基于nRF24L01的無線心電采集系統的設計

姚湘陵，秦實宏，袁發庭

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430073）

由于心臟病具有突發性和不可預見性，因此心臟病已成為嚴重威脅人們健康和生命的三大主要疾病之一[1]。無線心電監護系統可以及時獲取患者的心電信息，以便及時發現異常情況，采取相應的處理措施，是降低心臟病死亡率的有效手段之一[2－3]。它對高危人群、亞健康人群、老年人心臟疾病預警意義重大，醫學實踐表明，對于心臟病的防治，最有效的手段就是預防和保健，在對心臟病患者進行監護的基礎上，盡早發現異常病變，及早進行治療，以控制病情的進一步發展。人們生活中所見到的心電監控系統往往是醫院里的大型心電監測工作站[4－5]。這種工作站體積大，價格昂貴，專業性強，不具備無線傳輸能力，因此在家庭保健和社區服務方面的應用比較少。文中針對現有心電監護系統的缺點及不足，設計了一種具備無線傳輸功能并且便于攜帶的心電采集系統。

1 系統框圖設計

系統框圖如圖1所示，心電信號經調理模塊調理后，單片機將12位A/D采集電路采集到的數據通過無線傳輸模塊發送至接收端無線模塊，最后通過RS232串口傳輸至上位機。

2 硬件設計

整個系統硬件主要包括以下幾個部分：信號調理模塊，A/D數據采集模塊，單片機控制模塊，無線傳輸模塊。

圖1 系統框圖Fig.1 System chart

2.1 信號調理模塊

人體心電信號的頻率范圍為 0.05～100 Hz，幅度為 0～4 mV。此外，由于心電信號中常混雜其他生物電信號以及50 Hz工頻信號，因此心電信號調理模塊必須具備高精度、高穩定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及抗強干擾等性能。心電信號依次經過以下幾個電路：前置放大電路，帶通濾波電路，主放大電路，50 Hz陷波電路以及電平抬升電路。

2.1.1 前置放大電路

前置放大是心電數據采集的關鍵環節，具體電路如圖2所示。由于人體心電信號十分微弱，噪聲背景強且信號源阻抗較大，加之電極引入的極化電壓差值較大（比心電差值幅度大幾百倍），因此，通常要求前置放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動態范圍等性能，設計時一般都采用差分放大電路。本設計選用Analog公司的儀器儀表放大器AD620作為前置放大器。AD620是一款價格低廉、性能優良的儀表放大器。雖然AD620由傳統的三運算放大器發展而成，但一些主要性能卻優于三運算放大器構成的儀表放大器的設計。

圖2 前置放大電路Fig.2 Pre-amplification circuit

為進一步減小共模干擾對心電信號的影響，由U1、R3、R4、C1構成的“浮地”驅動電路，將人體共模信號倒相放大后用于激勵人體右腿，對皮膚電極阻抗不相等而引起的電壓分配效應產生的交流干擾進行了有效的抑制。 U2、U3構成跟隨器，可以穩定輸入信號和提高輸入阻抗，進一步提高共模抑制比。

2.1.2 帶通濾波電路

圖3所示為帶通濾波器，由單運放集成電路OP07構成。OP07具有高精度、低偏置、低功耗等特性，可靈活組成各類放大和濾波電路。 其中 U6、C22、R17、C25、R15組成高通濾波器，為不損失心電信號的低頻成分，截止頻率應低于0.03 Hz，但因為低頻信號會帶來嚴重的基線漂移，因此應該選取可以接受的平衡點，經試驗表明，下限截止頻率取0.15 Hz效果相對比較理想。

2.1.3 主放大電路

主放大電路如圖4所示，由U6、R21、R22構成。考慮到心電信號幅度約為0～4 mV，而A/D轉換輸入信號要求1 V以上，因此，整個信號電路的放大倍數需1 000倍左右。而前置放大電路放大約10倍左右，帶通電路放大4倍左右，因此本級放大倍數設計為30倍左右。

2.1.4 工頻陷波電路

工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前置放大電路對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻干擾是以差模信號的方式進入電路的，且頻率處于心電信號的頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩定等因素，前級電路輸出的心電信號仍存在較強的工頻干擾，所以必須專門濾除。本模塊中采用雙 T 陷波網絡， 由 U5、C14、C15、C20、C21、R5、R7、R9、R10組成，如圖5所示。

2.1.5 電平抬升電路

圖3 帶通濾波電路Fig.3 Band-pass filter circuit

圖4 主放大電路Fig.4 Main amplifier circuit

圖5 50 Hz工頻陷波電路Fig.5 50 Hz trap circuit

經過一系列信號調理后，陷波輸出的心電信號為交變信號，而一般系統中ADC轉換輸入電壓范圍為0～5 V，因此，在送入ADC之前還需進行電平抬升，電平抬升電路如圖6所示。其中，由于前級電路輸出信號帶有微量直流成分，將會影響到抬升電路的實際效果，因此同樣采取阻容耦合方式。

