陳建鋒，孫朋，林金朝，龐宇，王延向

（1. 重慶郵電大學 光電工程學院，重慶市400065；2. 解放軍309醫(yī)院，北京市100091）

引言

隨著社會的快速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏不斷加快，工作的壓力和不規(guī)律的生活方式促使心血管疾病的發(fā)病幾率迅速上升[1]。世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，世界上每年約有1700萬人死于心血管疾病，占全球死亡總數(shù)的30%，預計到2030年，死于心血管疾病的人數(shù)將增加到2330萬人[2]。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護設備，具有體積大，價格昂貴，需要連接市電等缺點，無法隨身攜帶和隨時監(jiān)測，因此研制一種微型化、便攜式的智能心電監(jiān)測設備具有重要意義。

隨著智能手機的普及，一些心電處理類的APP相繼涌現(xiàn)。其中一些APP通過閃光燈和攝像頭來獲取手指的脈搏波，測算出心率，并分析心率變異性，其精度還有待提高；三星Galaxy S5手機甚至集成了心率傳感器，亦是通過脈搏波來測算心率，缺點是無法顯示心電波形。本文基于生物電勢測量芯片ADS1292R設計了一種心電和呼吸信號采集裝置，通過OTG線將采集的數(shù)據(jù)傳送給手機，可得到較為可靠的心電和呼吸信號。該裝置具有體積小，低功耗，方便攜帶等特點。

1 心電和呼吸信號的檢測機理

人體心臟有規(guī)律地進行收縮和舒張，在每一個心跳周期中，心臟的電位變化可以通過人體的體液以及導電組織傳到身體表面[3]。在身體表面特定位置貼上電極片（銀-氯化銀電極片），并通過導聯(lián)線和電路處理，即可得到人體心電圖（ECG，Electrocardiograph）[4,5]。

呼吸是人體體內(nèi)與外界進行氣體交換，呼吸率是反映人體呼吸道健康狀況的重要生理參數(shù)[6]。呼吸信號的測量采用胸阻抗法[7,8]，隨著人體的呼吸運動，胸廓和肺內(nèi)氣體不斷發(fā)生變化，根據(jù)電阻定義R=ρL/A，這就相當于ρ和L/A發(fā)生了變化，因而人體胸部阻抗也就發(fā)生變化。通過檢測胸部電壓的變化ΔV，再除以電流I，得到胸部阻抗ΔZ，從而間接地反映人體的呼吸活動。

心電和呼吸信號的采集采用雙極胸導聯(lián)CM5方式，電極片位置如圖1所示[9～11]。LA為導聯(lián)正極，放于常規(guī)導聯(lián)的V5位置，RA為導聯(lián)負極放于胸骨柄的位置。RL為右腿驅動電極，放于腰部位置的右側，電路中加入右腿驅動，形成負反饋，能有效的降低來自人體的共模干擾。

2 系統(tǒng)硬件設計

硬件電路主要有心電呼吸采集模塊、單片機控制模塊、USB轉串口模塊及電源管理模塊等組成。電路總體框圖如圖2所示。

2.1 信號采集模塊

信號采集模塊采用芯片ADS1292R，該芯片分辨率為24bit，采樣率125Hz-8KHz之間可調(diào)，共模抑制比可達-105dB，每通道功耗低至335μW，雙通道可同時采集心電和呼吸兩路信號。

信號的采集采用差分方式，心電和呼吸使用相同的兩個電極LA（正極）和RA（負極）。心電信號進入2通道，經(jīng)過放大，A/D轉換（采樣率為500Hz），變成三個字節(jié)的心電數(shù)字信號；呼吸信號與IN3P和IN3N輸出的32KHz的方波進行調(diào)制，然后進入1通道，經(jīng)過放大，進入呼吸解調(diào)電路進行解調(diào)，再經(jīng)過A/D轉換（采樣率設為500Hz），變成3個字節(jié)的呼吸數(shù)字信號。心電信號與呼吸信號六個字節(jié)的數(shù)據(jù)，再加上由1100、導聯(lián)脫落狀態(tài)位、GPIO位等組成的幀頭三個字節(jié)，組成每幀9個字節(jié)的數(shù)字信號。一旦ADS1292R有一幀數(shù)據(jù)轉換完成，便通過DRDY腳向單片機發(fā)送一個中斷信號，之后數(shù)據(jù)經(jīng)過SPI接口發(fā)送給430單片機。

在心電裝置的使用中，由于某些因素（電極片接觸不良等）導致導聯(lián)線與被測者的身體脫離，使輸入端沒有信號輸入，電路自然無法采集體征信息。導聯(lián)脫落監(jiān)測就可以提醒使用者，導聯(lián)線處于脫落狀態(tài)。本設計采用ADS1292R內(nèi)部電路監(jiān)測導聯(lián)脫落，通過給寄存器賦值進行設定。如果有導聯(lián)線脫落，便改變導聯(lián)狀態(tài)寄存器的數(shù)值，輸出數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)（導聯(lián)線正常連接時為0xC0）就會發(fā)生改變，表示有導聯(lián)線脫落。

2.2 單片機控制模塊

單片機控制模塊采用超低功耗單片機MSP430G2203，其運行模式下電流為230μA（1MHz以下，2.2V）。模塊電路圖如圖3所示。430單片機與ADS1292R通過7根線連接，其中ADS_DIN、ADS_DOUT、ADS_SCLK和ADS_CS四根線為SPI總線，負責在兩者之間傳遞控制命令和數(shù)據(jù)；ADS_DRDY為ADS1292R向單片機發(fā)送外部中斷信號線，表示有一幀數(shù)據(jù)轉換完成；ADS_START用于單片機控制ADS1292R啟動或停止數(shù)據(jù)轉換和發(fā)送；ADS_RESET用以復位ADS1292R。單片機與FT232的連接是通過串口TXD1和RXD1兩根線。單片機采用內(nèi)部DCO時鐘，程序控制振蕩頻率為1MHz。

