基于淘晶馳串口屏的心電圖監(jiān)護(hù)設(shè)計(jì)

周昱帆，涂國宇，潘鋒偉，劉錦濤，余素萍，夏守行

（浙江溫州科技職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院，浙江溫州，325003）

0 引言

這兩年的新型冠狀病毒性肺炎，打亂了整個(gè)世界生活秩序，雖然現(xiàn)在已被我們國家控制住，經(jīng)濟(jì)恢復(fù)得也很好，但國外有眾多的感染數(shù)量。對該型肺炎病人的監(jiān)護(hù)，其中的心電圖（Electrocardiog-ram，ECG）指標(biāo)是一個(gè)重要的評估參考[1]。

根據(jù)相關(guān)部門推算，我國心血管病患病人數(shù)已超2億多，其中腦卒中和冠心病均達(dá)上千萬之眾[2]。但是對于檢測此類病的ECG一般也只能去醫(yī)院進(jìn)行檢測，由于心血管病患者以慢性病見多，如果所有檢測均在醫(yī)院進(jìn)行，則醫(yī)療公共資源會很緊張，病人的治療費(fèi)用也升高而增多患者的負(fù)擔(dān)。

作為一些預(yù)防性和慢性病的平常性監(jiān)測，在普通家庭中能用一種較便宜且實(shí)用的儀器檢測一些生命指標(biāo)，也是一種較實(shí)用的較早發(fā)現(xiàn)病變趨勢的有效手段。下文將以測量ECG為例，設(shè)計(jì)制作一個(gè)實(shí)用的家用心電監(jiān)護(hù)儀，其基本功能是實(shí)時(shí)顯示ECG，并可擴(kuò)展存儲和重播等功能。

ECG的基本原理是，心肌在生物電作用下產(chǎn)生規(guī)律的跳動，從而在人體表面產(chǎn)生電位變化[3]，測量該電位，并形成與時(shí)間的曲線，即為ECG，具體見如下文設(shè)計(jì)。

1 總體設(shè)計(jì)

全電路主要由前置放大、右腿驅(qū)動、低通濾波放大、單片機(jī)（MCU）、心電顯示、存儲SD卡等組成，如圖1所示，采用常規(guī)導(dǎo)聯(lián)測量方式，其他導(dǎo)聯(lián)方式請查相關(guān)資料。

圖1 SCG電路框圖

前置放大器采用專用儀表放大器，具有低噪聲、高輸入阻抗、高共模抑制比的特點(diǎn)，并將右腿驅(qū)動電路應(yīng)用于前置放大端，以消除來自人體的共模干擾。

2 前置放大電路

電路主芯片型號為INA121，為FET輸入、低功耗儀表放大器，其輸入阻抗高達(dá)1012Ω，共模抑制比106dB，滿足生物電放大器60dB～80dB的CMRR值要求[4]，等效輸入噪聲為（1kHz，Au=100時(shí)）。心電信號為不足1mV的弱小信息，因此ECG放大器等效總自噪聲應(yīng)小于20μV。以單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換5V基準(zhǔn)電壓計(jì)算，ECG放大器總放大倍數(shù)Au總計(jì)算如下：

如圖2所示的前置放大器放大倍數(shù)為Au1:

圖2 前置放大電路

圖2中R1和R2阻值選得較大，可明顯減小皮膚接觸電流，并與C5、C6和C7構(gòu)成無源低通濾波器，截止頻率一般小于150Hz即可，LA和RA分別為左右臂心電信號。R5取出左右臂的共模信息，送至右腿驅(qū)動以進(jìn)一步減小共模信息。INA121的4和7腳為正負(fù)電源端。

U2C及外圍阻容構(gòu)成INA121的6腳輸出的電壓Vo1動態(tài)跟蹤電路，正常情況下INA121的Vo1是以0V電位正負(fù)波動的，但可能某些原因，如LA和RA接觸不良或人體本身電位等，Vo1可能正偏了或負(fù)偏了，由于U2C是反相接法，通過改變REF端電位，可自動校正正偏或負(fù)偏，其時(shí)間常數(shù)為0.7R6C8=0.7s，選得較長，對心電信號影響很小，最終結(jié)果是使波形保持在某一基線上。

