护仪成本较高,操作复杂,不 宜在家庭中普及,因此,作者研制一种能够实时采 集、分析及报警的家庭心电监护仪,患者可以通过佩 戴一个便携式的仪器,对心电信号进行实时监测、分 析,并对心率失常情况给予诊断及报警,当患者在规 定时间(10s左右)无法解除此报警时,表明患者确 实突发心脏病,监护仪可以通过GPRS无线模块以发送短消息的方式通知其家属,并通过拨打电话进 行语音报警;此监护仪还可作为紧急医疗救助报警, 即当患者感觉不适,可按下求助键,自动拨通求助电 话,为患者争取宝贵的救治时间。系统操作简便,非 常适合患者在家中使用。

1 系统硬件结构及原理

通过电极从人体上取得的心电信号,经过模 拟放大电路的放大、滤波处理之后进入MSP430单 片机,利用单片机内部的ADC12转换模块对模拟信号进行模数转换,采样频率为200Hz,并且将采 集到的波形送到液晶显示器上显示。待波形稳定 后,每隔3 s进行一次ECG检波分析,得出实时心 率并显示,从而判断心率是否失常,如果产生心电 异常立即报警,当患者在一定时间内无法自己解 除报警时,启动无线报警模块以发送短消息的方 式通知其家属,并通过拨打电话进行语音报警。

1.1 核心控制单片机

该系统的微控制器采用的是TI公司最近推出 的超低功耗16位单片机MSP430F44X,适合手持设 备的应用,主要特点包括:1.8~3.6V的低电压工作 范围;有五种节电模式,从等待模式唤醒的时间不超 过6 s;16位的精简结构指令,高效的寻址方式,指 令时间周期仅为125as,大部分指令可在一个指令 周期内完成;器件片内有JTAG调试接口,无需仿真 器和编程器,方便设计者开发调试。其系统结构主 要包括:16位的CPU、程序存储器(ROM)、数据存 储器(RAM)、FLL+时钟系统(片内DC0)、看门狗 定时器(watchDog)、ADC12(12位A/D)、比较器A [精确的模拟比较器,常用于斜边(S10pe)A/D转 换]、复位电压控制/电源电压管理、基本定时器 (Basic Timer1)、定时器(Timer—A和Timer.B)、LCD 控制器/比较器(多达160段)、硬件乘法器、6个I/ 0端口和2个串行口[5 3。系列中各种具体的型号稍 有差别。在本次设计中,选用MSP430F449作为系 统的控制器。

1.2 心电采集模块

心电采集模块主要包括心电信号的采集、放大 滤波及电平提升电路,如图2所示。心电信号的采 集是通过电极从人体上取得心电信号,体表ECG一 般只有0.05—5mV,频谱范围在0.5~lOOHz,具有 微弱和易受干扰等特点。因此放大滤波电路采用高 输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置 放大,可以抑制零点漂移,增大输入阻抗,减少共模 信号干扰。带通滤波电路主要由高通滤波器和低通 滤波器组成,通频带为1~100Hz,滤除心电频率范围以外的干扰信号。主放大器将ECG信号进一步 放大到合适范围(1000倍左右)后,经过50Hz陷波 处理滤除工频干扰,进行电平提升后送人核心控制 模块MSP430F449。

1.3 液晶显示及键盘接口电路

本系统的人机交互功能是通过液晶显示器 (LCD)和键盘来实现,通过功能按键来选择菜单条 目,执行对应的功能。键盘的设计可分为独立按键 式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘使用按键与单片 机的I/O端口线直接连接,一般用于少量按键的情 况下,而矩阵式键盘适用于按键较多,I/O 口线相当 紧缺的场合。采用矩阵式键盘,如图3所示,键盘使 用P1.1~P1.7共7根口线12个按键,键盘为3×4 格局,P1.1、P1.2、P1.3为行线,P1.4、P1.5、P1.6、 P1.7为列线。列线分别由上拉电阻上拉到VCC,在 行线与列线的每个交界处有一个按键,按键的两端 分别接在行线和列线上。目前只用到4个按键,分 别为功能键、选择键、取消键及确认键,其余为今后 功能扩展所预留。

