基于GPRS的远程心电监护系统标准设计.doc

摘要伴随大家生活水平提升和人口老龄化加剧，心脑血管疾病已经成为世界头号健康杀手，并有年轻化趋势。心电信号是生理参数监测关键参数，对预防及早期发觉心脑血管疾病等慢性疾病含有很关键意义。本课题结合远程智能医疗技术，开发一套基于GSM/GPRS便携式远程心电监护系统，实时监测人体心电信号并经过GPRS模块发送到远端医院服务器上，由医生实时查看并分析远程病人心电信号，用以对居家、小区中心心脑血管疾病患者进行立即有效监护及一般疾病筛查和早期诊疗。本课题基于STM32和GPRS设计了远程心电监护系统，设计了标准导联3个通道心电信号调理电路，由STM32自带AD进行心电信号采集、存放至SD卡，并经过GPRS模块将实时监测心电信号数据发送至远程医院服务器和数据库。在远程心电监护终端，设计了触摸屏等人机交互接口，方便用户查看心电信号、进行疾病信息自我管理等。在远程医院医生端，基于Labview，开发了心电数据分析和处理软件，对心电信号进行基线漂移等处理，并对心律等进行检测，给出诊疗结果。关键词：远程心电；心电监护；信号采集；GPRS；心律检测AbstractWith the improvement of peoples living standard and the rapid aging of population in many countries, cardiovascular and cerebrovascular diseases have become the worlds first killer, and have a younger trend. ECG is an important parameter to monitor physiological parameters, and it has a very important significance to the prevention and early detection of chronic diseases such as cardiovascular disease. Based on remote intelligent medical technology, a remote portable ECG monitoring system with GSM / GPRS was developed. Humans real-time monitoring ECG data was acquired and sent to the server and database of remote hospital by GPRS, then viewed and analyzed by experts and doctors, which is very useful for early diagnosis of common diseases and ECG monitoring for the patients at home or community health centers.Based on STM32 and GPRS, a remote portable ECG monitoring system was developed. ECG signal conditioning circuit with 3-channel ECG was designed, and the ECG data was acquired by the ADC of STM32, saved to SD card, and then the real-time ECG data was sent to the server and database of remote hospital by GPRS. At the remote ECG monitoring terminal, human-computer interaction such as touch screen interfaces was designed, which is convenient for the patients to view their ECG data