心臟病是威脅人類生命與健康的最大頑疾， 其具有突發(fā)性、難預(yù)測、死亡率高等特點(diǎn)，因此對 患者的心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測顯得尤為重要? 。 大部分患者需要能隨時(shí)提供心電監(jiān)護(hù)的儀器，并 且使其工作和生活不會(huì)受到影響?；谶@種轉(zhuǎn) 變，無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究在近年來引起了國 內(nèi)外的高度重視。例如李享元 等人研制的基于 GPRS的遠(yuǎn)程移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，Rune Fensli 等 人研制的無線便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，Salvador 等 人研制了一種對于出院患者進(jìn)行心電跟蹤監(jiān)護(hù)的 系統(tǒng)。

　　由于大多數(shù)心電監(jiān)護(hù)儀成本較高，操作復(fù)雜，不 宜在家庭中普及，因此，作者研制一種能夠?qū)崟r(shí)采 集、分析及報(bào)警的家庭心電監(jiān)護(hù)儀，患者可以通過佩 戴一個(gè)便攜式的儀器，對心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分 析，并對心率失常情況給予診斷及報(bào)警，當(dāng)患者在規(guī) 定時(shí)間(10s左右)無法解除此報(bào)警時(shí)，表明患者確 實(shí)突發(fā)心臟病，監(jiān)護(hù)儀可以通過GPRS無線模塊以發(fā)送短消息的方式通知其家屬，并通過撥打電話進(jìn) 行語音報(bào)警；此監(jiān)護(hù)儀還可作為緊急醫(yī)療救助報(bào)警， 即當(dāng)患者感覺不適，可按下求助鍵，自動(dòng)撥通求助電 話，為患者爭取寶貴的救治時(shí)間。系統(tǒng)操作簡便，非 常適合患者在家中使用。

　　1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及原理

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　通過電極從人體上取得的心電信號(hào)，經(jīng)過模 擬放大電路的放大、濾波處理之后進(jìn)入MSP430單 片機(jī)，利用單片機(jī)內(nèi)部的ADC12轉(zhuǎn)換模塊對模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣頻率為200Hz，并且將采 集到的波形送到液晶顯示器上顯示。待波形穩(wěn)定 后，每隔3 s進(jìn)行一次ECG檢波分析，得出實(shí)時(shí)心 率并顯示，從而判斷心率是否失常，如果產(chǎn)生心電 異常立即報(bào)警，當(dāng)患者在一定時(shí)間內(nèi)無法自己解 除報(bào)警時(shí)，啟動(dòng)無線報(bào)警模塊以發(fā)送短消息的方 式通知其家屬，并通過撥打電話進(jìn)行語音報(bào)警。

　　1．1 核心控制單片機(jī)

　　該系統(tǒng)的微控制器采用的是TI公司最近推出 的超低功耗16位單片機(jī)MSP430F44X，適合手持設(shè) 備的應(yīng)用，主要特點(diǎn)包括：1．8～3．6V的低電壓工作 范圍；有五種節(jié)電模式，從等待模式喚醒的時(shí)間不超 過6 s；16位的精簡結(jié)構(gòu)指令，高效的尋址方式，指 令時(shí)間周期僅為125as，大部分指令可在一個(gè)指令 周期內(nèi)完成；器件片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，無需仿真 器和編程器，方便設(shè)計(jì)者開發(fā)調(diào)試。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主 要包括：16位的CPU、程序存儲(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器(RAM)、FLL+時(shí)鐘系統(tǒng)(片內(nèi)DC0)、看門狗 定時(shí)器(watchDog)、ADC12(12位A／D)、比較器A [精確的模擬比較器，常用于斜邊(S10pe)A／D轉(zhuǎn) 換]、復(fù)位電壓控制／電源電壓管理、基本定時(shí)器 (Basic Timer1)、定時(shí)器(Timer—A和Timer．B)、LCD 控制器／比較器(多達(dá)160段)、硬件乘法器、6個(gè)I／ 0端口和2個(gè)串行口[5 3。系列中各種具體的型號(hào)稍 有差別。在本次設(shè)計(jì)中，選用MSP430F449作為系 統(tǒng)的控制器。

