基于AVR單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

周培義+++陳芳琦+++馬程+++王玉

摘 要：文章針對(duì)正常人體生理信號(hào)本身的特點(diǎn)采用低功耗濾波電路進(jìn)行生理信號(hào)的采集、放大和傳輸。完成設(shè)計(jì)一種人體生理信號(hào)采集的電路，通過ADS1258對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。利用傳感器將采到并經(jīng)AVR單片機(jī)處理的生理信號(hào)利用串行通信傳送給PC機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給終端。生理信號(hào)是一種微弱、低頻的生物電信號(hào)，我們所采集的心電、脈搏、呼吸、體溫等信號(hào)直接來至人體，在采集的過程中可能會(huì)混有肌電信號(hào)、50Hz工頻信號(hào)，加之模擬電路中可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此為了獲取低噪聲的心電信號(hào)必須對(duì)采集到的生理信號(hào)做信號(hào)調(diào)解。目前對(duì)生理信號(hào)的降噪有多種方法，文章主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號(hào)中分離。

關(guān)鍵詞：ATmega128；TCP/IP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)傳輸；ADS1258

1 引言

當(dāng)今社會(huì)隨著老齡化結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，生活水平提高后人們對(duì)高質(zhì)量生活的追求，對(duì)自己健康狀況的了解日益增加，隨著各種傳染疾病和心血管疾病的蔓延，嚴(yán)重的威脅到了人體的生命安全，及時(shí)和準(zhǔn)確的獲得人體生理參數(shù)（如心率、血壓、體溫等）是十分重要的。人體生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命指標(biāo)，對(duì)危重病人迸行生命指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)是醫(yī)務(wù)工作者及時(shí)了解病情狀況的重要手段之一，它有利于對(duì)有生命危險(xiǎn)傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的治療和搶救處理。而我們所要研制的這套基于AVR單片機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就能夠利用現(xiàn)有的成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將病人的一系列生理參數(shù)及時(shí)地傳送給醫(yī)生，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)了解病人的健康狀況。

2 基本思路和原理

將傳感器采集到的一系列生理信號(hào)的參數(shù)傳送給AVR單片機(jī)進(jìn)行處理，然后一方面將處理后的結(jié)果送入液晶顯示器顯示，使病人對(duì)自身健康狀況有初步了解；另一方面將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)院的服務(wù)器端，供醫(yī)生對(duì)病人的健康狀況作出及時(shí)且有效的分析。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)總體框架

針對(duì)以上情況我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)本系統(tǒng)如圖2：

3.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

由傳感器電極經(jīng)過威爾遜網(wǎng)絡(luò)得到幅值為幾百微伏電壓信號(hào)1和電壓信號(hào)2，然后通過差模放大電路進(jìn)行放大。如圖3所示，儀用放大器AD620組成的差模放大器放大倍數(shù)取100倍。根據(jù)公式（1）：

（1）

其中RG為跨接于AD620

1腳和8腳之間的反饋電阻，G為放大倍數(shù)，圖3中，RG=R8，計(jì)算得出R8為5kΩ。

3.3 信號(hào)調(diào)解電路的設(shè)計(jì)

3.3.1 50Hz陷波電路設(shè)計(jì)

由于在測(cè)量環(huán)境中不可避免會(huì)有50Hz工頻干擾，對(duì)微弱的心電信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，故一定要將該工頻信號(hào)濾除。文章采用圖4所示為一陷波電路器，該陷波器采用非對(duì)稱阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成陷波回路，實(shí)現(xiàn)了用單一電位器調(diào)整陷波器的中心頻率，用調(diào)整負(fù)反饋的方法改變Q值。在該電路中可通過調(diào)節(jié)R17可改變阻帶寬度。

3.3.2 濾波電路設(shè)計(jì)