and doctors comments and manage their disease information by themselves. At the remote doctor terminal, a analysis and processing software was designed based on Labview. The ECG baseline drift was removed and some ECG feature such as Rhythm was detected. At last, the diagnosis was obtained.Key words: remote ECG；ECG monitoring；signal acquisition；GPRS；Rhythm detection目录摘要I1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 中国外发展现实状况21.3 本论文关键研究内容42 基于GPRS远程心电监护系统整体设计52.1 远程心电监护系统概述52.2 基于GPRS远程心电监护系统整体设计63 基于GPRS远程心电监护系统电路设计83.1 电源管理电路设计8 3.2 心电信号监测电路14 3.3 嵌入式系统电路设计27 3.4 GPRS电路设计354 系统软件设计38 4.1 嵌入式软件系统步骤图38 4.2 嵌入式软件开发环境405 远程数据处理及labview测试试验41 5.1 心电信号远程数据处理41 5.2 Labview心电信号读取46 5.3 心律检测和报警476 结论和展望52参考文件53致谢551 绪论1.1 课题研究背景及意义伴随大家生活水平提升和很多国家人口老龄化加剧，心脑血管疾病已经成为世界头号健康杀手，并有年轻化趋势。依据世界卫生组织统计，世界范围已经有超出15亿人群患有心血管疾病，每十二个月死于心血管疾病死亡人数已经超出一亿六千万，其中更有80%死者来自于发展中国家1, 2。其次，大家健康意识和保健要求日益增强，这一切推进了医疗模式从以症状诊疗为中心模式向以预防为主、早诊疗、早诊疗模式转变。心电信号是生理参数监测关键参数，对预防及早期发觉心脑血管疾病等慢性疾病含有很关键意义。大多数心脏病患者和正常人有所区分，不管在平时还是病发之前全部会出现一系列心电信号异常。依据统计数据，在普遍人群中，半数以上受检人员能够发觉含有低概率偶发心电信号异常；在患有心脑血管类疾病人群中，受检人员心电信号异常发生率高达80%100%3。所以，立即侦测患者心电信号异常，尽早对患者做出诊疗，查明心电异常发生原因、起源部位，并制订有效抑制和诊疗方案，对于预防和监测心脑血管疾病发生、和帮助医生有效提升工作效率全部含有很关键意义。然而，在大多数发展中国家，没有足够多医疗中心或其它医疗机构来对心脑血管疾病等慢性疾病进行早期监测和预诊疗，很多家庭也无力支付越来越昂贵住院和医疗费用。所以，越来越多最新研究集中于使心脑血管疾病患者在医疗机构外进行居家远程智能医疗技术和设备4。远程医疗是现在医学工程领域中研究热点，能够处理中国和其它发展中国家地广人多、医疗水平发展不均衡问题。发展远程医疗肯定产生对远程医疗设备需求。所以，研究开发可方便穿戴、实用化远程医疗设备含相关键意义。结合嵌入式技术远程医疗打造这个医疗环境使使用者在不妨碍日常工作和生活情况下随时随地地监测生理情况，从而实现疾病早发觉、早诊疗和早诊疗，不仅能提升医护效率，还让患者享受到更满意健康服务5。总而言之，远程心电监护系统对于慢性心脑血管疾病管理和急性心脏病早预警等全部含有很关键研究意义和实用价值。1.2 中国外发展现实状况现在，国外医疗仪器生产厂家和研究机构竞相投入大量人力、物力进行远程心电监护系统开发，关键包含以下多个方面：(1) 由服务器进行分析和处理（Kail, ），关键包含远程心电监测系统等，经过无线电、红外遥测、GPRS、Internet等方法将病人心电数据传到医疗中心进行分析和处理，缺点是要在远端分析处理，实时性不高；(2)流动监测车。