摘 要： 設(shè)計了一種基于EFM32單片機的實時同步監(jiān)測體征和心電信號的系統(tǒng),。該系統(tǒng)以EFM32單片機系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)處理核心,，以其外接的A/D進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以CC2500無線模塊作為傳輸平臺,，利用MATLAB對PC機接收到的數(shù)據(jù)進行處理并即時顯示,。具有簡單、實時,、穩(wěn)定性好,、智能化程度高等特點，能夠全面地評估和監(jiān)測心臟活動狀態(tài),，有效地預(yù)測診斷心臟疾?。挥兄诳粘怖夏耆巳粘１O(jiān)測,、室內(nèi)工作者心臟監(jiān)測和評估,、醫(yī)院對病人睡眠質(zhì)量和藥物作用監(jiān)測等。
關(guān)鍵詞： 體征信號,；心電信號,；實時監(jiān)測；EFM32單片機,；智能化,；無線傳輸
0引言
現(xiàn)今中國已逐漸進入老齡化社會，而且這種趨勢在今后幾十年將會愈加顯著,。當前如何做好對老年人的日常監(jiān)護,，已成為一個全民族所關(guān)注的社會問題。
目前,，市面上同時監(jiān)測體征信號（BCG）和心電信號（ECG）的裝置還很少,，已有的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生命體征監(jiān)護系統(tǒng)存在功率高、系統(tǒng)利用率低,、網(wǎng)絡(luò)化管理欠缺等問題[1-3],。因此，研制一種體積小,、穩(wěn)定性好,、功耗低、集成度高并能實時監(jiān)測體內(nèi)器官功能變化的系統(tǒng)尤其必要,。本文設(shè)計了一種基于EFM32單片機的實時同步監(jiān)測BCG和ECG的裝置,，基于上述問題,，利用人體內(nèi)細微的變化所產(chǎn)生的作用力來監(jiān)測體內(nèi)各器官，尤其是心臟的實時變化狀況,，以達到方便數(shù)據(jù)管理,、實時監(jiān)測、可靠性好,、集成度高的目的,；為老年人日常生活監(jiān)護提供更實際的保障以及醫(yī)生對病人呵護提供更科學(xué)的指導(dǎo)和建議。
1 系統(tǒng)方案
為了便于體征和心電信號同步監(jiān)測,，系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示,。
根據(jù)系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)對信號的采集到實時顯示可分為三部分：信號采集,、信號傳輸,、實時監(jiān)測[4]。
?。?）信號采集：該部分主要包含傳感器電路和信號處理電路,。傳感器電路是一個由四個壓力傳感器組成的全橋電路，它的主要作用是把由心率,、呼吸及身體移動引起的體動信號傳送到信號處理電路中,。信號處理電路由前置放大電路、增益可調(diào)放大電路,、低通濾波電路及電池供電電路組成,，采集過程如下：當測試者站在傳感器電路上時，隨著呼吸,、心率的變化,，會產(chǎn)生一種細微的作用力，這種作用力通過傳感器系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個帶有直流偏移的交流電壓輸出[5],。傳感器電路采集到的信號經(jīng)過差分電路前置放大,、50 Hz陷波器、第一級放大電路,、低通濾波器,、50 Hz陷波器、增益可調(diào)放大電路送到示波器,。在差分電路中,，因為其高穩(wěn)定性、高共模抑制比使得有用的差模信號得以保留,，共模信號被消除,。信號兩次通過50 Hz陷波器是為了消除其本身50 Hz信號的干擾。
?。?）信號傳輸：采集到的模擬信號經(jīng)過單片機,、A/D模塊轉(zhuǎn)換后,，再經(jīng)無線模塊傳送到PC機,。本系統(tǒng)中,，數(shù)字控制單元EFM32單片機外帶A/D轉(zhuǎn)換芯片，無線傳輸單元采用CC2500無線射頻芯片[3],。
?。?）實時監(jiān)測：PC機對接收到的數(shù)據(jù)處理后，再通過MATLAB GUI實時滾動顯示,，實現(xiàn)了PC機的實時監(jiān)測,。
2 體征和心電信號實時監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 信號采集模塊
2.1.1 傳感器電路
傳感器電路即壓力全橋電路。心跳,、呼吸及身體位移引起的體動信號傳送到信號處理電路中,，當壓力傳感器受到外力作用時，傳感器彈性會發(fā)生形變,，從而使得貼在彈性梁部位的應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化,，在激勵電壓的作用下，輸出的電信號也發(fā)生正比例變化,。根據(jù)所測得的電信號就可以計算出外界作用力的大小,，從而達到測力的目的[6]。當測試者進行測試時,，傳感器電路將體內(nèi)各器官,，尤其是心臟跳動所引起的身體對支撐物體的作用力轉(zhuǎn)化為帶有直流偏移的交流電壓信號，在這個過程中,，體重本身產(chǎn)生直流電壓,，體動信號則是由交流電壓對心臟內(nèi)部的跳動造成的對支撐物的一種作用力。
2.1.2 信號處理模塊
信號處理模塊主要用于將微弱的體動信號放大,，其中前置放大電路用于消除共模干擾,，保留差模信號；增益可調(diào)放大電路用于放大差模信號,。
具體流程如圖2和圖3所示,。