圖5 濾波電路電路

由于心電有用信號(hào)為低于100Hz的信號(hào)，所以設(shè)定濾波電路截止頻率為106Hz。根據(jù)公式[1]（2）：

（2）

圖5中，取R29、R30、R31為1.5K，C18、C19為1uF。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控芯片ATmaga128的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6。

5 結(jié)束語

文章介紹的事一種低功耗、多通道同時(shí)采樣12位A /D芯片ADS1258的生理信號(hào)采集電路，并采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)A /D輸出同時(shí)PC機(jī)進(jìn)行串行通信，可以記錄各生理信號(hào)，不僅可以讓患者在家可及時(shí)得知自身生理狀況，而且也可以讓醫(yī)生遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者生理參數(shù)，對(duì)患者身體狀況及早掌握。做到早監(jiān)控、早發(fā)現(xiàn)、早治療。

參考文獻(xiàn)

[1]靳達(dá).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]Joseph J.carr， John M.Brown. Introduction to Biomedical EquipmentsTechnology. USA： Prentice hall career&technology， 1993.

[3]蔡建新，張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1997.

[4]老楊. AVR單片機(jī)工程師是怎樣煉成的：基于C語言+Proteus仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

[5]余學(xué)飛.醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

[6]沈建良，等. Atmega128單片機(jī)入門與提高[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[7] 康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2008.endprint

摘 要：文章針對(duì)正常人體生理信號(hào)本身的特點(diǎn)采用低功耗濾波電路進(jìn)行生理信號(hào)的采集、放大和傳輸。完成設(shè)計(jì)一種人體生理信號(hào)采集的電路，通過ADS1258對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。利用傳感器將采到并經(jīng)AVR單片機(jī)處理的生理信號(hào)利用串行通信傳送給PC機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給終端。生理信號(hào)是一種微弱、低頻的生物電信號(hào)，我們所采集的心電、脈搏、呼吸、體溫等信號(hào)直接來至人體，在采集的過程中可能會(huì)混有肌電信號(hào)、50Hz工頻信號(hào)，加之模擬電路中可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此為了獲取低噪聲的心電信號(hào)必須對(duì)采集到的生理信號(hào)做信號(hào)調(diào)解。目前對(duì)生理信號(hào)的降噪有多種方法，文章主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號(hào)中分離。

關(guān)鍵詞：ATmega128；TCP/IP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)傳輸；ADS1258

1 引言

當(dāng)今社會(huì)隨著老齡化結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，生活水平提高后人們對(duì)高質(zhì)量生活的追求，對(duì)自己健康狀況的了解日益增加，隨著各種傳染疾病和心血管疾病的蔓延，嚴(yán)重的威脅到了人體的生命安全，及時(shí)和準(zhǔn)確的獲得人體生理參數(shù)（如心率、血壓、體溫等）是十分重要的。人體生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命指標(biāo)，對(duì)危重病人迸行生命指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)是醫(yī)務(wù)工作者及時(shí)了解病情狀況的重要手段之一，它有利于對(duì)有生命危險(xiǎn)傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的治療和搶救處理。而我們所要研制的這套基于AVR單片機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就能夠利用現(xiàn)有的成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將病人的一系列生理參數(shù)及時(shí)地傳送給醫(yī)生，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)了解病人的健康狀況。

2 基本思路和原理

將傳感器采集到的一系列生理信號(hào)的參數(shù)傳送給AVR單片機(jī)進(jìn)行處理，然后一方面將處理后的結(jié)果送入液晶顯示器顯示，使病人對(duì)自身健康狀況有初步了解；另一方面將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)院的服務(wù)器端，供醫(yī)生對(duì)病人的健康狀況作出及時(shí)且有效的分析。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)總體框架

針對(duì)以上情況我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)本系統(tǒng)如圖2：

3.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

由傳感器電極經(jīng)過威爾遜網(wǎng)絡(luò)得到幅值為幾百微伏電壓信號(hào)1和電壓信號(hào)2，然后通過差模放大電路進(jìn)行放大。如圖3所示，儀用放大器AD620組成的差模放大器放大倍數(shù)取100倍。根據(jù)公式（1）：