经过流动监测车对一定范围内病人进行心电信息遥测和分析处理，危急病人采取救援，缺点是监测范围受到一定限制，不够灵活机动；(3) 由手持终端或移动设备进行实时分析和处理(Jimena, ; Helfenbein, ),能够随时随地在病人身边进行实时分析和处理，缺点是需要有专业心电知识。同时，大多研究均针对于特定ECG信号或心律不齐类别，如Goh et al.()提出用于家庭心脏病护理ECG监测仪基于PDA平台，仅监测心跳情况。Leijdekkers and Gay ()提出个人心脏监测系统仅关注心肌纤颤和心动过速。从应用前景角度来看，第(3)类系统更含有实际意义。相比于(1)类和第(2)类系统，第 (3)类系统含有以下优点：无传输延迟、低传输成本、低功耗。中国心电监测系统科研、生产和国际优异水平相比存在较大差距，高精尖监测设备大部分依靠进口，多年来，部分科研机构和单位对新型心电监测系统进行研发工作。总来说，心电监测系统和设备正向小型化、智能化、集成化、正确化方向发展。现在，存在关键问题包含两个方面：监测实时性和正确性，这两个方面和临床医生要求还存在着一定差距。所以，监测实时性和正确性，是现在中国外研究热点6。中国在远程医疗和远程心电监护方面起步较晚，心脏疾病监测已引发中国不少研究单位和企业重视，并已研制出了便携式和无线心电实时监护系统等设备。心电实时远程监护系统通常由心电检测单元和远程通信单元组成，心电检测单元把检测到心电信号经过有线或无线方法发送到通信单元。通信单元对心电信号进行处理，一旦发觉异常则经过电话线或网络将心电图上网传给医院。这类设备经典产品有清华大学研制心电/血压监护网系统。心电实时监护系统即使很好地处理了心电信号实时监测问题，但它通常不含有移动性，其应用范围和推广全部受到很大限制。为了确保受试者所检测心电信号正确性和科学性，远程心电监护系统要求用户在日常生活中保持一定活动。因为各类远程心电监护通讯方法不一样。系统要求用户活动范围和运动猛烈程度也不一样，使得系统采集信号质量得不到有效确保。正因为如此，因为移动通信能为用户提供更大活动范围、更为灵活通讯方法，基于移动通信技术远程心电监护越来越受到大家重视，并成为当今远程心电监护系统研究热点。1.3 本论文关键研究内容 基于以上分析，本课题拟在开发一个基于GSM/GPRS远程心电监护系统，实时监测人体心电信号并经过GPRS模块发送到远端医院服务器上，由医生实时查看并分析远程病人心电信号。论文关键研究内容可分为以下多个方面： 1、心电监护系统电路设计，包含标准导联心电信号调理电路、基于ARM心电信号采集电路、基于SIM900GPRS模块电路、SD卡数据存放电路和LCD显示电路等等； 2、心电监护系统嵌入式软件设计，关键是基于STM32和MDK嵌入式软件开发和设计，包含系统初始化、心电信号数据采集、GPRS信号发送、SD卡存放等程序模块； 3、基于Labview心电数据仿真和分析系统，包含心电信号仿真、心电信号读取、心率分析等程序设计。 2 基于GPRS远程心电监护系统整体设计2.1 远程心电监护系统概述基于GPRS远程心电监护系统将远程智能医护和移动通信等技术有机结合，使病人和医院能够将远程监护信息及数据经过GPRS传输到远程医院服务大和数据库平台，医生和教授经过读取服务器中数据，即可实时了解并分析在家庭或小区心脑病患者心电情况，而不需要陪在病人身边。在现在大多数国家医疗资源相对担心情况下，基于GPRS远程心电监护系统，可提升心电监护效率，极大解放医生教授，使她们能够为更多病人提供更优质服务8。基于GPRS远程心电监护系统示意图图2.1所表示，在家庭和小区服务站心脑血管疾病患者，由远程心电监护终端实时采集心电信号，并经过GPRS移动网络实时发送到远程医院服务器上。图2.1 远程心电监护系统示意图2.2 基于GPRS远程心电监护系统整体设计 基于GPRS远程心电监护系统，整体框图图2.2所表示，关键包含：心电信号模拟前端设计、心电信号采集和发射系统设计、远程医院服务器及数据库开发、上位机软件设计和数据分析等多个部分。图2.2 基于GPRS远程心电监护系统整体框图 心电信号模拟前端，即心电信号调理电路，关键包含：导联检测、仪表放大、二级放大、右腿驱动、导联切换、带通滤波、50Hz陷波器等，其关键作用是将人体表面心电信号，经过信号调理，转化为稳定、信噪比高、适合AD采集电压信号。