基于ATmega128的無線心電監護系統開發與設計

馬新江，王洪福，黎芳芳，張燕

1.濱州醫學院附屬醫院 國有資產管理處，山東 濱州 256603；2.南昌航空大學 測試與光電工程學院，江西 南昌330063

基于ATmega128的無線心電監護系統開發與設計

馬新江1，王洪福1，黎芳芳2，張燕1

1.濱州醫學院附屬醫院 國有資產管理處，山東 濱州 256603；2.南昌航空大學 測試與光電工程學院，江西 南昌330063

目的 研制一種無線心電實時監護系統，可對患者的心電信號進行采集、傳輸和處理。方法 該系統主要由監護終端和數據處理系統組成。監護終端包括心電信號采集模塊和無線收發模塊，由患者隨身攜帶，負責采集和無線傳送心電信號；數據處理系統由無線收發模塊和嵌入式計算機系統組成，負責接收心電信號，同時進行數據處理、顯示。結果 在明視距離小于400m、室內通訊距離小于50m范圍內，該系統能夠實現設計要求，同時可用于健康人群的健身運動監護、為其提供生命狀態數據。結論 該系統結構簡單、功能齊全，適合醫院和家庭使用。

心電監護系統；無線通信；嵌入式系統；ATmega128

心血管疾病是現代社會中嚴重威脅人類生命健康的主要疾病，而且此類疾病往往具有突發性，如果不能及時發現并進行治療將會產生非常嚴重的后果，給個人、家庭和社會帶來沉重的精神壓力和經濟負擔。心電監護系統是此類疾病重要的監測手段，它對于保障患者生命安全和降低患者死亡率具有十分重要的意義。伴隨現代科技和醫學技術的的發展，心電監護系統的研制水平不斷提高，開發手段日趨多樣化，并逐步從靜態心電監護方式向動態心電監護方式發展[1]。為此，我們開發設計了一種無線心電監護系統，力求達到攜帶方便，實時準確地監測患者動態心電變化，為臨床診斷提供準確的心電信號參數。

1 系統組成

該系統包括佩帶式無線監護終端和數據處理平臺兩大部分。無線監護終端包括心電心號采集模塊和無線收發模塊，由患者隨身攜帶，負責采集心電信號，并進行放大、濾波、A/D轉換和數據傳送；數據處理平臺由無線收發模塊、ATmega128[2]單片機控制系統及監護服務器組成，負責接收心電信號，同時進行軟件處理、顯示。為減小監護終端的設計尺寸，模數轉換使用單片機集成的A/D轉換器，各芯片選用體積小、功耗低的貼片封裝芯片。為避免各種原因丟失數據，監護終端擴展了一片256Mbytes的FLASH存儲器，它能夠連續存儲24h的生理參數數據。系統總體框圖如圖 1 所示 ：

圖1 系統總體設計框圖

2 無線監護終端

2.1 芯片選擇

心電信號采集模塊采用ATmega128作為主芯片。它是ATMEL公司推出的高檔系列產品,是基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機，雖為8位機，但采用介于8位和16位的硬件結構。AVR單片機結構有利于用C語言編程，從而能高效地開發出目標產品，通過在一個時鐘周期內執行一條指令,其性能可以達到1MIPS/MHz。它將32個工作寄存器和豐富的指令集聯結在一起，使所有工作寄存器和ALU直接相連,同時具有128KB的Flash存儲器，4KB在線可編程EEPROM，4096字節SRAM，SPI接口，2個16位定時器/計數器，一個性能良好的8通道10位A/D轉換器等。

無線收發模塊采用nRF905，它是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，工作電壓為1.9～3.6 V，工作于433/868/915MHz三個ISM頻段，頻道轉換時間小于650μs，最大數據速率為100 KB/s。ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和循環冗余檢驗，使用SPI接口與微控制器通信，配置簡便。此外，其功耗很低，以10dBm輸出功率發射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，具有窄閑模式與關機模式，易于實現功率管理。單片機與nRF905的連接如圖2所示：

圖2 單片機與nRF905的連接

ATmega128與nRF905之間的雙向數據傳輸使用SPI接口，單片機的PB0-PB3連接nRF905的SPI接口，PB4-PB6、PD0-PD1及PD4連接nRF905的控制信號和檢測信號，用于nRF905的模式切換以及通信過程中必須的信號指示接口。

2.2 心電信號的采集電路設計與工作原理

患者不同負荷狀態時心電圖各波的電壓和時長有所變化，但與靜息狀態下相比較均無顯著性差異[3]，然而汗液分泌、各種干擾信號與靜態時相比則大大增強，例如電極與體表的接觸電阻一般高達幾ΜΩ，而有汗液存在時則下降為10kΩ左右。為此，對心電信號的采集模塊進行了簡化設計，將檢測帶寬從常用的0.05～100Hz降到0.5～40Hz。這樣做基本不影響心率參數的提取，可濾去更多的噪聲，大大提高了電路抗干擾能力，特別是抗50Hz工頻干擾的能力，使電路結構簡化，功耗降低。由于該系統監護終端為便攜式設計，其心電心號采集傳感器采用通用型Ag-Agcl電極，連接方式為標準三導聯。