系统选用ZJMI2864点阵液晶显示器来显示采 集到的心电波形,并将计算出的实时心率和ECG检 测结果显示到液晶屏上。液晶显示器ZJM12864是 一个128×64的点阵液晶显示模块,STN黄绿模式, 可显示图形和文字。该液晶显示器通过控制器 KS0108B与MSP430F449单片机直接相连,接收 MCU的指令,完成显示功能。液晶显示器具有8位 标准数据总线,6位控制线以及电源线,其与单片机 的连接电路如图4所示。液晶显示控制模块中使用 RS,R/W,E,CS1,CS2作为与MSP430数据总线接 口的控制信号。RS是数据/指令控制信号,它控制存取的方式,可实现读写指令或接受数据。R/W 是 读写控制信号,高电平时液晶显示器工作在读模式, 低电平时工作在写模式。CS1、CS2是片选信号,高 电平有效,控制液晶的左右半屏显示。

1.4 无线通讯模块及串行接口

在本系统中,无线通讯模块采用的是西门子公 司的GSM/GPRS无线模块MC55,它是当今市场上 尺寸最小的三频模块,其紧凑型设计特别适用于便 携式设备。该模块体积小(5.5g),功耗低(峰值电 流450mA),控制简单,内置AT指令集、TCP/IP协 议。在单片机的控制下,利用现有的GSM 网络进行 信号的处理和传输,从而实现远程无线监护的目的。 MC55模块可以快速可靠地实现数据和语音传输、 短消息以及传真服务等无线通讯功能。它提供一个 50管脚的零插入(ZIF)连接器,该连接器中包括了 电源接口、串行接口、音频接口、SIM卡接口等几个 子接口,可以通过这些接口分别与SIM 卡座、天线 及主控制器相连。 实际使用过程中,通过相应的外围接口电路,可 将其做成一个相当于配备有SIM卡的短消息收发 器。

数据传输常用串行接口,MSP430F449内部含 有串行同步/异步通信模块,通过对寄存器的设置之 后,由硬件自动实现数据的移进和移出,完成串行通 信的功能,同时还能实现两种通信协议,即UART异 步通信协议和SPI同步通信协议。MSP430不同于 一般内置有串行通信模块的单片机,它可以通过对 寄存器的设置来调整波特率的小数部分,以便于产 生更精确的波特率。设计中采用UART协议,通过 一个RS232接口芯片SP3222E与MC55模块进行串 口通信,单片机通过发送AT指令来完成控制及两 者之间的通讯。当运行系统后,MSP430F449单片 机是首先通过对MC55模块进行编程,即对其进行初始化设置,系统通讯串El两端采用9600bps的通 讯速率,8位数据位,无奇偶校验,1位停止位的帧格 式。

2 系统软件设计

该系统的软件开发环境使用的是IAR公司为 MSP430单片机所设计的交叉编译器IAR Embedded Workbench,编译器能够产生可重入的代码。系统软 件采用C语言进行编写,采用模块化结构,便于今 后进一步扩展系统的功能。。 程序流程如图5所示。

2.1 心电信号采样转换子程序

MSP430单片机具有多种形式的A/D操作模 式,内部ADC12模块能够实现12位精度的模数转 换,具有高速和通用的特点。在使用上通过相应的 寄存器来选择系统电压AV 、AV 作为参考电压 源,设置采样保持寄存器来控制采样时间,采用单通 道多次转换模式,每次转换完成,转换结果存放在相 应的ADC12MEM0 中,由相应的中断标志位 ADC12IFG.0置位来标志转换结束。在主程序中首 先开启中断,当中断标志位置位时,将产生中断服务 请求,进入中断服务子程序。执行完中断服务子程 序后,中断标志位自动复位,系统返回中断前的状态。

2.2 液晶显示子程序

液晶显示子程序主要实现液晶显示控制器的初 始化设置、显示菜单以及心电波形等功能。 初始化包括清屏和初始化参数。由于本控制器 不带汉字库,所以液晶屏上显示的任何字符、汉字等 用户都必须自己建立点阵字模库,然后按图形的方 式进行显示。对需要显示的字符进行纵向和逆向取 模、编码和显示。