心电信号采集和发射系统，由32位ARM，主频72MHzSTM32F103ZET6作为主控芯片，自带12位AD，直接采集经过心电信号调理电路信号，并实时经过GSM/GPRS模块SIM900发送到远程医院服务器和数据库上。服务器端采取PHP语言编写Web数据实时采集程序，可经过输入服务器网址，实时动态地查看各个病人心电信号，也可将这些心电信号数据保留到数据库中，方便对病人心电数据进行长久管理、查看和深入分析。数据库采取Office 自带Microsoft Office Access关联式数据库管理系统，其关键特点是使用简便，可方便地操作网页和管理数据，同时，透过新增加网络数据库功效，在追踪和共享数据，或是利用数据制作报表时，将可愈加轻松无负担，这些数据自然也就更具影响力9。软件和数据分析，采取Labview语言进行设计。Labview是美国NI企业推出一个基于G语言虚拟仪器软件开发工具，含有强大数据采集功效，内含丰富数据采集、数据信号分析和控制等子程序，很适合数据采集和数据采集系统软件开发。 3 基于GPRS远程心电监护系统电路设计基于GPRS远程心电监护系统整体电路图3.1所表示，关键包含：电源管理电路、心电信号调理电路、STM32控制和数据采集电路、GPRS信号发送电路等等。其中，电源管理电路是整个电路系统正常工作基础和保障，心电信号调理电路是远程心电监护系统关键，STM32控制和数据采集电路是系统关键。下面将分各个模块分别进行具体设计。图3.1 基于GPRS远程心电监护系统整体电路3.1 电源管理电路设计 电源管理电路为整体系统提供多种稳定电压和基准源，是整个硬件系统工作基础和保障。基于GPRS远程心电监护系统电路设计中，由大容量3.7V锂电池进行供电。电源管理电路关键包含以下多个模块：锂电池充电电路、锂电池升压电路、正负电压转换电路、5V转3.3V电路和外部电压基准电路，下面将对这多个模块电路分别进行设计。3.1.1 锂电池充电电路 锂电池具体一定使用寿命和容量，充电不合理，会对锂电池使用寿命、充电次数、充电容量等造成极大损害。依据锂电池结构特征，最高充电终止电压应为4.2V，不能过充，不然会因正极锂离子拿走太多，而使电池报废。其充放电要求较高，可采取专用恒流、恒压充电器进行充电。科学充电过程图3.2所表示10，低于2.9V时采取低电流预充状态，当电池电压大于2.9V时开始进行恒流充电，恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电，当恒压充电电流降至100mA以内时，应停止充电。图3.2 锂电池充电过程基于以上分析，锂电池充电电路以LTC4051及其外围电路进行设计。LTC4054是一款完整单节锂电池恒流恒压线性充电IC，它采取极小SOT23-5封装，只需要外接极少外部元件，即可完全适适用于便携式产品应用。它关键特点是：充电电流可编程，最大可至800mA；恒流恒压充电并有过温保护；可从USB口直接给单节锂电池充电；预设4.2V充电电压，精度可达1%；可设为涓流充电和无涓流充电模式；并可有效限制冲击电流等等。这些特点，使得LTC4054很适合基于GPRS远程心电系统充电和保护电路。锂电池充电电路图3.3所表示，由充电器或USB线接入5V电源，BAT输出管脚直接接3.7V锂电池，电阻R12用来调整充电电流大小。图3.3 锂电池充电电路3.1.2 锂电池升压电路锂电池正常状态下电压为3.7V，刚充满电时放电电压为4.2V，经过10-30分钟降到3.7V，在3.7V工作若干小时后，放电电压逐步下降。而系统正常工作需要+5V、-5V、3.3V等电压，直接由锂电池供电，即不稳定，也不满足需要，所以，需要锂电池升压电路，将3.3V升为5V，深入转化为-5.5V、3.3V、+2.5V等系统所需要电压。锂电池升压电路图3.4所表示，由MAX1797及其外转电路进行设计。MAX1797是低电源电流、升压型DC-DC转换器，可真正关断，而且含有97%以上电源转换效率，很适适用于便携式设备锂电池升压电路。为了使锂电池电压降到一定程度时关断电池供电，对锂电池起到一定程度保护作用，锂电池升压电路在设计时，增加了开断电路，图3.3中由R1、R2、R6、Q1、R3组成。