在采集過程中首先將心電信號經過AD623放大8倍左右,然后通過0.5Hz的高通電路除去基線漂移,這時的心電信號幅值很小，需要后置放大電路再次放大100倍左右后，通過40Hz的低通電路，濾除各種高頻噪聲干擾，最后讓心電信號通過電平偏移電路和放大倍數調理電路就可以得到心電信號的原型。整個心電信號采集電路包括：輸入保護電路、前置放大電路、右腿驅動電路設計、高低通濾波器、50Hz陷波器、后置放大電路、電極脫落和心電信號異常報警電路等。前置放大電路如圖3所示：

圖3 前置放大電路

2.3 數據采集發送過程

患者通過按鍵控制監護終端，首先啟動初始化處理，向數據處理平臺發送注冊信息，注冊包記錄了監護終端的一些基本信息，包括：數據包頭（DYECG）、采樣位數、采樣頻率、數據編碼方式、ADC 高低電平等。經確認后，采集心電心號；單片機接收數據后，將需發送的數據(這里包括目標設備地址和所要發送的數據)通過SPI接口傳送至nRF905，nRF905將數據加前導碼和CRC碼，然后發送數據包[4]。

2.4 人機交換界面的設計

選用MG-12864-7單色圖形點陣液晶顯示模塊，其點陣數128×64，8位數據線與ATmega128的I/O口相連，同串口鍵盤一起形成菜單方式的人機交換界面，控制相應的采集模塊，設定具體的參數，顯示相應生理數據，并附帶有報警按鍵，以供處理緊急情況。

2.5 監護終端電源模塊

監護終端需要兩種電源電壓，即單片機電路、濾波電路、顯示電路需要5V電壓，無線收發模塊需要3.3V電壓。為此，選用DC/DC芯片RT9278，其封裝尺寸小，轉換效率高，輸出電流高達2A，通過調整外圍電路可以輸出0～20V的多種電壓，可滿足多電壓混合系統的設計。電源供電選用可充電的2200mAh鋰電池。為了降低功耗，采集模塊和無線發送模塊均采用了低功耗設計，即工作狀態時上電、休閑狀態時掉電模式，該機正常工作時最大電流小于100mA。

3 數據接收處理平臺

3.1 組成與功能

數據接收處理平臺包括無線收發模塊、ATmega128單片機控制系統、監護服務器，主要完成監護終端心電信號的接收，心電心號數據的后期處理和計算，提取所需的心電信號參數并進行分析診斷。其中無線收發模塊、ATmega128單片機控制系統與監護終端設計選擇相同。

3.2 數據接收處理過程

當nRF905接收到有效數據后，DR置高，ATmega128單片機控制系統檢測到DR為高電平后，復位TRX_CE引腳，使nRF905進入空閑模式，并通過SPI接口從nRF905中讀出接收數據，然后由RS232串口傳送至監護服務器進行數據處理、分析診斷，如出現異常情況及時向監護終端發出報警信號。

4 系統軟件設計

4.1 整體設計

圖4 系統主體程序流程圖

系統的軟件設計可以分為兩大部分：一個是基于單片機ATmega128的下位機軟件設計，用C 語言編寫[5]；另一個是基于監護服務器的上位機軟件設計，用Visual C++ 6.0編寫[6]。系統終端的軟件設計包括系統初始化子程序、心電監護子程序、顯示子程序、存儲子程序等幾個部分，其中系統的初始化用以完成系統的連接以及數據的采集處理，模數轉換由ATmega128自帶的十位A/D轉換器完成。監護服務器上位機軟件包括：主界面程序設計、信號參數選擇與功能設置模塊、串行口通信程序設計、數據存儲與回放、多媒體功能和波形、數據顯示等，整個軟件使用菜單化操作，所有功能都可以在主界面進行操作。系統軟件流程如圖4所示。

4.2 心電信號預處理

我們通過體表電極采集的原始信息中不但含有心電信號，而且摻雜了基線漂移、工頻干擾等多種不同類型的噪聲信號。心電信號是很微弱的，它們的信號幅度基本處于mV甚至μV級，相對于噪聲信號，尤其是50Hz工頻干擾往往相差4～5個數量級。要在如此反差的強噪聲背景下提取、復原正常心電信號是一件非常困難的事情。為了增強正常人體生理信號，進一步抑制原始信息中的噪聲和干擾，提高心電信號檢測的準確率，除了在硬件電路中增加濾波電路外，還需要對A/D采樣轉換后的生理信號進行軟件處理。