（1）

其中RG為跨接于AD620

1腳和8腳之間的反饋電阻，G為放大倍數(shù)，圖3中，RG=R8，計(jì)算得出R8為5kΩ。

3.3 信號(hào)調(diào)解電路的設(shè)計(jì)

3.3.1 50Hz陷波電路設(shè)計(jì)

由于在測(cè)量環(huán)境中不可避免會(huì)有50Hz工頻干擾，對(duì)微弱的心電信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，故一定要將該工頻信號(hào)濾除。文章采用圖4所示為一陷波電路器，該陷波器采用非對(duì)稱阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成陷波回路，實(shí)現(xiàn)了用單一電位器調(diào)整陷波器的中心頻率，用調(diào)整負(fù)反饋的方法改變Q值。在該電路中可通過調(diào)節(jié)R17可改變阻帶寬度。

3.3.2 濾波電路設(shè)計(jì)

圖5 濾波電路電路

由于心電有用信號(hào)為低于100Hz的信號(hào)，所以設(shè)定濾波電路截止頻率為106Hz。根據(jù)公式[1]（2）：

（2）

圖5中，取R29、R30、R31為1.5K，C18、C19為1uF。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控芯片ATmaga128的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6。

5 結(jié)束語

文章介紹的事一種低功耗、多通道同時(shí)采樣12位A /D芯片ADS1258的生理信號(hào)采集電路，并采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)A /D輸出同時(shí)PC機(jī)進(jìn)行串行通信，可以記錄各生理信號(hào)，不僅可以讓患者在家可及時(shí)得知自身生理狀況，而且也可以讓醫(yī)生遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者生理參數(shù)，對(duì)患者身體狀況及早掌握。做到早監(jiān)控、早發(fā)現(xiàn)、早治療。

參考文獻(xiàn)

[1]靳達(dá).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]Joseph J.carr， John M.Brown. Introduction to Biomedical EquipmentsTechnology. USA： Prentice hall career&technology， 1993.

[3]蔡建新，張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1997.

[4]老楊. AVR單片機(jī)工程師是怎樣煉成的：基于C語言+Proteus仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

[5]余學(xué)飛.醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

[6]沈建良，等. Atmega128單片機(jī)入門與提高[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[7] 康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2008.endprint

摘 要：文章針對(duì)正常人體生理信號(hào)本身的特點(diǎn)采用低功耗濾波電路進(jìn)行生理信號(hào)的采集、放大和傳輸。完成設(shè)計(jì)一種人體生理信號(hào)采集的電路，通過ADS1258對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。利用傳感器將采到并經(jīng)AVR單片機(jī)處理的生理信號(hào)利用串行通信傳送給PC機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給終端。生理信號(hào)是一種微弱、低頻的生物電信號(hào)，我們所采集的心電、脈搏、呼吸、體溫等信號(hào)直接來至人體，在采集的過程中可能會(huì)混有肌電信號(hào)、50Hz工頻信號(hào)，加之模擬電路中可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此為了獲取低噪聲的心電信號(hào)必須對(duì)采集到的生理信號(hào)做信號(hào)調(diào)解。目前對(duì)生理信號(hào)的降噪有多種方法，文章主要從濾波的方面介紹將噪聲從信號(hào)中分離。

關(guān)鍵詞：ATmega128；TCP/IP協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)傳輸；ADS1258