3 右腿驅(qū)動電路

如圖3 所示，總體是一個(gè)帶通放大器。圖2的INA121雖其本身共模共模抑制比達(dá)106dB，但LA和RA檢測線不可能擺放對稱，皮膚接觸電阻也并不相等，且兩輸入端元件也不可能相等。因此仍有一定的干擾信號進(jìn)入到檢測電路中，特別是50Hz共模信號。為了降低共模干擾的影響，加入了右腿驅(qū)動電路。其Pz端取出輸入端有共模信號，經(jīng)U3B和U3A反相放大，重新通過接至右腿的RL端，作用于人體，則共模信號將相互抵消，從而達(dá)到減小共模干擾的目的。

圖3 右腿驅(qū)動電路

4 帶通濾波放大

圖4所示的帶通濾波放大由兩個(gè)基本相同的同相放大器組成，帶通，其總放大倍數(shù)Au2為:

則全電路總電壓放大倍數(shù)為Au1* Au2=6050倍，是符合放大倍數(shù)要求。

圖4每個(gè)帶通放大低端截止頻率為:

同理算得每個(gè)帶通放大高端截止頻率為284Hz。

圖4 帶通濾波放大

5 單片機(jī)設(shè)計(jì)

■5.1 單片機(jī)硬件電路

單片機(jī)采用STC的8G系列，為1T單片機(jī)，同等晶振下，比AT89C52快12倍，本電路采用內(nèi)部晶振，為33MHz，那么相比12MHz晶振的AT89C52快33倍，這樣更容易波形的輸出顯示，以及更能勝任其它任務(wù)，電路如圖5所示。

圖5的STC8G1K08A有6路的10位AD轉(zhuǎn)換輸入口，本電路只采用AD2口P32，P31和P30用作傳統(tǒng)傳輸串口，其余口仍為普通IO口。

P1為程序下載口，需另配USB/TTL轉(zhuǎn)換口，連至電腦USB口，用STC單片機(jī)下載程序軟件stc-isp-15xx-v6.88即可下載程序，注意下載時(shí)內(nèi)部IRC頻率改為33MHz。下載完成后，改接淘晶馳串口屏即可。

■5.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

（1）初始化程序

void Port_ADC_Ser_int() {

P3M1 = 0x04；//0000 0100B端口配置

P3M0 = 0x00；//0000 0000B端口配置

P5M0 = 0x00；//0000 0000B端口配置

P5M1 = 0x00；//0000 0000B端口配置

P_SW2 |= 0x80；//可以訪問擴(kuò)展RAM區(qū)

ADCTIM=0x3F；//設(shè)置ADC時(shí)序控制

ADCCFG=0x0F；//ADC配置寄存器

ADC_CONTR=0x82；// ADC控制寄存器

AUXR=0xC0；//定時(shí)器1T方式

PCON =0x80；//串口速率加倍

TMOD=0X20；//8位定時(shí)器T1

TH1=0xF7；TL1=0xF7；//定時(shí)器初值

SCON=0x50；//串口方式1，允許接收

TR1=1；ES=1；EA=1；}//啟動

ADC通道的端口應(yīng)選擇高阻類型，即ADC端口不能對被測電路電壓有影響，配置值為11、10、01、00時(shí)分別對應(yīng)為開漏、高阻、推挽、雙向，配置值等于P3M1和P3M0相同位置各取一個(gè)值，從左至右分別對應(yīng)P37～P30。上述子程序僅對P32置高阻，其余均為傳統(tǒng)普通雙向IO口。

ADC完成的數(shù)據(jù)為10位，分別存放在各8位的寄存器ADC_RES、ADC_RESL中，那么就有兩種存放方式，如表1所示：（1）左對齊，把數(shù)據(jù)的高8位和低2位分別存放在ADC_RES、ADC_RESL中，ADC_RESL的低6位則空余而自動補(bǔ)0，最終ADC_RES和ADC_RESL合成將有16位數(shù)據(jù)，但有效數(shù)據(jù)仍為左邊的10位；（2）右對齊，把數(shù)據(jù)的高2位和低8位分別存放在ADC_RES、ADC_RESL中，ADC_RES的高6位空余而自動補(bǔ)0，ADC_RES和ADC_RESL合成數(shù)據(jù)雖有16位，但有效也仍為10位數(shù)據(jù)。

