便携式心电监护仪的设计.pptx

便携式心电监护仪的设计便携式心电监护仪的设计便携式心电监护仪的设计第1页2摘要摘要 本章依据心电信号生成及特点，提出便携式心电监护仪设计要求，并确定系统实现功效。在此基础上，设计便携式心电监护仪总体方案，包含前端模拟电路结构，处理器选择，数字系统结构等。便携式心电监护仪的设计第2页3一、一、便携式心电监护仪便携式心电监护仪总体总体设计设计方案方案1.11.1便携式心电监护仪设计要求与实现功效便携式心电监护仪设计要求与实现功效 经过前一节阐述可知心电信号是一个经典体表电信号，含有生物电信号普遍特征，如信号源内阻较大、频率低、背景噪声强且易受外界原因干扰等，为采集和测量带来了难度。因为本系统需要进行较多处理与运算，所以对处理器数据处理能力和速度有较高要求。假如选择速度较快处理器，则外围设备也要有与之相适应性能指标。综合考虑各个方面原因，系统总设计要求以下：（1）对微弱心电信号进行放大和滤波等必要信号处理，包含：1）前置放大个别电路含有高输入阻抗，方便拾取微弱信号，同时有高共模抑制比，以消除工频及电极极化电位干扰；便携式心电监护仪的设计第3页4 2）设计合理有源滤波器，能够进行0.03-100Hz带通滤波，抑制50Hz工频信号；3）适当增益且可调整，方便处理心电信号幅度波动较大情况；4）低噪声，低飘逸，使微弱且信噪比低心电信号不被淹没并防止前置放大器饱和；（2）进行复核数据要求采集1）依据MIT心电数据库，普通心电数据位数普通在10位以上，故本系统也满足此要求；2）依据奈奎斯特准则，采样平率要求信号频率2倍以上，所以系统数据采样频率最少要到达200Hz以上；（3）选择适当处理器和外围设备 1）运算速度快，实时性好，功耗低，外围接口丰富；2）有良好开发环境支持。便携式心电监护仪的设计第4页5在此基础上，确定心电监护系统要实现总体功效是：（1）确保安全性，确保人体绝对安全。（2）对放大和滤波处理后心电信号进行实时不掉点采集和传输，到达12位分辨率、200Hz采样频率。（3）硬件平台能够运行嵌入式Windows CE操作系统。（4）系统中有大容量外部存放器，能够将U-BOOT、内核和文件系统等映像文件和心电数据统计于外部存放器中。（5）实现良好人机接口，使用户能够经过触摸屏控制程序运行，经过LCD液晶屏观察心电信号。（6）实现通信功效，能够与PC机直接通信，也可经过互联网实现远程监护。1.21.2便携式心电监护仪总体方案便携式心电监护仪总体方案 便携式心电监护仪由电源及充电切换电路、医用电极、输入缓冲及十二通道切换电路、心电信号调整电路（前置放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、陷波电路、末级放大器）、ARM9处理器、LED显示器、键盘及报警电路、便携式心电监护仪的设计第5页6片外存放器、控制逻辑等组成，便携式心电监护仪组成框图便携式心电监护仪的设计第6页7 医用电极从人体体表提取心电信号，经过屏蔽电缆连接到含有过压保护功效输入缓冲及通道切换，屏蔽电缆减小了分布电容影响，过压保护可预防人体静电对电路造成破坏。经典心电信号峰峰值为1mV，信号频谱分布在0.03-100Hz，经过心电信号调理电路滤波放大处理后变为0-5V信号，送入模数转换器控制，简化了电路设计。模数转换器转换后心电信号依据需求可直接或者经控制逻辑数字滤波后传输至ARM系统，同时保留于片外存放器。控制逻辑与片外存放器间采取DMA方式通信，有效降低芯片工作时间，降低能耗。AMR系统处理器采取Samsung 企业S3C2440A，其体积小，功耗低，存放容量大，是研制便携式心电监护系统硬件基础，主要完成人机交互LED显示和控制，运行心电信号预警判别算法，提升上位机接口。为了深入简化电路设计，降低系统成本，利用SC2440A处理器本身丰富外围接口代替无线通信模块实现与上位机数据传输，有RS232、I2C、SPI、USB等各种通信协议选择，增加系统配置灵活性。便携式心电监护仪的设计第7页8二、二、便携式心电监护仪数字系统设计便携式心电监护仪数字系统设计 心电信号数字处理个别需要完成功效包含：对完成调整心电信号进行高分辨率A/D采样；将数据存放于片上或者片外存放介质；与上位机通信；心电波形实时显示等。满足上述需求数字系统CPU要求功效强、功耗低、开发便利，综合考虑采取Samsung企业ARM9系列S3C2440A处理器。2.2.1 1 电路总体结构框架设计电路总体结构框架设计便携式心电监护仪的设计第8页9 2 2.2.2 电源方案设计与实现电源方案设计与实现 为了确保便携式心电监护仪连续运行能力，系统有两套电源方案：（1）采取1800mAh锂离子电池供电，其能量密度高、工作范围广、无记忆效应等优点使其尤其适合便携式设备能量处理方案；在允许外接电源情况下由电源适配器向系统个别供电，同时经过充电切换电路对锂离子电池充电。可依据实际情况选取微型继电器或者模拟开关完成切换进行充电。电源系统结构如图便携式心电监护仪的设计第9页102 2.3.3数据存放及传输设计数据存放及传输设计 本监护仪设计中采集心电信号最高频率为100Hz，所以，采样率应不低于200Hz，以确保转换后信号不失真。若以12位精度进行采样，一次转换数据需要两个字节存放空间，统计二十四小时心电数据最少需要32.9MB存放空间，且要求存放器要含有掉电不丢失特点。综合以上原因，选择Flash存放器作为心电监护仪主要存放介质。Flash存放器是一个可在线屡次擦除非易失性存放器，掉电后数据不会丢失，并含有体积小、功耗低、抗震性强等优点。便携式心电监护仪的设计第10页11总总 电电 路路 图图便携式心电监护仪的设计第11页12小结 本章阐述了心电监护仪低功耗设计，低功耗设计并非是某一层面、某一角度设计问题，应该从整体角度加以考虑，是一个硬件设计与软件控制相互配合协调过程。监护仪使用了低功耗期间，采取时钟频率调整和动态电压调整技术完成底层功耗控制；经过在应用层软件中实施特定控制策略降低功耗，给出了模拟电路和ARM系统在Pspice下功耗仿真结果；讨论了算法复杂程度对功耗影响，从软件角度提出了有效优化能量消耗办法。便携式心电监护仪的设计第12页