关断电压Voff计算公式为：Voff=R2/(R1+R2)*3.7V图3.4锂电池升压电路3.1.3 正负电压转换电路因为心电信号值动态范围比较大，有正有负，因为信号调理电路运算放大器需要正负电源双极性电源供电，这就需要设计正负电压转换电路，将+5V转化为-5V。正负电压转换电路图3.5所表示，由maxim企业高效率、低IQ、DC-DC反相器MAX764及其外转电路进行设计。MAX764是美信企业生产反极性开关稳压器，这类稳压器在过负载时含有高效率，因为它是脉冲调制，所以使用时它电路消耗低于120uA。因为这类IC是脉冲调制，它有很高开关频率（300KHZ），这个元件能够使用很小外部贴片元件，而且不需要考虑电磁干扰。图3.5 正负电压转换电路3.1.4 5V转3.3V电路STM32等数字部分，工作电压为3.3V，所以需要将5V电压转换为3.3V电压。稳压芯片关键分为线性稳压芯片和开关稳压芯片2大类，线性稳压芯片关键特点是：电源稳定性好、纹滤小。5V转3.3V采取常见线性稳压芯片LM1117-3.3及其外围电路进行设计，电路图3.6所表示：图3.65V转3.3V稳压电路3.1.5外部电压基准电路外部电压基准电路关键作用是：.为STM32AD提供稳定外部电压基准，提升AD采样精度和稳定性；.为运放放大器提供偏置，将负心电信号转换为以.V为中心正信号。外部电压基准电路，采取TI企业低温漂精密外部电压基准REF5025进行设计。REF5025是2.5V低噪声、极低漂移、高精度电压基准，温漂小于10ppm/，很适合作为外部精密电压基准。外部电压基准电路图.所表示：图3.7 外部电压基准电路3.2 心电信号监测电路3.2.1 心电信号特点及标准导联电路 经典心电波形图图3.8所表示，包含:P、Q、R、S、T多个波峰和波谷，并形成P-R段、S-T段和P-R间期、Q-T间期等波段11。 图3.8 心电图经典波形图把测量电极放在人体表面合适部位，实时统计出来心脏电位改变曲线，即可反应了心脏兴奋产生、传导和恢复过程改变，也就是说，心电图统计是心脏活动过程中所产生生物电信号。假如人体心脏发生病变，心电图波形上会有显著表现，图3.9所表示，为正常心电信号和异常心电信号波形对比图。其中，a图为正常心电信号波形图，b图为心室颤动时心电波形图，c图为室性心律过快时心电波形图。图3.9 正常和异常心电图对比测量心电信号，需要把心电电极放置在人体表面，医学上称之为导联连接，常见导联有标准导联、单极加压肢导联、单极胸导联、12导联等方法。单极性导联只能测量一个通道心电信号，在医学上应用价值不大，12导联过于复杂，适合在医院病房里使用，所以，基于GPRS远程心电监护系统，采取标准导联方法进行测量。3通道标准导联连接示意图，图3.10所表示。右上肢、左上肢及右腿组成第1个通道，即导联I，右上肢、左下肢及右腿组成第2个通道，即导联II，左上肢、左下肢及右腿组成第3个通道，即导联III12。图3.10 3通道标准导联示意图设ER、EL、EF分别表示右上肢、左上肢、左下肢实际电位值，三路标准导联电压值分别标识为：VI=ER-ELVII=ER-EFVIII=EL-EF由上式能够推导出，在任意时刻，全部有VIIVI +VIII，标准导联能反应出心脏大约情况。当出现后壁心肌梗死、心律失常等心脏疾病时，在II导联和III导联，能够看到显著心电波形改变。标准导联心电信号监测整体电路图3.12所表示，每个通道全部要经过仪表放大、二级放大等将心电信号放大到适合AD采集范围，再经过0.05Hz高通滤波和150Hz低通滤波组成0.05150Hz带通滤波电路，只保留有用心电信号，滤除其它高频和直流信号。另外，在实际使用过程中，电路常常会受到50Hz工频干扰影响，例心电信号波形产生很大畸变和信号失真，为此，专门设计了46Hz和54Hz陷波器组成宽范围陷波器，以滤除工频干扰影响。经过信号调理心电信号，由STM32单片机控制ADC进行采集，并由GPRS模块发送到远程医院服务器上。图3.12 3通道标准导联心电检测整体电路框图3.2.2 标准导联心电信号放大电路 基于以上分析，设计3通道心电信号放大电路图3.13、图3.16和图3.17所表示。下面以第1通道心电信号调理电路为例进行分析和设计。