2.3 USB轉串口模塊

USB轉串口模塊采用芯片F(xiàn)T232，該芯片兼容USB1.1和USB2.0傳輸協(xié)議。電路采用手機端OTG線+5V為其供電，外部振蕩器提供6MHz的時鐘頻率。FT232在單片機與手機之間傳遞數(shù)據(jù)，接收單片機串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，轉發(fā)給手機；接收手機端的控制指令，發(fā)送給單片機。

2.4 樣品實物

樣品實物如圖4所示，總重量為25g，電路板面積為50*10mm2，實現(xiàn)了微型化設計，便于隨身攜帶。

3 單片機軟件設計

單片機作為電路的控制核心，需完成對ADS1292R內(nèi)部寄存器進行賦值，接收手機控制指令以實現(xiàn)運行和待機兩種工作模式，對接收的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測以判斷采集前端導聯(lián)是否脫落，并控制LED燈指示工作狀態(tài)等執(zhí)行過程。軟件主程序流程圖如圖5所示。

程序首先對單片機時鐘、I/O口和定時器TimerA進行初始化。再將USCIA0和USCIB0分別設為串口UART模式和SPI模式，并打開UART的接收RX中斷，以接收手機端發(fā)送的字符指令。之后開啟總中斷，程序進入循環(huán)狀態(tài)。在循環(huán)中，變量RxByte的值默認為‘0’，然后進入到低功耗模式，直到單片機收到手機發(fā)來的“運行”指令，RxByte的值變?yōu)椤?’，這時程序進入USCIA0串口接收中斷服務函數(shù)。

當手機端有指令發(fā)給單片機時，程序即進入串口接收中斷函數(shù)。將接收到的指令字符存入變量RxByte中，然后判斷RxByte=‘0’或‘#’（‘0’是待機指令，‘#’是運行指令），如果RxByte=‘0’，熄滅LED指示燈，關閉TimerA的中斷使能，停止ADS1292R的數(shù)據(jù)轉換，程序繼續(xù)進入低功耗狀態(tài)；如果RxByte=‘#’，程序退出低功耗模式，開啟ADS1292R的數(shù)據(jù)轉換，一旦收到ADS1292R的中斷信號，程序進入外部中斷函數(shù)。

單片機在運行模式下，收到ADS1292R的中斷請求，即進入外部中斷函數(shù)。單片機將收到ADS1292R發(fā)來的9個字節(jié)數(shù)據(jù)，先判斷第一個字節(jié)數(shù)據(jù)是否為0xC0，如果第一個字節(jié)數(shù)據(jù)為0xC0，這時點亮LED指示燈，表示導聯(lián)線連接正常；如果第一個字節(jié)數(shù)據(jù)為0xC2、0xC4或其他，則開啟定時器中斷使能，一旦定時到0.5秒，LED指示燈將閃爍，表示有導聯(lián)線脫落。接下來，單片機繼續(xù)接收后面8個字節(jié)的數(shù)據(jù)。程序到此執(zhí)行了一個完整的循環(huán)，單片機接收到一幀9個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

4 實驗結果及性能測試

4.1 實驗結果

將本裝置OTG線接口與手機相連，按照1節(jié)所述的電極位置，連接導聯(lián)線，進行上身實驗。圖6為3名實驗者8秒鐘心電和呼吸信號在手機上的顯示波形圖。

如圖6所示，上端為呼吸信號，下端為心電信號。由于硬件端只做原始信號的采集，信號的去噪在手機端APP上進行，本文不作討論。

由波形圖可知，呼吸信號的波峰和波谷較為明顯，可以在APP端進行波峰定位，計算呼吸率；心電信號的波形各個特征點（P波，QRS波群，T波），都較為明顯，可以進行R波定位以計算心率等指標。由實驗可知，本裝置能夠采集得到較為可靠的信號波形。

4.2 導聯(lián)脫落測試

如果沒有導聯(lián)線脫落，每幀數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)為0xC0；如果有導聯(lián)線脫落，則每幀數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)數(shù)值發(fā)生變化，三種導聯(lián)脫落情況下，手機收到的數(shù)據(jù)如圖7所示。由圖7紅色框內(nèi)數(shù)據(jù)，可以看出每幀數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)分別為0xC2，0xC4和0xC6，這三種的情況分別表示LA脫落、RA脫落和LA、RA同時脫落。

4.3 功耗測試

為了實現(xiàn)低功耗，電路采用430超低功耗單片機，并使單片機和采集芯片工作在兩種模式：運行模式和待機模式。兩種工作模式下，功耗測試如表1所示。

5 結論

本裝置由手機控制工作在運行或待機模式，待信號采集完成，讓電路進入待機模式，以降低功耗。采集電路前端采用集成芯片ADS1292R，實現(xiàn)雙通道心電和呼吸信號的采集和A/D轉換，與用運放搭接的電路相比，降低了電路的復雜性，實現(xiàn)了微型化設計，更便于攜帶。用 LED燈的亮、滅，指示設備工作在運行或待機狀態(tài)，

LED燈的閃爍表示有導聯(lián)線脫落，提示使用者注意，方便使用。通過實驗驗證，本裝置能夠采集較可靠的呼吸和心電波形，且工作穩(wěn)定，功耗較低，具有較高的應用價值。

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