基于淘晶驰串口屏的心电图监护设计
2021-06-17周昱帆涂国宇潘锋伟刘锦涛余素萍夏守行
周昱帆，涂国宇，潘锋伟，刘锦涛，余素萍，夏守行
（浙江温州科技职业学院信息技术学院，浙江温州，325003）
0 引言
这两年的新型冠状病毒性肺炎，打乱了整个世界生活秩序，虽然现在已被我们国家控制住，经济恢复得也很好，但国外有众多的感染数量。对该型肺炎病人的监护，其中的心电图（Electrocardiog-ram，ECG）指标是一个重要的评估参考[1]。
根据相关部门推算，我国心血管病患病人数已超2亿多，其中脑卒中和冠心病均达上千万之众[2]。但是对于检测此类病的ECG一般也只能去医院进行检测，由于心血管病患者以慢性病见多，如果所有检测均在医院进行，则医疗公共资源会很紧张，病人的治疗费用也升高而增多患者的负担。
作为一些预防性和慢性病的平常性监测，在普通家庭中能用一种较便宜且实用的仪器检测一些生命指标，也是一种较实用的较早发现病变趋势的有效手段。下文将以测量ECG为例，设计制作一个实用的家用心电监护仪，其基本功能是实时显示ECG，并可扩展存储和重播等功能。
ECG的基本原理是，心肌在生物电作用下产生规律的跳动，从而在人体表面产生电位变化[3]，测量该电位，并形成与时间的曲线，即为ECG，具体见如下文设计。
1 总体设计
全电路主要由前置放大、右腿驱动、低通滤波放大、单片机（MCU）、心电显示、存储SD卡等组成，如图1所示，采用常规导联测量方式，其他导联方式请查相关资料。
图1 SCG电路框图
前置放大器采用专用仪表放大器，具有低噪声、高输入阻抗、高共模抑制比的特点，并将右腿驱动电路应用于前置放大端，以消除来自人体的共模干扰。
2 前置放大电路
电路主芯片型号为INA121，为FET输入、低功耗仪表放大器，其输入阻抗高达1012Ω，共模抑制比106dB，满足生物电放大器60dB～80dB的CMRR值要求[4]，等效输入噪声为（1kHz，Au=100时）。心电信号为不足1mV的弱小信息，因此ECG放大器等效总自噪声应小于20μV。以单片机AD转换5V基准电压计算，ECG放大器总放大倍数Au总计算如下：
如图2所示的前置放大器放大倍数为Au1:
图2 前置放大电路
图2中R1和R2阻值选得较大，可明显减小皮肤接触电流，并与C5、C6和C7构成无源低通滤波器，截止频率一般小于150Hz即可，LA和RA分别为左右臂心电信号。R5取出左右臂的共模信息，送至右腿驱动以进一步减小共模信息。INA121的4和7脚为正负电源端。
U2C及外围阻容构成INA121的6脚输出的电压Vo1动态跟踪电路，正常情况下INA121的Vo1是以0V电位正负波动的，但可能某些原因，如LA和RA接触不良或人体本身电位等，Vo1可能正偏了或负偏了，由于U2C是反相接法，通过改变REF端电位，可自动校正正偏或负偏，其时间常数为0.7R6C8=0.7s，选得较长，对心电信号影响很小，最终结果是使波形保持在某一基线上。
3 右腿驱动电路
如图3 所示，总体是一个带通放大器。图2的INA121虽其本身共模共模抑制比达106dB，但LA和RA检测线不可能摆放对称，皮肤接触电阻也并不相等，且两输入端元件也不可能相等。因此仍有一定的干扰信号进入到检测电路中，特别是50Hz共模信号。为了降低共模干扰的影响，加入了右腿驱动电路。其Pz端取出输入端有共模信号，经U3B和U3A反相放大，重新通过接至右腿的RL端，作用于人体，则共模信号将相互抵消，从而达到减小共模干扰的目的。
图3 右腿驱动电路
4 带通滤波放大
图4所示的带通滤波放大由两个基本相同的同相放大器组成，带通，其总放大倍数Au2为:
则全电路总电压放大倍数为Au1* Au2=6050倍，是符合放大倍数要求。
图4每个带通放大低端截止频率为:
同理算得每个带通放大高端截止频率为284Hz。
图4 带通滤波放大
5 单片机设计
■5.1 单片机硬件电路
单片机采用STC的8G系列，为1T单片机，同等晶振下，比AT89C52快12倍，本电路采用内部晶振，为33MHz，那么相比12MHz晶振的AT89C52快33倍，这样更容易波形的输出显示，以及更能胜任其它任务，电路如图5所示。
图5的STC8G1K08A有6路的10位AD转换输入口，本电路只采用AD2口P32，P31和P30用作传统传输串口，其余口仍为普通IO口。
P1为程序下载口，需另配USB/TTL转换口，连至电脑USB口，用STC单片机下载程序软件stc-isp-15xx-v6.88即可下载程序，注意下载时内部IRC频率改为33MHz。下载完成后，改接淘晶驰串口屏即可。
■5.2 单片机程序设计
（1）初始化程序
void Port_ADC_Ser_int() {
P3M1 = 0x04；//0000 0100B端口配置
P3M0 = 0x00；//0000 0000B端口配置
P5M0 = 0x00；//0000 0000B端口配置
P5M1 = 0x00；//0000 0000B端口配置
P_SW2 |= 0x80；//可以访问扩展RAM区