R5和C3、R10和C8分别组成RC低通滤波器，对人体经过导联线心电信号进行预处理，消除高频干扰影响，滤波器截止频率计算公式为：为预防心电波形畸变，预处理电路低通滤波器，截止频率不宜过低，R取390K，C取47pF，则截止频率为8.6KHz。二极管D1和D2、D3和D4组成保护电路，因为二级管单向导通性，故可将电压钳制在-VCC+VCC之间，即-5V+5V，其关键作用有2个方面：1.停止人体高压静电击空电路；2.预防220V高压进入人体，确保人体安全。图3.13 第1通道心电信号调理电路 对于经过预处理以后心电信号，采取仪表放大器电路进行处理。仪表放大器（IA）是一个满足下列技术要求差分放大器：1.极高（理想为无限大）共模和差模输入阻抗；2.很低（理想为零）输出阻抗；3.正确和稳定增益，通常在11000倍。仪表放大器关键用于正确放大一个共模干扰存在微弱电平信号，在生物医学中被广泛采取。 仪表放大器经典结构图3.14所表示，通常地，取R1=R2=R4=R5=Rf=R，则信号放大倍数为G=1+R/Rg。借助固定电阻R，能够经过调整Rg值可调整放大倍数和信号增益。大部分仪表放大器芯片，内部已经集成了内部3个运放放大器和5个电阻等电路，只需要外接一个电阻Rg即可，经过改变Rg大小，即可调整放大倍数13。图3.14 仪表放大器经典结构 仪表放大器采取极低漏电流精密仪表放大器INA326进行设计，INA326内部结构和经典电路图3.15所表示14。图3.15 仪表放大器INA326内部结构及经典电路 INA326仪表放大器增益计算公式为：G=2R2/R1.对于图3.13，所设计第1通道心电信号调理电路，放大倍数为G=2*100/(24+24)=4.2倍。采取2个24K电阻原因是，求2个导联信号平均值作为基准点，经过U7A组成电压跟随器，提升驱动能力，深入放大后接入右腿，组成右腿驱动电路。右腿驱动电路作用是减小共模干扰，提升信噪比。因为心电信号极其微弱，而且因为人体静电、工频干扰等电磁干扰严重，这种干扰信号会掩盖真实心电信号，而右腿驱动电路将共模信号平均值再接回人体作为参考，可抵大大抵消掉这些干扰信号，提升信噪比。对于仪表放大器INA326, 参考端R6和C11并不是直接接在GND上，而是经过INA326输出端经过由OPA2335、R14和C14组成积分电路, 将输出作为“浮点地”接入INA326参考点。这种接法可深入减小干扰、提升信噪比。经过仪表放大器以后心电信号，仍然是十微弱，这时候需要进行二级放大，图3.13所表示后置放大电路，由极低暗电流精密运算放大器OPA2335进行设计。信号放大倍数为：1+R19/R24=101倍。在R19两端并联22pF小电容，其作用是预防放大倍数过大而对心电信号引发振荡和信号失真。因为心电信号电压范围是有负有正，而STM32AD测量范围是0-2.5V，所以，要将负电压信号转换成正电压信号，才能最终送给AD测量。采取外部电压基准提供+2.5V作为基准，接入OPA2335同相端，依据“虚短”、“虚断”概念，则反相端电压也为+2.5V。这相当于给心电信号增加了2.5V偏置，也就是心电信号范围为以2.5V为中心，而不是之前以0V为中心有正有负了。第2通道心电信号调理电路和第3通道心电信号调理电路，和第1通道心电信号调理电路基础上一模一样，图3.16和图3.17所表示，这里不再进行具体分析。值得说明是，3个通道全部接了右腿驱动电路，最终全部接在右腿上，原因是取3个通道反馈右腿驱动信号平均值，接入人体作为心电信号基准。图3.16 第2通道心电信号调理电路图3.17 第3通道心电信号调理电路3.2.3 导联切换电路因为3个通道心电信号电路一模一样，所以没有必需将3个通道全部电路全部设计出来，本设计经过STM32控制模拟开关切换方法，将3个通道心电信号调理电路设计为1个通道，可有大大减小硬件系统成本、体积等。导联切换电路设计在信号调理电路（带通滤波、陷波器等）之前而不是直接从导联处切换原因是，直接从人体得到电压信号，极其微弱，而且干扰比较严重，模拟开关切换，很轻易引发更大干扰。而经过仪表放大、二极放大以后信号，信噪比、抗干扰能力全部已大大增强，模拟开关不会引发干扰，即使有干扰也不会被放大电路所放大。导联切换电路图3.18所表示，由高速模拟开关TS5A3357进行设计。