表1 ADCCFG配置

配置寄存器ADCCFG的低4位為AD轉(zhuǎn)換速度選擇，其值越高轉(zhuǎn)換則越慢，ADCCFG=0x0F，其意義為數(shù)據(jù)左對齊，AD轉(zhuǎn)換速度Sysclk/2/16，Sysclk為系統(tǒng)時(shí)鐘。

ADC_CONTR為ADC控制寄存器，如表2所示。Power為ADC電源控制，1為開啟，0為關(guān)閉。

表2 ADC_CONTR控制寄存器

Start為1時(shí)，啟動ADC；Flag為AD轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志，完成即自動置1，須軟件清零； Ch3Ch2Ch1Ch0為0101、0100、0011、0010、0001、0000時(shí)，ADC輸 入口 對 應(yīng) 選 擇 P55、P54、P33、P32、P31、P30。ADC_CONTR=0x82=1000 0010B，意思即為開啟ADC電源，選擇P32通道轉(zhuǎn)換。

ADC完成值送至串口屏顯示，速度越快則波形顯示越完整，同時(shí)單片機(jī)也可以騰出更多的時(shí)間完成其它任務(wù)。串口屏支持的波特率有9600、19200、38400、57600、115200、230400、256000、512000、921600等，以上述TH1=0xF7計(jì)算，串口波特率為：

上式中，PCON =0x80，即SMOD=1，AUXR= 0xC0，即定時(shí)器比傳統(tǒng)AT89C51快12倍，式（6）波特率與230400相近，比傳統(tǒng)9600快24倍。

（2）AD轉(zhuǎn)換子程序

void ADC_P32() {

ADC_CONTR |= 0x40；//啟動AD轉(zhuǎn)換

_nop_()；_nop_()；

while(!(ADC_CONTR&0x20))；//ADC 完成

ADC_CONTR &= ～0x20；//清零完成標(biāo)志

ADC_Val=ADC_RES*256+ADC_RESL；}

//AD轉(zhuǎn)換值合成，并賦值給變量ADC_Val。

（3）顯示波形子程序

void disp_sine() {

ch0 = ADC_Val/256；//值折算

sprintf(buf,”add 1,1,%d”,ch0)；

UART_Send_Str(buf)；

UART_Send_END()；}

由以上子程序可看出，只須把波形通道值ch0與AD轉(zhuǎn)換值關(guān)連起來即可。

■5.3 淘晶馳串口屏上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

首先要到淘晶馳官網(wǎng)www.tjc1688.com下載界面開發(fā)軟件，再到資料中心中下載“STC單片機(jī)發(fā)正弦波給HMI屏顯示(曲線波形)”例子，在該例子基礎(chǔ)上進(jìn)行修改即可，如圖6參考修改文字。

圖6 淘晶馳串口屏布局

須要注意的是：淘晶馳串口屏默認(rèn)波特率為9600，由于前面單片機(jī)串口傳輸波特率為230400，則須在Pragram.s頁面處的當(dāng)前波特率值進(jìn)行修改，加入上語句“baud=230400”即可。

6 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

調(diào)試時(shí)首先要保證硬件電路是否正常工作，放大器至人體的測量線和導(dǎo)電片或?qū)щ妸A可采用專用檢測材料，采用導(dǎo)電夾時(shí)須在體表上涂抹生理鹽水，以增加導(dǎo)電性。電路供電不建議采用普通開關(guān)電源或變壓器降壓整流濾波穩(wěn)壓供電，以免增大干擾而無法測量，最好用電池供電。

導(dǎo)電片或?qū)щ妸A接觸體表后，注意人體要安靜穩(wěn)定，先用示波器測量Vo1、Vo2處是否有正常心電信號，再撤去示波器，并觀察淘晶馳串口屏是否有正常心電信號。實(shí)驗(yàn)效果圖如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)顯示結(jié)果

7 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用了專用低噪聲儀表放大器INA121，簡化了電路，STA8G1K08A-8PIN為8腳小型低價(jià)單片機(jī)，縮小了電路體積，便于于小型化和低成本，而直接采用淘晶馳串口屏官網(wǎng)的例子，更便于縮短開發(fā)周期，淘晶馳串口屏自帶SD卡插口，因此可有存儲和重播功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對心電信號的放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換和顯示，達(dá)到實(shí)時(shí)測量心電信號的技術(shù)要求。