1 引言

當(dāng)今社會(huì)隨著老齡化結(jié)構(gòu)的擴(kuò)大，生活水平提高后人們對(duì)高質(zhì)量生活的追求，對(duì)自己健康狀況的了解日益增加，隨著各種傳染疾病和心血管疾病的蔓延，嚴(yán)重的威脅到了人體的生命安全，及時(shí)和準(zhǔn)確的獲得人體生理參數(shù)（如心率、血壓、體溫等）是十分重要的。人體生理參數(shù)是人體最重要、最基本的生命指標(biāo)，對(duì)危重病人迸行生命指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)是醫(yī)務(wù)工作者及時(shí)了解病情狀況的重要手段之一，它有利于對(duì)有生命危險(xiǎn)傷病員進(jìn)行及時(shí)有效的治療和搶救處理。而我們所要研制的這套基于AVR單片機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就能夠利用現(xiàn)有的成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將病人的一系列生理參數(shù)及時(shí)地傳送給醫(yī)生，使醫(yī)生能夠?qū)崟r(shí)了解病人的健康狀況。

2 基本思路和原理

將傳感器采集到的一系列生理信號(hào)的參數(shù)傳送給AVR單片機(jī)進(jìn)行處理，然后一方面將處理后的結(jié)果送入液晶顯示器顯示，使病人對(duì)自身健康狀況有初步了解；另一方面將結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)院的服務(wù)器端，供醫(yī)生對(duì)病人的健康狀況作出及時(shí)且有效的分析。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)總體框架

針對(duì)以上情況我們?cè)O(shè)計(jì)對(duì)本系統(tǒng)如圖2：

3.2 前置放大電路的設(shè)計(jì)

由傳感器電極經(jīng)過威爾遜網(wǎng)絡(luò)得到幅值為幾百微伏電壓信號(hào)1和電壓信號(hào)2，然后通過差模放大電路進(jìn)行放大。如圖3所示，儀用放大器AD620組成的差模放大器放大倍數(shù)取100倍。根據(jù)公式（1）：

（1）

其中RG為跨接于AD620

1腳和8腳之間的反饋電阻，G為放大倍數(shù)，圖3中，RG=R8，計(jì)算得出R8為5kΩ。

3.3 信號(hào)調(diào)解電路的設(shè)計(jì)

3.3.1 50Hz陷波電路設(shè)計(jì)

由于在測(cè)量環(huán)境中不可避免會(huì)有50Hz工頻干擾，對(duì)微弱的心電信號(hào)有很強(qiáng)的干擾，故一定要將該工頻信號(hào)濾除。文章采用圖4所示為一陷波電路器，該陷波器采用非對(duì)稱阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成陷波回路，實(shí)現(xiàn)了用單一電位器調(diào)整陷波器的中心頻率，用調(diào)整負(fù)反饋的方法改變Q值。在該電路中可通過調(diào)節(jié)R17可改變阻帶寬度。

3.3.2 濾波電路設(shè)計(jì)

圖5 濾波電路電路

由于心電有用信號(hào)為低于100Hz的信號(hào)，所以設(shè)定濾波電路截止頻率為106Hz。根據(jù)公式[1]（2）：

（2）

圖5中，取R29、R30、R31為1.5K，C18、C19為1uF。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主控芯片ATmaga128的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6。

5 結(jié)束語

文章介紹的事一種低功耗、多通道同時(shí)采樣12位A /D芯片ADS1258的生理信號(hào)采集電路，并采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)A /D輸出同時(shí)PC機(jī)進(jìn)行串行通信，可以記錄各生理信號(hào)，不僅可以讓患者在家可及時(shí)得知自身生理狀況，而且也可以讓醫(yī)生遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者生理參數(shù)，對(duì)患者身體狀況及早掌握。做到早監(jiān)控、早發(fā)現(xiàn)、早治療。

參考文獻(xiàn)

[1]靳達(dá).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例導(dǎo)航[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[2]Joseph J.carr， John M.Brown. Introduction to Biomedical EquipmentsTechnology. USA： Prentice hall career&technology， 1993.

[3]蔡建新，張唯真.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1997.

[4]老楊. AVR單片機(jī)工程師是怎樣煉成的：基于C語言+Proteus仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2012.

[5]余學(xué)飛.醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

[6]沈建良，等. Atmega128單片機(jī)入門與提高[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[7] 康光華.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2008.endprint