　　1．2 心電采集模塊

　　心電采集模塊主要包括心電信號(hào)的采集、放大 濾波及電平提升電路，如圖2所示。心電信號(hào)的采 集是通過電極從人體上取得心電信號(hào)，體表ECG一 般只有0．05—5mV，頻譜范圍在0．5～lOOHz，具有 微弱和易受干擾等特點(diǎn)。因此放大濾波電路采用高 輸入阻抗、高共模抑制比的差分放大電路進(jìn)行前置 放大，可以抑制零點(diǎn)漂移，增大輸入阻抗，減少共模 信號(hào)干擾。帶通濾波電路主要由高通濾波器和低通 濾波器組成，通頻帶為1～100Hz，濾除心電頻率范圍以外的干擾信號(hào)。主放大器將ECG信號(hào)進(jìn)一步 放大到合適范圍(1000倍左右)后，經(jīng)過50Hz陷波 處理濾除工頻干擾，進(jìn)行電平提升后送人核心控制 模塊MSP430F449。

　1．3 液晶顯示及鍵盤接口電路

　　本系統(tǒng)的人機(jī)交互功能是通過液晶顯示器 (LCD)和鍵盤來實(shí)現(xiàn)，通過功能按鍵來選擇菜單條 目，執(zhí)行對應(yīng)的功能。鍵盤的設(shè)計(jì)可分為獨(dú)立按鍵 式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤使用按鍵與單片 機(jī)的I／O端口線直接連接，一般用于少量按鍵的情 況下，而矩陣式鍵盤適用于按鍵較多，I／O 口線相當(dāng) 緊缺的場合。采用矩陣式鍵盤，如圖3所示，鍵盤使 用P1．1～P1．7共7根口線12個(gè)按鍵，鍵盤為3×4 格局，P1．1、P1．2、P1．3為行線，P1．4、P1．5、P1．6、 P1．7為列線。列線分別由上拉電阻上拉到VCC，在 行線與列線的每個(gè)交界處有一個(gè)按鍵，按鍵的兩端 分別接在行線和列線上。目前只用到4個(gè)按鍵，分 別為功能鍵、選擇鍵、取消鍵及確認(rèn)鍵，其余為今后 功能擴(kuò)展所預(yù)留。

　　系統(tǒng)選用ZJMI2864點(diǎn)陣液晶顯示器來顯示采 集到的心電波形，并將計(jì)算出的實(shí)時(shí)心率和ECG檢 測結(jié)果顯示到液晶屏上。液晶顯示器ZJM12864是 一個(gè)128×64的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，STN黃綠模式， 可顯示圖形和文字。該液晶顯示器通過控制器 KS0108B與MSP430F449單片機(jī)直接相連，接收 MCU的指令，完成顯示功能。液晶顯示器具有8位 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線，6位控制線以及電源線，其與單片機(jī) 的連接電路如圖4所示。液晶顯示控制模塊中使用 RS，R／W，E，CS1，CS2作為與MSP430數(shù)據(jù)總線接 口的控制信號(hào)。RS是數(shù)據(jù)／指令控制信號(hào)，它控制存取的方式，可實(shí)現(xiàn)讀寫指令或接受數(shù)據(jù)。R／W 是 讀寫控制信號(hào)，高電平時(shí)液晶顯示器工作在讀模式， 低電平時(shí)工作在寫模式。CS1、CS2是片選信號(hào)，高 電平有效，控制液晶的左右半屏顯示。

　　1．4 無線通訊模塊及串行接口

　　在本系統(tǒng)中，無線通訊模塊采用的是西門子公 司的GSM／GPRS無線模塊MC55，它是當(dāng)今市場上 尺寸最小的三頻模塊，其緊湊型設(shè)計(jì)特別適用于便 攜式設(shè)備。該模塊體積小(5．5g)，功耗低(峰值電 流450mA)，控制簡單，內(nèi)置AT指令集、TCP／IP協(xié) 議。在單片機(jī)的控制下，利用現(xiàn)有的GSM 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 信號(hào)的處理和傳輸，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)護(hù)的目的。 MC55模塊可以快速可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音傳輸、 短消息以及傳真服務(wù)等無線通訊功能。它提供一個(gè) 50管腳的零插入(ZIF)連接器，該連接器中包括了 電源接口、串行接口、音頻接口、SIM卡接口等幾個(gè) 子接口，可以通過這些接口分別與SIM 卡座、天線 及主控制器相連。 實(shí)際使用過程中，通過相應(yīng)的外圍接口電路，可 將其做成一個(gè)相當(dāng)于配備有SIM卡的短消息收發(fā) 器。

