基于AD8232和CC2530的无线心电监护仪的设计和实现

【作 者】王国静，王卫东，余雷

0 引言

随着人们生活节奏的加快和人口老龄化问题的加重，心血管疾病的发病率越来越高，这种疾病突发性强，需要快速救治，因此，长时间实时的心电监护受到了国内外的高度关注[1-2]。目前临床使用的床旁心电监护仪，可以实现长时间实时监护病人的心电图，但被测者深受各种繁冗连线的束缚，不能随意移动，不具备便携性，并不能实现家用化。新一代的心电监护仪对于用户来讲，在家中使用就可以完成心电图的实时测量和记录，所以便携性和易操作是目前家用心电监护仪设备亟待解决的问题[3]。

本设计完成了一款无线心电监护仪，该监护仪具备以下几个特点：①基于CC2530实现心电心率的无线传输，实现便携式；②CC2530实现Zigbee低功耗无线传输，AD8232实现心电模拟信号低功耗简易获取，整体实现低功耗；③高集成度的心电模拟前端AD8232芯片和Zigbee片上系统解决方案CC2530芯片，实现设备小体积；④AD8232内部集成放大和高阶滤波功能，特别是良好的共模抑制性能，实现心电信号采集高性能。

1 无线心电监护仪的整体设计

无线心电监护仪包括心电采集模块、处理器模块、显示模块、电源模块和按键，如图1所示。心电采集模块采用ANALOG DEVICES公司的单导联心电监护前端AD8232，实现心电模拟信号的采集；处理器模块采用TI公司的CC2530单片机，实现对心电模拟信号进行数字处理后再无线发送；显示模块采用OLED来显示心率和监护仪的工作状态；电源模块包括锂电池及其充电电路，稳压电路；两个按键来实现状态的控制。

图 1无线心电监护仪整体实现框图Fig.1 The overall implementation block diagram of the wireless ECG monitor

2 无线心电监护仪的硬件设计

2.1 心电采集模块

心电采集模块采用AD公司的AD8232来实现。AD8232是一款全集成式单导联ECG前端，适用于对心脏生物电信号进行信号调理来进行心电心率监护。它具有较低的电源电流和较高的共模抑制比以及导联脱落检测功能，可采用双极点高通滤波器来消除运动伪像，采用双极点或三级点低通滤波器来消除其他额外噪声，该ECG前端可用于在具有运动或远程电极放置产生噪声的情况下提取、放大及过滤微弱的生物电信号，使得数模转换器（ADC）能够轻松地采集输出信号[4]。本设计参考AD8232在双手处测量心电的应用电路[5]，如图2所示，来采集心电模拟信号。

图2 心电采集模拟前端AD8232应用电路图Fig.2 The application circuit diagram of ECG acquisition simulation front end AD8232

心电采集模块利用两个不锈钢电极在双手处测量心电信号。在双手处采集心电信号，一方面会受到手臂和上身运动产生运动伪像的干扰，另外还会受到长引线导致的共模干扰影响。所以，在这个采集方案中，为了区分心脏心电信号和其他干扰信号，须采用极窄的带通特性。在本设计电路中，采用截止频率为7 Hz的双极点高通滤波器，由图2中的C191-E，C011-E，R201-E，R062-E构成。此高通滤波器后接一个截止频率为24 Hz的双极点低通滤波器，即由图2中的R061-E，R071-E，C071-E，C061-E构成，该低通滤波器用来消除任何其它伪像和线路噪声。低通滤波器级还包含大小为11的增益，加上AD8232内部仪表运放的放大倍数固定为100倍（R081-E，R091-E），心电信号整体放大倍数为1 100倍。

2.2 处理器模块

本设计的处理器模块采用TI公司的CC2530片上系统解决方案[6-7]，处理器模块有三个功能：①内核处理器为增强型8051，实现数据处理功能；②CC2530内置12位ADC，实现模数转换功能；③CC2530是TI公司提供的Zigbee片上系统解决方案，故可实现Zigbee无线功能。

CC2530外围主要包括电源滤波电路、射频前端电路和晶振电路，如图3所示。其中射频前端电路采用TI公司的2450BM150002来替代传统的电容和电感实现的BALUN电路，使得匹配更加简单和稳定。

CC2530内核为高性能低功耗的8051微控制器，具有高达256 kB的可编程FLASH和8 kB的RAM，具有1个常规的16位计时器和2个8位计时器，21个可编程引脚，允许工作电压为2.0～3.6 V，CC2530还集成了8通道的12位模数转换器（ADC）。本设计中使用ADC的第一个通道P0.0接入AD8232采集到的心电模拟数据。

2.3 显示模块

显示模块用来显示心率和心电监护仪工作状态。本设计中，显示模块使用的是有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）来实现，之所以选用OLED来实现显示功能，是因为它具备自发光、不需背光源、功耗低、对比度高等特点。本设计中OLED选用的是WiseChip Semiconductor公司的OEL显示模块，其像素为128 × 64，大小为26.70 mm×19.26 mm× 1.45 mm，工作电压为3.3 V。OLED与CC2530之间通过IIC实现通信。