模拟开关由STM322路IO口接入TS5A3357IN1和IN2进行控制，当IN1=0/IN2=0时，第1通道心电信号VO1和COM导通，当IN1=0/IN2=1时，第2通道心电信号VO2和COM导通，当IN1=1/IN2=0时，第3通道心电信号VO3COM导通。经过模拟开关切换3个通道心电信号，依次送入信号调理电路进行深入处理。图3.18 导联切换电路3.2.4 带通滤波电路 信号调理电路关键包含带通滤波电路和陷波器电路。带通滤波电路由截止频率为0.05Hz2阶有源高通滤波器和截止频率为150Hz2阶有源低通滤波器组成。0.05Hz高通滤波器采取2阶有源巴特沃斯滤波器进行设计，电路图3.19左半部分所表示。截止频率计算公式为：二阶有源滤波器设计，首先确定电容C大小，然后依据上述公式计算电阻R大小。通常地，截止频率0-100Hz，C范围取110uF。本2阶高通滤波器截止频率为0.05Hz，取C=1uF，由公式计算，得到R值约为2.7M欧姆。因为元件值不是任意，而是部分固定值，所以选择2.7M欧姆电阻和1uF电容，根据上述公式计算出截止频率为0.06Hz，满足要求。二阶低通有源滤波器也采取巴特沃斯滤波器进行设计，参数分析和设计过程，和二阶低通滤波器一样，依据截止频率和计算公式，取C=1uF，则R大小约为1K欧姆。当取C=1Uf，R=1K欧姆时，计算出频率频率为159Hz，满足要求。图3.19 带通滤波电路3.2.5 陷波器电路 50Hz干扰为人体所携带，会引入心电监护系统，对信号造成严重干扰，甚至会淹没信号。工频干扰形成原因是，室内电源及多种电器上基础上采取50Hz交流供电，所以这些电器会辐射出50Hz电磁波，人体是电良导体，和测量设备电源线之间会形成电容耦合，以位移电流形式引入。工频干扰频率是50Hz，设计较理想带阻滤波器，即可将工频干扰滤除。50Hz带阻滤波器采取带正反馈有源双T带阻滤波器进行设计，也就是常见双T陷波器。不过，实际上，因为电子元器件本身误差，会引发双T陷波器中心频率不是50Hz，比如，常见电容精度是10%，电阻精度相对高部分，但通常也说也高于1%，中心频率偏移，在50Hz处带阻效果会不减弱甚至没有效果，就会对50Hz陷波器效果造成极大影响，并不能起到完全滤除工频干扰作用。基于此，设计了中心频率和46Hz双T陷波器和中心频率为54Hz双T陷波器，以组成2阶叠加双T陷波器，首先，能够使带阻带宽加大，预防带阻频率偏出50Hz，其次，能够叠加陷波器效果，提升工频信号衰减增益。46Hz和54Hz双T陷波器电路图3.20和3.21所表示。截止频率计算公式全部是：由上述公式计算，对于图中选定电阻和电容值，2个双T陷波器截止频率为45.9Hz和54.4Hz，满足要求。电路中R64和R65、C61和C62和R66和R63、C63 和C64取一样大小并联而不是并联值原因是，实际上常见并没有对应该并联值电阻和电容。图3.20 46Hz双T陷波器图3.20 54Hz双T陷波器 经过信号调理电路电压信号，电压范围是以2.5V为中心，而STM32采取外部+2.5V作为电压基准，能测量电压信号范围是0-2.5V，所以，要对经过信号调理电路电压信号进行分压，图3.20电路中R53和R58组成电阻分压电路，将心电信号范围变为0-2.5V，这么，就能够送给STM32AD进行心电信号采集。3.3 嵌入式系统电路设计 嵌入式系统电路以32位ARM微控制器STM32F103ZET6为关键进行设计。STM32F103ZET6是增强型32位基于ARM关键带512K字节闪存微控制器，主频72MHz，并支持单周期乘法和硬件除法，接口和外围资源很丰富，自带12位AD，可经过串口下载烧写程序，或经过SWD方法调试下载程序，使用很方便，是现在最流行32位微控制器。STM32F103ZET6自带12位AD用于采集心电信号，FSMC用于控制LCD和触摸屏， SDIO用于SD卡数据存放，串口2用于连接GPRS发送数据，这些独特特征，使得STM32F103ZET6很适合作为远程心电采集系统控制关键。STM32F103ZET6结构框图（部分）图3.21所表示。图3.21 STM32F103ZET6结构框图（部分）3.3.1 STM32最小系统和AD采集电路 STM32最小系统和AD采集电路，图3.22所表示。