　　數(shù)據(jù)傳輸常用串行接口，MSP430F449內(nèi)部含 有串行同步／異步通信模塊，通過對寄存器的設(shè)置之 后，由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移進(jìn)和移出，完成串行通 信的功能，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)兩種通信協(xié)議，即UART異 步通信協(xié)議和SPI同步通信協(xié)議。MSP430不同于 一般內(nèi)置有串行通信模塊的單片機(jī)，它可以通過對 寄存器的設(shè)置來調(diào)整波特率的小數(shù)部分，以便于產(chǎn) 生更精確的波特率。設(shè)計(jì)中采用UART協(xié)議，通過 一個(gè)RS232接口芯片SP3222E與MC55模塊進(jìn)行串 口通信，單片機(jī)通過發(fā)送AT指令來完成控制及兩 者之間的通訊。當(dāng)運(yùn)行系統(tǒng)后，MSP430F449單片 機(jī)是首先通過對MC55模塊進(jìn)行編程，即對其進(jìn)行初始化設(shè)置，系統(tǒng)通訊串El兩端采用9600bps的通 訊速率，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗(yàn)，1位停止位的幀格 式。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)的軟件開發(fā)環(huán)境使用的是IAR公司為 MSP430單片機(jī)所設(shè)計(jì)的交叉編譯器IAR Embedded Workbench，編譯器能夠產(chǎn)生可重入的代碼。系統(tǒng)軟 件采用C語言進(jìn)行編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于今 后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。。 程序流程如圖5所示。

　　2．1 心電信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換子程序

　　MSP430單片機(jī)具有多種形式的A／D操作模 式，內(nèi)部ADC12模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn) 換，具有高速和通用的特點(diǎn)。在使用上通過相應(yīng)的 寄存器來選擇系統(tǒng)電壓AV 、AV 作為參考電壓 源，設(shè)置采樣保持寄存器來控制采樣時(shí)間，采用單通 道多次轉(zhuǎn)換模式，每次轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在相 應(yīng)的ADC12MEM0 中，由相應(yīng)的中斷標(biāo)志位 ADC12IFG．0置位來標(biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束。在主程序中首 先開啟中斷，當(dāng)中斷標(biāo)志位置位時(shí)，將產(chǎn)生中斷服務(wù) 請求，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。執(zhí)行完中斷服務(wù)子程 序后，中斷標(biāo)志位自動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)返回中斷前的狀 態(tài)。

　　2．2 液晶顯示子程序

　　液晶顯示子程序主要實(shí)現(xiàn)液晶顯示控制器的初 始化設(shè)置、顯示菜單以及心電波形等功能。 初始化包括清屏和初始化參數(shù)。由于本控制器 不帶漢字庫，所以液晶屏上顯示的任何字符、漢字等 用戶都必須自己建立點(diǎn)陣字模庫，然后按圖形的方 式進(jìn)行顯示。對需要顯示的字符進(jìn)行縱向和逆向取 模、編碼和顯示。

　　本系統(tǒng)采用16×16大小的點(diǎn)陣， 液晶屏上最多可以顯示4行8列共32個(gè)漢字。當(dāng) 顯示菜單時(shí)，由程序?qū)⑺@示的漢字字模逐字節(jié) 地寫入液晶顯示區(qū)相應(yīng)單元內(nèi)，在液晶顯示屏上顯 示出相應(yīng)的漢字。 波形的顯示與漢字的顯示方法有所不同，采用 描點(diǎn)的方法。LCD上橫坐標(biāo)表示時(shí)間，即為時(shí)間 軸，縱坐標(biāo)為所要顯示心電數(shù)據(jù)的幅值，心電波形的 顯示采用每列畫一個(gè)采樣點(diǎn)的幅值，相鄰兩點(diǎn)間畫 直線的方法實(shí)現(xiàn)。程序中將A／D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器中的 數(shù)值按比例變換到液晶屏上的相應(yīng)位置，然后向顯 示RAM中寫入字節(jié)數(shù)據(jù)，在液晶屏的指定位置顯 示點(diǎn)，即顯示出心電波形的幅值。