圖6 電平抬升電路Fig.6 Electrical level rising circuit

雙通道心電數據采集系統的兩路心電信號從人體左右手獲取，因此信號頻率特性相同僅波形的形狀不同，因此兩路信號可采用相同的信號調理電路。

2.2 A/D數據采集模塊

采集電路使用內部參考電源以簡化電路設計，在參考電源引腳VREF的接地線之間并聯電容分別為0.1μF和2.2μF兩個電容以消除干擾。待轉換電壓從引腳+In輸入，引腳－In直接接地。由于使用2.5 V片內參考電耗，因此模擬輸入電壓的范圍為0～5.0 V。該電路中由串行時鐘輸入引腳CLK、串行數據輸出引腳DATA和轉換信號輸入引腳CONV組成的串行接口直接與單片機的輸入/輸出引腳連接。ADS7818的時鐘信號由MCU給出，MCU采用定時中斷模式，由定時/計數器0產生定時中斷信號，設定采樣周期為2 ms，采樣精度為12 bit。

2.3 單片機控制模塊

單片機采用STC公司生產的STC89C52，它是一種低功耗、高性能8位微控制器，與 MCS－51單片機產品兼容，并具有8KB在系統可編程Flash存儲器，1 000次擦鞋周期，可全靜態操作，同時具有32個可編程I/O口線，3個16位定時/計數器、8個中斷源、全雙工UART串行通道，并擁有低功耗空閑和掉電模式、看門狗定時器、雙數據指針等。

2.4 無線傳輸模塊

nRF24L01是Nordic公司2005年12月推出的一款工業級內置鏈路層邏輯的2.4 GHz超低成本的無線收發芯片，nRF24L01支持多點間通信，最高傳輸速率達2 Mbit/s，比藍牙具有更高的傳輸速度。其內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。

nRF24L01功耗很低，在-6 dBm的功率發射時，工作電流只有9 mA；接收模式時，工作電流只有12.3 mA；有掉電模式和待機模式兩種低功率工作模式使節能設計更方便。nRF24L01采用GFSK調制，具有自動應答和自動再發射功能，片內自動生成報頭和CRC校驗碼的特性。

3 軟件設計

3.1 nRF24L01工作原理

1）發射數據 首先將nRF24L01配置為發射模式；接著把地址TX_ADDR和數據TX_PLD按照時序由SPI口寫入nRF24L01緩存區，TX_PLD必須在CSN為低時連續寫入，而TX_ADDR在發射時寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發射數據；若自動應答開啟，那么nRF24L01在發射數據后立即進入接收模式，接收應答信號。如果收到應答，則認為此次通信成功，TX_DS（數據發送完成中斷）置高，同時TX_PLD從發送堆棧中清除；若未收到應答，則自動重新發射該數據 （自動重發已開啟），若重發次數（ARC_CNT）達到上限，MAX_RT（重發次數溢出中斷）置高，TX_PLD不會被清除；MAX_RT或TX_DS置高時，使IRQ變低，以便通知MCU。最后發射成功時，若CE為低則nRF24L01進入空閑模式1；若發送堆棧中有數據且CE為高，則進入下一次發射；若發送堆棧中無數據且CE為高，則進入空閑模式2。

2）接收數據 首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進入接收狀態等待數據的到來。當接收方檢測到有效的地址和CRC時，就將數據包存儲在接收堆棧中，同時中斷標志位 RX_DR置高，IRQ變低，以便通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。最后接收成功時，若CE變低，則nRF24L01進入空閑模式1[6]。

3.2 主程序設計

本系統由兩片STC89C52共同組成控制系統，發送端單片機負責AD7818和nRF24L01的初始化以及數據傳送；接收端將接收到的數據通過RS232串口發送至上位PC機中。

1）發送端程序設計 發送端程序流程圖如圖7所示，首先將單片機設為方式1，每隔2 ms產生一次定時器中斷。主程序采用查詢方式判斷發送標志變量flag_Tx是否被置位，如果該標志位為1，則使用無線模塊將緩存數據發送至接收端模塊。發送完成后如果收到應答信號將標志位flag_Tx清零，等待下次中斷；否則自動重發，直至超過重發次數，此時則丟棄本組數據，開始準備傳輸下組數據。進入定時中斷程序后，首先對AD7818進行初始化，并開始采樣，由于該芯片為12位，所以采樣一次可以得到兩個字節數據，同時flag_Sa自加2，當flag_Sa=20即采樣10次時，將數據發送至無線模塊緩存數組中，并置位flag_Tx，清零flag_Sa以及重置定時器。

圖7 發送端程序流程圖Fig.7 Program flow chart of sending side

2）接收端程序設計 接收端程序流程圖如圖8所示，首先對單片機進行串口通信配置以及開外部中斷0，并設置傳輸速率為9 600波特率，然后配置nRF24L01模塊進入接收模式。當收到數據后，nRF24L01模塊IRQ引腳變高產生外部中斷0，并內部置RX_DR為1，進入中斷函數后單片機將無線模塊緩存中數據取出存入接收緩存數組中并置flag_Rx為1，返回主函數后將緩存數組數據經串口發送至上位機完成全部接收工作。

圖8 接收端程序流程圖Fig.8 Program flow chart of receiving side

4 實驗結果

在PC機中使用Visual Basic編寫了一個心電采集系統管理程序，用來顯示從患者處采集到的心電信號，如圖9所示。由圖中可看出經過調理，采集，最終通過無線模塊傳輸至上位機的信號很好的保持了原有信號的特性，失真度較小。

圖9 系統整體實驗結果Fig.9 System experimental result

5 結 論

文中詳細介紹了新型2.4 GHz無線收發芯片nRF24L01的特性和在心電信號采集傳輸方面的應用。測試結果表明，本系統成功地實現了心電信號的采集、無線傳輸以及上位機顯示等功能，擁有性能穩定、成本低、低功耗等特點，在醫療領域具有很大的應用前景。

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