ADCTIM=0x3F；//设置ADC时序控制
ADCCFG=0x0F；//ADC配置寄存器
ADC_CONTR=0x82；// ADC控制寄存器
AUXR=0xC0；//定时器1T方式
PCON =0x80；//串口速率加倍
TMOD=0X20；//8位定时器T1
TH1=0xF7；TL1=0xF7；//定时器初值
SCON=0x50；//串口方式1，允许接收
TR1=1；ES=1；EA=1；}//启动
ADC通道的端口应选择高阻类型，即ADC端口不能对被测电路电压有影响，配置值为11、10、01、00时分别对应为开漏、高阻、推挽、双向，配置值等于P3M1和P3M0相同位置各取一个值，从左至右分别对应P37～P30。上述子程序仅对P32置高阻，其余均为传统普通双向IO口。
ADC完成的数据为10位，分别存放在各8位的寄存器ADC_RES、ADC_RESL中，那么就有两种存放方式，如表1所示：（1）左对齐，把数据的高8位和低2位分别存放在ADC_RES、ADC_RESL中，ADC_RESL的低6位则空余而自动补0，最终ADC_RES和ADC_RESL合成将有16位数据，但有效数据仍为左边的10位；（2）右对齐，把数据的高2位和低8位分别存放在ADC_RES、ADC_RESL中，ADC_RES的高6位空余而自动补0，ADC_RES和ADC_RESL合成数据虽有16位，但有效也仍为10位数据。
表1 ADCCFG配置
配置寄存器ADCCFG的低4位为AD转换速度选择，其值越高转换则越慢，ADCCFG=0x0F，其意义为数据左对齐，AD转换速度Sysclk/2/16，Sysclk为系统时钟。
ADC_CONTR为ADC控制寄存器，如表2所示。Power为ADC电源控制，1为开启，0为关闭。
表2 ADC_CONTR控制寄存器
Start为1时，启动ADC；Flag为AD转换完成标志，完成即自动置1，须软件清零； Ch3Ch2Ch1Ch0为0101、0100、0011、0010、0001、0000时，ADC输 入口 对 应 选 择 P55、P54、P33、P32、P31、P30。ADC_CONTR=0x82=1000 0010B，意思即为开启ADC电源，选择P32通道转换。
ADC完成值送至串口屏显示，速度越快则波形显示越完整，同时单片机也可以腾出更多的时间完成其它任务。串口屏支持的波特率有9600、19200、38400、57600、115200、230400、256000、512000、921600等，以上述TH1=0xF7计算，串口波特率为：
上式中，PCON =0x80，即SMOD=1，AUXR= 0xC0，即定时器比传统AT89C51快12倍，式（6）波特率与230400相近，比传统9600快24倍。
（2）AD转换子程序
void ADC_P32() {
ADC_CONTR |= 0x40；//启动AD转换
_nop_()；_nop_()；
while(!(ADC_CONTR&0x20))；//ADC 完成
ADC_CONTR &= ～0x20；//清零完成标志
ADC_Val=ADC_RES*256+ADC_RESL；}
//AD转换值合成，并赋值给变量ADC_Val。
（3）显示波形子程序
void disp_sine() {
ch0 = ADC_Val/256；//值折算
sprintf(buf,”add 1,1,%d”,ch0)；
UART_Send_Str(buf)；
UART_Send_END()；}
由以上子程序可看出，只须把波形通道值ch0与AD转换值关连起来即可。
■5.3 淘晶驰串口屏上位机程序设计
首先要到淘晶驰官网www.tjc1688.com下载界面开发软件，再到资料中心中下载“STC单片机发正弦波给HMI屏显示(曲线波形)”例子，在该例子基础上进行修改即可，如图6参考修改文字。
图6 淘晶驰串口屏布局
须要注意的是：淘晶驰串口屏默认波特率为9600，由于前面单片机串口传输波特率为230400，则须在Pragram.s页面处的当前波特率值进行修改，加入上语句“baud=230400”即可。
6 实验调试
调试时首先要保证硬件电路是否正常工作，放大器至人体的测量线和导电片或导电夹可采用专用检测材料，采用导电夹时须在体表上涂抹生理盐水，以增加导电性。电路供电不建议采用普通开关电源或变压器降压整流滤波稳压供电，以免增大干扰而无法测量，最好用电池供电。
导电片或导电夹接触体表后，注意人体要安静稳定，先用示波器测量Vo1、Vo2处是否有正常心电信号，再撤去示波器，并观察淘晶驰串口屏是否有正常心电信号。实验效果图如图7所示。
图7 实验显示结果
7 结束语
本设计采用了专用低噪声仪表放大器INA121，简化了电路，STA8G1K08A-8PIN为8脚小型低价单片机，缩小了电路体积，便于于小型化和低成本，而直接采用淘晶驰串口屏官网的例子，更便于缩短开发周期，淘晶驰串口屏自带SD卡插口，因此可有存储和重播功能。经实验验证，实现了对心电信号的放大、滤波、AD转换和显示，达到实时测量心电信号的技术要求。