2.2 信號傳輸模塊
信號采集模塊輸出的信號為模擬信號，由A/D轉(zhuǎn)換電路,、數(shù)字控制單元,、無線傳輸模塊構(gòu)成的信號傳輸模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信號傳輸模塊的框圖如圖4所示,。
2.3 PC機采集與監(jiān)測
系統(tǒng)采用了CC2500無線收發(fā)模塊,，終端節(jié)點（End Device，ED）采集好數(shù)據(jù)后發(fā)送到與PC機相連的節(jié)點（Access Device,，AP）,，利用EFM32單片機對其進行處理,，再通過串口送到PC機，MATLAB將讀取到的數(shù)據(jù)實時顯示出來[7],。PC機監(jiān)測模塊的框圖如圖5所示,。
3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)以EFM32單片機作為核心模塊，利用其內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換芯片,，以CC2500無線模塊作為無線收發(fā)芯片,，通過傳感技術(shù)、無線收發(fā)技術(shù)和計算機技術(shù)實現(xiàn)了心臟信號的采集和監(jiān)測,。
整個系統(tǒng)由兩大塊組成,，終端設(shè)備節(jié)點和上PC機程序端。終端設(shè)備節(jié)點（ED）為信號采集和發(fā)送端,，由無線收發(fā)芯片CC2500和核心模塊EFM32單片機構(gòu)成,。AP（Access Device）為上PC機程序端，由無線收發(fā)芯片CC2500和核心模塊EFM32單片機構(gòu)成,。程序設(shè)計流程：首先,，數(shù)據(jù)中心設(shè)備經(jīng)過AP，EFM32初始化,，實現(xiàn)與計算機的通信,，并等待ED終端節(jié)點設(shè)備的加入；當ED端有信號輸入后,，將信號進行A/D轉(zhuǎn)換并通過CC2500無線模塊發(fā)送到AP端,，AP端則通過串口送到PC機進行顯示[8]。系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖6所示,。
4 結(jié)果顯示
信號整體測試：測試者站在稱上,，將前置放大器的輸入端接在傳感器的輸出端，用示波器測試在安靜狀態(tài)下的BCG波形,。圖7所示為PC機實時監(jiān)測圖像,，圖8為體征和心電信號的實時同步監(jiān)測圖。在圖8中CH1為BCG波形,，CH2為ECG波形,，可以看出BCG波形與ECG同步，稍滯后于心電信號波形,。從波形來看,，信號采集模塊裝置的設(shè)計是滿足要求的，也是合理的,。
5 結(jié)論
該同步監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計完成后,，已經(jīng)在一定的范圍內(nèi)進行了實踐，反應(yīng)良好,，效果顯著,。該系統(tǒng)能夠有效實時地監(jiān)測人體各器官活動狀態(tài),，為老年人的日常生活、醫(yī)院對病人的心臟檢查等提供了一定的便捷,。若進一步對軟硬件進行完善,，將可使其成為老年人日常身體常規(guī)監(jiān)測、醫(yī)院檢測不可或缺的工具,。
參考文獻
[1] 傅先進,，楊樂.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可佩戴式生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].導(dǎo)航與控制,，2014,，13（2）：23-27.
[2] 吳其亮.基于GSM移動遠程監(jiān)護系統(tǒng)的心電信號的采集與處理[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.
[3] 張建輝,，陳彥,，馬勝藍.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)：中國，CN202168107U[P].2012-03-14.
[4] SACKNER M A,， INMAN D M. Systems and methods for ambulatory monitoring of physiological signs： United States Patent Application,， 20020032386[P]. 2002-03-14.
[5] 張磊，張輝.新型心電信號前置放大電路的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù),，2008,，1（1）：41-44.
[6] 葉琳琳，王江山,，張陽.基于MSP430的BCE和ECG實時同步監(jiān)測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[C].德州儀器,，2012：2-9.
[7] RASMUSSEN D， GABLER J. System and method for validating channel transmission： US,， 20060031713 A1[P]. 2006-02-09.
[8] 劉通.無線生理多參數(shù)采集裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué),，2011.