本文中，生物信號預處理是指應用數字信號處理技術對噪聲信號加以消除或抑制，主要方法是在下位機軟件預處理中采用計算簡單、實時性好的自適應相干模板法同時濾除基線漂移和50Hz工頻干擾。采用該方法可降低設計難度，適于單片機處理，并可保證心電信息的完整性，降低無線傳輸過程中的信息失真率。

自適應相干模板法[7]根據工頻干擾的特點，從原始信號中獲取工頻干擾信號的模板，再從原始信號中減去干擾模板，從而實現濾除工頻干擾的目的。進一步改進其濾波器[8-9]，先利用50Hz和100Hz兩種頻率下的自適應相干模板法濾波相結合，形成在0～100Hz頻率范圍內只濾除50Hz工頻干擾的一種濾波器，然后與原自適應相干模板法濾除工頻干擾的濾波器級聯，構成一個50Hz處的阻帶寬度與0Hz處的阻帶寬度無關的濾波器，再分別獲取相應的濾波器帶寬，可以同時較好的濾除基線漂移和工頻干擾。該算法僅通過采樣數據的累加、移位及減法操作即可實現，較為簡便，適合于在單片機系統上實現[10]。

經過改進的自適應相干模板濾波法對基線漂移和工頻干擾具有較好的效果，并具有一定自適應調整功能。

4.3 心電圖波形識別

心電圖波形包括P、Q、R、S、T及U波等，其中，在心電信號的分析中，最首要和最關鍵的問題是QRS波群的檢測。這是因為可靠的QRS波群檢測，不僅是診斷心律失常的重要依據，而且只有在確定QRS波群后，才有可能計算心率、心率變異性，并進一步檢測和分析心電信號的其他重要信息[11]。

在心電波形中，R波具有波形陡峭、幅度大、寬度窄、變化趨勢明顯等顯著特點，因此，一般QRS波群檢測算法都是利用這一特點來實現的。本系統對R波的識別采用兩階差分閾值判別法，即t(n)=x(n-2)-2x(n)+ x(n+2)。系統啟動后，首先進行10s的自學習過程，計算并記錄每秒鐘內得到的差分的最大值，然后求其均值，再乘上一系數X作為以后判斷R波的依據。差分得到的新數組為t(n)，其中若某點滿足：① 大于自學習階段計算得到的閾值；② 大于其前后幾個點的數值。則t(n)對應的x(n)點就是R波的峰值。檢測出R波之后，根據前、后兩個波的時間間隔就能很容易地計算出當時的心率，并可進一步計算出RR間期、QRS波寬等其他心電數據。由于差分運算是前后兩值之間的相對差，而在較短時間內信號中的干擾及基線漂移不會很快消失，所以上述干擾對差分值的影響很小，可見采用差分閾值法具有較強的抗干擾能力。

5 結果與討論

本系統針對患者動態心電監護方式的需求和特點，將無線通訊技術應用到監護終端，有針對性的設計了心電監護模塊。初步進行了分模塊和整機使用試驗：由受試人員攜帶監護終端在室內有障礙及室外空曠條件下分別進行最大通訊距離、性能可靠性等試驗，結果表明在明視距離小于400m、室內有障礙距離小于50m范圍內，系統可穩定工作[12-13]，其測量結果對比動態心電圖（Holter）測量數據吻合度好。主要存在的問題是隨著距離的增加心電信號噪聲隨之增強，在條件不變的情況下，實驗結果的重復性較好。實驗表明，該系統基本實現了設計目的，具有便于攜帶、可靠性高等優點。下一步的工作是繼續對整機結構優化和軟件功能完善。

圖5 實時監護工作界面

監護服務器實時監護工作界面如圖5所示。

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Development of a Wireless ECG Monitoring System Based on ATmega128

MA Xin-jiang1, WANG Hong-fu1,LI Fang-fang2, ZHANG Yan1
1. Asset Management Department,Stateowned Assets Management Department,Affiliated Hospital of Binzhou Medical University, Binzhou Shandong 256603,China; 2. Testing and Photoelectrical Engineering Institute, Testing and photoelectrical Engineering Institute,Nanchang Hangkong University,Nanchang Jiangxi 330063, China

Objective To develop a suit of wireless real-time ECG monitoring system which can gather,transmit and deal with patient's ECG signal. Methods The system consisted of monitoring terminal and data management module. The monitoring terminal schlepped by patients consisted of data acquisition module and wireless transceiver module. It can gather and transmit ECG parameters. The data management module consisted of wireless transceiver module and embedded computer System. It can receive, deal with and display patient's ECG signal. Results The system met the requirement when it was located within the outdoor distance of 400 m or indoor distance of 50m. Conclusion The system is simplestructured,complete-functioned,and is suit to both hospital and home application.

wireless communication; embedded system; ATmega128; ECG monitoring system

TP277；R540.4+1

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.07.006

1674-1633(2011)07-0034-04

2011-01-25

2011-03-02

本文作者：馬新江，碩士研究生。

王洪福，高級工程師。

作者郵箱：mxjyjs@163.com