EEPW论坛

作者：四川大学锦江学院 敬近 郑岚 李静
指导教师：简磊 沈毅斌

　　作品简介

　　一、作品实物图　　

 　　二、开发背景
　　随着人们自我保健意识逐渐增强，随着医疗系统的小型化，无线传输以及信息处理的快速发展和普遍应用，使得基于社区的无线医疗系统成为研制以及投资热点。
　　本设计目的是使用户在自己家中就可以对自己的健康进行实时监控，同时支持数据存储功能，方便医生随时利用互联网对健康状况进行分析。

　　三、功能与使用说明　　

 　　本系统工作时，心电传感器将测量得到的数据通过放大、滤波、AD采样后存储到PSOC片内EEPROM中。这些关系到用户身体健康的数据可通过WIFI模块传递给远端的医生。
　　系统可实现实时或非实时传送。医生及专家可根据自己的工作安排由接入互联网的计算机通过浏览网页的方式向给WIFI模块上的Web服务器发起请求，获得特定用户的健康数据。WIFI无线模块取出健康数据，传送到医生使用的计算机上并绘出曲线，方便医生对数据进行分析。

　　四、结构说明
　　本设计的心电信号监控系统原理框图如下图所示。　　

 　　从测量电极提取的心电信号经导联传送到前置放大器，进行前置放大，经高通滤波滤除直流信号及低频基线干扰后得到0.05--16Hz的有用心电信号，由A/D转换后数据存储到片内EEPROM内。
　　WIFI模块负责数据的远程传输。医生及专家WIFI模块向其上的Web服务器发起请求，获得用户的健康数据。WIFI无线模块取出健康数据，传送到医生使用的计算机上并绘出曲线，方便医生对数据进行分析。

　　平台选型说明

　　本系统采用大赛指定的PSOC系统作为主要设计模块; 基于PSOC片内运算放大器产生参考电压，设计滤波电路，利用内部AD模块进行信号检测，并利用片内EEPROM进行数据存取;INA333仪表差分放大器实现前端信号采样放大，触摸TFT LCD实现系统控制及显示，WIFI模块实现互联网通信。

　　设计说明

　　一、设计方案
　　健康伴侣主要由INA333构成心电信号的前端采集，利用 PSoC开发板内部集成运放、AD、EEPROM、RS232完成心电信号的调理、处理与存储，采集的数据由液晶显示并用wifi进行远程传输。

　　1 心电信号的前端采集模块
　　采用低功耗、高共轭抑制比的INA333对心电信号进行采集。

　　2 心电信号调理模块
　　采用PSoC内部4个运放构成分压电路、积分电路以及滤波电路，完成心电信号的调理。

　　3心电信号处理与存储模块
　　采用PSoC内部AD、EEPROM对心电信号进行采样及存储。

　　4 心电信号液晶显示模块
　　采用TFT LCD触摸液晶屏显示控制界面，显示采集到的心电信号。

　　5 心电信号wifi远程传输模块
　　在WEB客服端进行AJAX异步请求，发送数据到WEB服务器，再转发到串口，访问PSOC的EEPROM中的心电数据，再以JSON格式数据返回WEB页面，实现心电绘图。

　　二、设计原理
　　1心电前端放大电路设计
　　人体任意两点之间都存在心电引起的电位差, 两个电极即可实现心电测量。本文提出的新型双电极心电测量方法和装置, 具有微型化、便于使用和低功耗的特点, 适应植入式和体表心电图测量的需要。
　　前置放大是整个信号放大最关键的环节，关系到整个模拟采集部分的工作性能。前置放大器是整个前置放大电路的“心脏”，关系到前置放大电路的性能，因而它的选型非常重要[18]。本系统主要基于以下三个方面来确定前置放大器的选型。
　　(1)心电测量中，皮肤和电极接触将引起极化电压，如果两个电极完全对称，这种极化电压数值和相位相同，将作为直流共模信号输入到心电放大器;无处不在的工频干扰也是一种共模干扰。因而所选放大器一定要有很高的共模抑制比(CMRR)，共模抑制比高能很好地抑制干扰。心电信号前置放大器的共模抑制比一般要在80dB以上。
　　(2)电极和皮肤接触会存在极化电阻，而被测者身体的移动会导致极化电阻阻抗值发生变化。极化电阻可以看作是整个电路系统源电阻，和前置放大电路的输入电阻进行分压，变化的极化电阻会导致前置放大电路的分压输出处于不稳定状态。所以心电前置放大器必须具有很高的输入阻抗才能减弱心电信号的衰减影响。信号源阻抗一般在数十欧姆到数K欧姆之间，心电前置放大器的输入阻抗应该比源阻抗至少高两个数量级，以保证信号的不失真。
　　3)由于电子电路温度变化而造成的零点漂移也能严重影响正常的心电信号的检测，因而要采用低温漂的元件，尤其是在选择心电信号放大器时更要选择低温漂的产品，否则会影响放大器的输入范围，使得微弱的缓变信号无法放大，心电信号中的低频成分不能得到正确的测量。总之前置放大器的选择要从高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声和低温漂这几个方面着手。
　　综合考虑，我们使用TI芯片INA333,其电路图如下：　　

 　　2心电后端处理、显示设计
　　PSoC实质就是将CPU、模拟和数字子系统集成在单芯片上。SoC设计，本质上就是在单芯片内部，将不同功能的IP核连接在一起，以满足不同的应用要求。现在的PSoc设计尽可能使用现有的功能模块，当没有现成的模块可以使用时，设计人员才需要自己花时间和精力设计新的模块。
　　人体心电信号的主要频率范围为0.05～100Hz ,幅度约为0～4mV, 信号十分微弱。同时心电信号中通常混杂有其它生物电信号,加之体外以50Hz工频干扰为主的电磁场干扰,使得心电噪声背景较强,因此我们采用截止频率为16HZ的低通滤波器将心电信号提取出来，但低频干扰还是很严重，所以需要软件滤波。最后通过AD采样存储到PSoC的EEPROM，同时通过液晶显示心电波形。其电路图如下：　　

 　　3心电远程传输设计
　　近年来，无线通信慢慢成为通信行业的发展主流，其中最大的优点在于减少了错综复杂的布线。无线通信中，除了当今比较热门3G,许多短距离无线通信也在迅速的发展，例如WAFI。其在短距离通信中性价比最高，不仅有效距离达100m 通信速率更达 11Mbps，已经有不少大中型城市利用WAFI打造无线城市，厂家只要在人员密集的地方设置AP( 无线接入点) ，便可以将这些地方划分为一个个小型的局域网, 并能高速共享网络资源。这里我们使用的是WAFI。　

 　　产品特色

　　一、产品的特点、先进性和创新性
　　1、 WIFI网络由于其价格和传输速率，将会是未来远程监护发展的趋势
　　2、 支持数据存储。将心电数据在传输的过程中，以二进制形式存储在PSOC的扩展储存空间中，保护数据，方便持续、全面观察分析数据。
　　3、 基于PSOC的数模混合设计使得设计稳定性更高，性能指标更好，设计更加方便快捷，缩短设计周期，降低系统成本。

　　二、产品的实用性
　　远程健康监护已经将整个地球变成一个大监护室，只要通讯覆盖的地方，就可以进行远程监护，为疾病防治增添了重要的新手段，也为用户带来了极大的方便。