关键包含：复位电路、晶振电路、电源电路、SWD电路（等同JATG电路）、开启模式设置电路、串口接口电路等。其中，复位电路作用是给STM32控制系统进行硬件复位，晶振电路为STM32提供外部系统时钟和RTC时钟，SWD电路能够调试或下载程序。STM32最小系统电路比较简单，不再具体分析。需要注意是，模拟电源和数字电源，要分开，最终经过0欧姆电阻单点连接。每个模拟电源和数字电源旁边，要放一个104小电容退耦，以减小电源纹波，提升STM32抗干扰能力。AD采集电路直接接入STM32ADC1AIN0通道，依据前面分析 ，ADC电压基准采取外部精密电压基准REF5025进行设计。电压信号测量范围是0-2.5V，12位AD，则精度能够达成：2.5V/4096，约为0.6mV。图3.22 STM32F103最小系统和AD采集电路3.3.2 LCD触摸屏电路 为了能在远程心电终端上实时显示心电图和终端工作状态信号，设计了LCD触摸屏电路，图3.23所表示。LCD触摸屏采取2.8寸电阻式触摸屏，分辨率为480*320，16位色（6万5千色）显示支持。LCD触摸屏由STM32F103FSMC总线进行控制和通信。STM32作为新一代ARMCortex-M3核处理器，而其特殊可变静态存放技术FSMC含有高度灵活性和极快传输速度，对于存放容量要求较高嵌入式系统设计，和刷新速度，很能够在不增加外部分立器件情况下，扩展多个不一样类型和容量存放芯片，降低了系统设计复杂性，提升了系统可靠性。图3.23 2.8寸LCD触摸屏电路3.3.3 SD卡电路 基于远程GPRS心电监护系统，心电数据关键经过GPRS移动通信网络实时发送到远程医院服务器，但一些情况下，假如网络信号不稳定等，数据将会丢失，这对慢性病管理来说，是不科学，理想情况下，假如网络信号不稳定，能够将数据保留下来，当网络信号稳定时候，再经过GPRS将保留心电信号数据发送出去。针对这一需要，设计了SD卡数据存放电路，图3.25所表示。STM32经过SPI接口对SD卡进行数据读写。STM32自带4线制SPI总线，支持18Mhz时钟速度，可经过STM32下位机程序建立文件系统，实现SD卡数据高速读写。STM32和SD卡SPI总线为4线制SPI总线，其中，SD_CS为片选信号，SPI1_SCK为控制时钟信号， SPI1_MOSI和SPI1_MISO为数据信号。4条信号线分别经过上拉电阻接到3.3V，能够提升通信稳定性。通常地，上拉电阻取值范围为210k欧姆，这里取4.7K欧姆。、图3.25 SD卡数据存放电路3.3.4 其它外围电路 对于远程心电监护系统，人机交互是必不可少一部分，关键包含:按键电路、LED指示灯电路、蜂鸣器电路等。按键电路用于设置和调整远程心电监护系统终端参数，LED用来指示终端及GPRS等模块工作状态，同时，LED可结合蜂鸣器，用于严重心脏病症声光报警。按键电路图3.26所表示，为KEY0、KEY1、KEY2、KEY3四个按键，分别接入STM32PB4PB7，R78、R79、R80、R81为4个上拉限流电阻，当按键按下时，对应IO口输入值为低电平，当没有按键按下时，对应IO口检测值为高电平。由STM32实时检测这4个IO口状态来判定哪个按键按下，和要进行哪些参数设置和调整。图3.26 按键检测电路 图3.27为4路LED指示灯电路，分别接入STM32PB9PB12。当对应IO口输出高电平时，LED灯灭，当对应IO口输出低电平时，对应LED亮。R74R77为限流电阻，经过调整它们阻值大小，能够改变对应LED亮度。图3.27 LED指示灯电路图3.28为蜂鸣器电路，由STM32PB8进行控制，当PB8输出高电平时，三极管Q2导通，蜂鸣器发声，当PB8输出低电平，三极管Q2截止，蜂鸣器不发声。图3.28 蜂鸣器电路3.4 GPRS电路设计GPRS模块采取SIM900A进行设计。SIM900A是SIMCOM企业工业级双频GSM/GPRS模块，工作频段双频：900/1800MHz，能够低功耗实现语音、SMS短信、数据和传真信息传输。SIM900A支持RS232串口和TTL串口，并带有硬件流控制，支持AT命令控制，支持从1200bps115200bps范围通信速率（带自动波特率检测）。SIM900A实物图图3.29所表示。图3.29 SIM900A实物图以S