2.4 电源模块

本设计中的电源模块有两个功能：一方面实现为锂电池充电功能，另一方面为心电采集模块、处理器模块和显示模块提供3.3 V电源。

为了实现充电功能，电源模块采用了TI公司的BQ24040芯片，该芯片的供电部分来自USB供电或者AC电源适配器功能，具有较高的输入电压供电范围和输入过压保护。充电过程中，芯片内部有监测控制回路，可通过调控充电电流实现对整体电路的保护[8]。为了提供3.3 V的电源给监护仪的各个模块，需要将锂电池的电压稳定在3.3 V。本设计选用TI公司的LP2985-33芯片实现稳压功能。LP2985芯片是具有关断功能和1.5%容限的150 mA低噪声低压降稳压器[9]。

3 无线心电监护仪的软件设计

3.1 A/D转换

CC2530单片机内部集成有8通道12位ADC，本设计直接将AD8232采集到的心电模拟信号发送到CC2530单片机ADC的第一个通道，对应单片机引脚为P0.0。通过CC2530内部定时器Timer1实现定时中断，采样率设置为125 Hz。

3.2 数据显示

本设计采用OLED显示屏幕，由于CC2530没有IIC硬件接口，所有本设计通过软件模拟实现CC2530与OLED的 IIC通信。该OLED的内部驱动模块是SSD1306，所以需要对SSD1306进行配置来完成对OLED的驱动。配置IIC模拟端口后，参考选用的OLED的手册，逐步完成对SSD1306的初始化，这样，就可以使用OLED显示心率值以及心电监护仪的各种工作状态。

3.3 心率计算

本设计通过AD8232采集到心电模拟信号，该模拟信号通过CC2530单片机内置ADC模数转换后，需要进行四个步骤得到心率，如图4，分别是：①平滑滤波；②二阶差分；③峰值判别并记录；④心率计算。

图 4 心率计算流程图Fig.4 The fl ow chart of heart rate calculation

平滑滤波的目的是消除噪声信号，常用的平滑滤波包括线性滤波和非线性滤波，线性滤波如邻域平滑滤波，非线性滤波如中值滤波。本设计选用的是邻域平滑滤波[10]，其数学表达式为：

其中，N是平滑滤波的阶数。邻域平均滤波的思想是通过一点和临近点求平均来去除突变的数据，从而滤掉一定噪声，此种方法算法简单，计算速度快，适合单片机进行实时运算。

平滑滤波后，为了增强R波，以便更好地识别R波，本设计采用了二阶差分算法对心电信号进行进一步处理[11]，其数学表达式为：

本设计采用AD8232在双手处测量心电，信号经过截止频率为7 Hz高通滤波器和截止频率为24 Hz的低通滤波器后，采集到的心电波形略有变形。经过二阶差分算法处理后，相比于原始信号来说，一方面增强了R波，能够更准确地定位R波位置，另一方面通过二阶差分处理，也能排除呼吸等干扰产生的基线漂移对心电信号的影响。

原始心电数据进行了平滑滤波和二阶差分以便更好地确定R波，即峰值的位置。二阶差分完成后的心电数据进入队列中，本设计中，队列长度为60。然后再判断队列中的最大值是否在队列正中间。如果不是，继续更新队列数据；如果是，此处便是R波的位置。

确定R波位置后，通过R-R间期可以计算心率值。本设计中使用平均心率的方法，即计算出相邻的3个R-R间期值，将此3个R-R间期值平均后，作为最终计算心率的R-R间期值，数学表达式为：

其中，fs为采样率，MRR1、MRR2、MRR3为连续的3个R-R间期采样点的个数。

4 实验结果

借用已有的无线显示平台，图5显示了无线心电监护仪测量和计算结果，包括心电波形和心率，验证了该监护仪的可用性。

图 5 无线心电监护仪测量结果显示Fig.5 The measurement results of the wireless ECG monitor

5 结论

本文基于CC2530单片机和AD8232心电模拟前端实现了无线心电监护仪的设计，完成了心电模拟信号的采集，心电模拟信号的模数转换，心率的实时计算，心率的显示和其他状态的显示，以及心电心率信号的无线传输等功能。另外，该无线心电监护仪在显示屏上可以指示心律失常状态，为被测者提供参考。本设计实现的无线心电监护仪，与其他的便携式心电监护仪相比，具有低功耗、小体积、高集成度、高性能等特点，设计更易实现，成本更低廉，性能更稳定。在实验过程中，配合已有的无线实验平台，采集到良好的心电波形和实时心率数据。

本设计实现的无线心电监护仪，一方面可以在无线连接的上位机不在线的情况下独立使用，实时监测心率；另一方面可以在建立无线连接的状态下，在已有的无线实验平台上，与其他同时采集到的基础生理数据配合，共同实现对人体身体状态进行简单的评估，具有很重要的临床意义。

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