摘要：針對人們對心臟疾病問題的日益關注，介紹了一種新型心電檢測系統，它具有體積小，實用性強，價格低廉等特點，特別適合家庭使用。同時為了解決與PC間的接口問題，依據USB1.1規範，採用PHILIPS公司的PDIUSBD12接口晶片，大大提高了數據傳輸的速度。經實驗檢測，系統運行穩定可靠。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/311528.htm隨著社會的進步和科技的發展，人們對健康觀念、健康方式和途徑都發生著深刻的變化。我國是心腦血管疾病的高發區，然而多數醫院的心電監護設備數量少、不宜移動、且成本高，無法滿足市場的需求。為了滿足對心電監護設備的需求，降低醫療成本，需要一種與PC相結合的心電檢測系統。計算機與外設連接的總線接口由多種形式，其中PCI和ISA總線插拔麻煩，且擴展槽有限;RS232串行總線傳輸速度慢且與主機的串行口數目較少。近幾年USB總線接口異軍突起，它具有熱插拔、即插即用、系統擴展和配置方便，高效數據傳輸等顯著優點，克服了傳統總線接口的缺陷，本文設計的心電監測系統也採用了這種方法。
1 硬體電路設計
1.1 硬體的總體結構
本文設計的心電檢測系統硬體總體結構圖如圖1所示，包括導聯電路，濾波放大電路，微控制器，Flash存儲器，電源變換電路和USB接口電路等幾部分組成。通過電極從人體採集到心電信號，經導聯電路和濾波放大電路後進入單片機的A /D，再經單片機處理存儲到Flash，從而完成心電信號的採集。系統可以通過USB接口電路實現與PC機的通信，將存儲在Flash中的心電數據以文件格式轉存到PC機中，從而實現了數據的無限存儲功能，同時通過VC軟體編程可以在屏幕上顯示心電波形。電源變換電路中採用9V電池供電，體積小巧，易於便攜使用。
1.2 USB接口電路
本文使用的是Philips公司的PDI-USBD12。 PDI-USBD12是一款性價比很高的USB器件，完全符合USB1.1版的規範。它通常用作微控制器系統中實現與微控制器進行通信的高速通用並行接口，並且支持本地的DMA傳輸。此外，PDIUSBD12還集成了許多特性，包括SoftConnetTM、GoodLinkTM、可編程時鐘輸出、低頻晶振和終止寄存器集合。所有這些特性都為系統節約了大量成本，同時使USB功能在外設上的應用變得容易。
圖2為USB接口電路，USB接口採用4線電纜，D+、D -兩根線是用於發送信號，VDD、GND二條線，向設備提供電源。 PDIUSBD12的XTAL1和XTAL2引腳外接6M晶振。數據線和控制線分別與單片機的I /O口相連，通過SPCE061發送命令和數據從而控制USB接口晶片PDIUSBD12，實現數據的快速高效傳輸。
1.3 單片機系統
本文採用凌陽公司推出的16位SPCE061單片機，該單片機具有較寬的電源電壓範圍(2.4～3.6V)，CPU最大速度為49.125MHz，8道10位ADC(A /D的轉換速度最大為96kbps)，片內2k的RAM，32k的Flash，32個I /O接口等特點。 Flash採用凌陽公司512k*8位的SPR4096，工作電壓為2.25～2.75V，它與SPCE061具有很好的相互傳輸能力。
1.4 放大濾波電路
放大濾波電路如圖3所示，前置放大器採用ANALOG DEVICES公司的AD620，這是一款性價比很高的儀用放大器，輸入失調電壓最大為50uV，輸入失調漂移0.6uV每度，共膜抑制比120dB(G=10)，且最大供電電流只有1.3mA。放大器採用低功耗低噪音的TLC2254，每通道供電電流35uA，噪聲為19nV /Hz(1kHz)，非常適合可攜式設備。由於心電信號多在0.5～150Hz，所以需要進行濾波，在TLC2254上加一個0.48～159Hz的帶通濾波器。對於工頻50Hz幹擾，為了減少硬體設計，同時考慮降低功耗問題，將採用軟體濾波方式，經切比雪夫2次濾波和平滑濾波，效果較為理想。由於心電信號存在負值，而凌陽單片機的A /D範圍為0～3。3V，所以必須對信號進行抬壓。這裡採用LM385 -1.2V精密基準電壓源，與信號相加，從而實現了信號所有點的取值為正。
2 系統軟體設計
心電檢測系統的軟體設計包括數據採集存儲程序設計和USB數據傳輸程序設計。
2.1 採集存儲程序設計
採集存儲程序設計如圖4所示，首先對單片機和Flash晶片初始化，設置系統時鐘、採樣頻率、引腳定義等。然後對每次採樣數據進行濾波，由於前邊硬體設計中已經設計了一個帶通濾波器，所以這裡主要考慮去除50Hz工頻以及毛刺。採用切比雪夫I型2次濾波可以有效去除50Hz工頻而平滑濾波，並可以去除毛刺，公式如下：
考慮到使用切比雪夫濾波器產生的係數為小數，為利於計算，將其變換成整數，每部分係數均乘以4096，取整數部分，計算得到的結果再採用右移12位的方法得到最終結果。
圖5為心電信號處理前後對照圖，可以看出效果比較明顯。
2.2 USB數據傳輸程序設計
USB數據傳輸程序設計的目的就是使PDIUS-BD12在USB上達到最大傳輸速度。 PDIUSBD12的程序設計採用中斷驅動，當CPU處理前臺任務時，USB的傳輸可在後臺進行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟體結構。後臺中斷服務程序和前臺主程序循環之間的數據交換通過事件標誌和數據緩衝區來實現。主機首先要發令牌包給PDIUSBD12，PDIUSBD12接收到令牌包後就給單片機發中斷，單片機進入中斷服務程序，首先讀PDIUSBD12的中斷寄存器，判斷USB令牌包的類型，然後執行相應的操作。
SPCE061單片機與PDIUSBD12的通信中，PDI-USBD12負責處理所有與USB總線事務有關的任務，如總線喚醒、數據接收/發送、打包、CRC校驗等，但不負責解釋這些數據的意義;SPCE061負責處理數據、響應主機請求、以及控制PDIUSBD12的工作。主要是靠單片機給PDIUSBD12發命令和數據來實現的。SPCE061的中央處理單元(CPU)通過執行存儲在晶片固件裡的指令集來控制PDIUSBD12的活動。CPU支持一個包括用於移動數據、執行數學和邏輯操作、程序分支等的機器語言指令的指令集。PDIUSBD12的命令字分為三種：初始化命令字、數據流命令字和通用命令字。 PDIUSBD12給出了各種命令的代碼和地址。單片機先給PDIUSBD12的命令地址發命令，根據不同命令的要求再發送或讀出不同的數據。因此，可以將每種命令做成函數，用函數實現各個命令，以後直接調用函數即可。
圖6為程序設計的層次框圖，其中D12CI.C、CHAP9.C和ISR.C可進行固件接口的移植，EPPHAL.C和MAINLOOP.C需自行設計。在MAINLOOP.C中需要設計發送USB請求、讀測試Key、控制LED和和處理USB總線事件。在EPPHAL.C中需設計各I/O口對PDIUSBD12個引腳的控制與數據傳輸。
3 結語
基於USB總線的心電檢測系統的軟硬體設計及開發，充分體現了USB便捷、低成本、高抗幹擾等特點。經測試，工作穩定可靠，心電波形清晰，是一種較為理想的心電檢測系統。由於心電幹擾的複雜性以及軟硬體設計中的限制，心電信號的消噪問題還有待進一步提高。