本系统采用16×16大小的点阵, 液晶屏上最多可以显示4行8列共32个汉字。当 显示菜单时,由程序将所要显示的汉字字模逐字节 地写入液晶显示区相应单元内,在液晶显示屏上显 示出相应的汉字。 波形的显示与汉字的显示方法有所不同,采用 描点的方法。LCD上横坐标表示时间,即为时间 轴,纵坐标为所要显示心电数据的幅值,心电波形的 显示采用每列画一个采样点的幅值,相邻两点间画 直线的方法实现。程序中将A/D转换存储器中的 数值按比例变换到液晶屏上的相应位置,然后向显 示RAM中写入字节数据,在液晶屏的指定位置显 示点,即显示出心电波形的幅值。

2.3 对无线通讯模块控制的子程序

单片机通过串口发送AT指令来实现与无线模 块MC55的通讯。AT指令最初由Hayes公司推出, 主要用于对调制解调器的控制,现在已经演化成为 一种标准,所有移动模块都支持AT指令。单片机 发出的AT指令用来建立通信链路,GSM 07.05规 范指令集提供的AT命令主要是实现短信息的发 送、删除、存储等操作 。其中AT为前导符,表示 命令的开始;命令字符及相关设置参数表示将进行 何种操作。如:AT+CMGR=表示读取存储区 号为n的短消息内容。AT指令的返回代码分别以 字符或开始和结束。如果指令的语 法不正确,则返回“ERROR”字符;如果指令成功执 行则会返回“OK”提示符或者其他所需信息。

单片机首先要对MC55进行初始参数的设置, 主要包括如下几类参数:

ATE1 关闭MC55的回显。

AT+IPR= 此命令为设置MC55无线模块的波特率值为“n”,其默认值为9600Hz。

AT+CSCA= 此命令是设置SIM卡的短信息中心号,北京地区为“13800100500”。

AT+CMGF=0 该命令用来设置短消息的格式为“TEXT”格式。短消息收发格式一共有三种方 式来发送和接收SMS信息Block Mode、Text Mode和 PDU Mode。Block Mode已是昔日黄花,目前很少用 了。

Text Mode是纯文本方式,可使用不同的字符 集,从技术上说也可用于发送中文短消息,但国内手 机基本上不支持,主要用于欧美地区。PDU Mode 被所有手机支持,可以使用任何字符集。由于Text Mode格式比较简单,所以采用此种方式,即发送短 消息为英文文本方式。

以上即为单片机对MC55模块做的初始化设 置,当患者心电信号发生异常,需要通过发送短消息 的方式通知其家属的时侯,立即启动MC55模块,发 送短消息。发送短消息的AT指令如下: AT+CMGS=[, ]Text can be entered./;“da”为患者 家属的手机号码,输入完毕后回车,然后发送短消息 内容,以结束,如果短消息发送成功, 会返回“OK”,否则返回“ERROR”。

3 实验测试

为了检测心电无线监护仪的性能,进行如下测 试。用心电信号发生器产生各种心电信号(包括正 常、异常)送入监护仪。
正常心电信号时的界面,监测结果显示 正常;图7为异常心电信号时的界面,监测结果显示 心电异常,此时监护仪进行报警,通过GPRS以发送 短消息的方式通知其家属,图8为患者家属手机接 收到的报警短消息。 测试结果表明:本心电监护仪操作简单,工作稳 定,能够监测出异常心电信号,并进行报警。

4 结论

本文设计的心电无线监护仪,采用新型16位超 低功耗单片机作为控制芯片,含有丰富的外围模块,大大简化了硬件电路的设计;选用基于GPRS/GSM 技术的无线模块MC55作为短消息无线发送模块, 提高了系统的可靠性。该监护仪体积小、功耗低、便 于携带和操作,适用于家庭医疗保健



关键词: 一种     基于     心电     无线     监护仪     实现     报警     患者         

高工
2013-09-30 07:22:48     打赏
2楼
这个无线监护人怎么穿戴,,太大好像不行

共2条 1/1 1 跳转至

回复

匿名不能发帖!请先 [ 登陆 注册 ]