　　2．3 對無線通訊模塊控制的子程序

　　單片機(jī)通過串口發(fā)送AT指令來實(shí)現(xiàn)與無線模 塊MC55的通訊。AT指令最初由Hayes公司推出， 主要用于對調(diào)制解調(diào)器的控制，現(xiàn)在已經(jīng)演化成為 一種標(biāo)準(zhǔn)，所有移動(dòng)模塊都支持AT指令。單片機(jī) 發(fā)出的AT指令用來建立通信鏈路，GSM 07．05規(guī) 范指令集提供的AT命令主要是實(shí)現(xiàn)短信息的發(fā) 送、刪除、存儲(chǔ)等操作 。其中AT為前導(dǎo)符，表示 命令的開始；命令字符及相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示將進(jìn)行 何種操作。如：AT+CMGR=表示讀取存儲(chǔ)區(qū) 號(hào)為n的短消息內(nèi)容。AT指令的返回代碼分別以 字符或開始和結(jié)束。如果指令的語 法不正確，則返回“ERROR”字符；如果指令成功執(zhí) 行則會(huì)返回“OK”提示符或者其他所需信息。

　　單片機(jī)首先要對MC55進(jìn)行初始參數(shù)的設(shè)置， 主要包括如下幾類參數(shù)：

　　ATE1 關(guān)閉MC55的回顯。

　　AT+IPR= 此命令為設(shè)置MC55無線模塊的波特率值為“n”，其默認(rèn)值為9600Hz。

　　AT+CSCA= 此命令是設(shè)置SIM卡的短信息中心號(hào)，北京地區(qū)為“13800100500”。

　　AT+CMGF=0 該命令用來設(shè)置短消息的格式為“TEXT”格式。短消息收發(fā)格式一共有三種方 式來發(fā)送和接收SMS信息Block Mode、Text Mode和 PDU Mode。Block Mode已是昔日黃花，目前很少用 了。

　　Text Mode是純文本方式，可使用不同的字符 集，從技術(shù)上說也可用于發(fā)送中文短消息，但國內(nèi)手 機(jī)基本上不支持，主要用于歐美地區(qū)。PDU Mode 被所有手機(jī)支持，可以使用任何字符集。由于Text Mode格式比較簡單，所以采用此種方式，即發(fā)送短 消息為英文文本方式。

　　以上即為單片機(jī)對MC55模塊做的初始化設(shè) 置，當(dāng)患者心電信號(hào)發(fā)生異常，需要通過發(fā)送短消息 的方式通知其家屬的時(shí)侯，立即啟動(dòng)MC55模塊，發(fā) 送短消息。發(fā)送短消息的AT指令如下： AT+CMGS=[， ]Text can be entered．／；“da”為患者 家屬的手機(jī)號(hào)碼，輸入完畢后回車，然后發(fā)送短消息 內(nèi)容，以結(jié)束，如果短消息發(fā)送成功， 會(huì)返回“OK”，否則返回“ERROR”。

　　3 實(shí)驗(yàn)測試

　　為了檢測心電無線監(jiān)護(hù)儀的性能，進(jìn)行如下測 試。用心電信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生各種心電信號(hào)(包括正 常、異常)送入監(jiān)護(hù)儀，心電信號(hào)采集及分析結(jié)果如 圖6和圖7所示。

　　圖6為正常心電信號(hào)時(shí)的界面，監(jiān)測結(jié)果顯示 正常；圖7為異常心電信號(hào)時(shí)的界面，監(jiān)測結(jié)果顯示 心電異常，此時(shí)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行報(bào)警，通過GPRS以發(fā)送 短消息的方式通知其家屬，圖8為患者家屬手機(jī)接 收到的報(bào)警短消息。 測試結(jié)果表明：本心電監(jiān)護(hù)儀操作簡單，工作穩(wěn) 定，能夠監(jiān)測出異常心電信號(hào)，并進(jìn)行報(bào)警。

　　4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的心電無線監(jiān)護(hù)儀，采用新型16位超 低功耗單片機(jī)作為控制芯片，含有豐富的外圍模塊，大大簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)；選用基于GPRS／GSM 技術(shù)的無線模塊MC55作為短消息無線發(fā)送模塊， 提高了系統(tǒng)的可靠性。該監(jiān)護(hù)儀體積小、功耗低、便 于攜帶和操作，適用于家庭醫(yī)療保健。