基于zigbee的心电监护系统结题报告书Word文档格式.docx
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3)其它
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
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3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
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三、论文(设计)水平
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设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
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指导教师:
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年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
摘要
本系统采用zigbee技术在病人与医院之间建立了实时的心电监护系统,医生可以远程监护病人的心电状态,节省了医院的人力物力。
系统通过在病人端实时采集数据进行多级滤波,通过zigbee发送端采用51内核进行AD转换,再将数据传送到zigbee接收端,再发送到串口,计算机端VC程序通过高速采集串口数据,对波形进行不失真的还原处理显示保存,实现实时监控,系统具有全天候实时监控的能力以及数据存储重绘的功能。
关键字:
心电;
zigbee;
多级滤波;
VC;
实时监控
第1章引言
1.1心电
心脏周围的组织和体液都能导电,因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。
心脏好比电源,无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。
在体表很多点之间存在着电位差,也有很多点彼此之间无电位差是等电的。
心脏在每个心动周期中,由起搏点、心房、心室相继兴奋,伴随着生物电的变化,这些生物电的变化称为心电。
1.2心电图
心电图指的是通过心电描记器从体表引出多种形式的心电电位变化的图形(简称ECG)。
心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。
在一个正常心动周期中,一个典型的ECG波形是由一个P波,一个QRS波群,一个T波。
心电图的基线被称为等电势线。
一般情况下,等电势线在心电图中是指T波后和P波前的那一段波形。
其波形图如图1-1所示:
图1-1正常人体心电图图解
名称
描述
时长
RR间期
相邻两个R波相隔的时间可以反应心率。
静息状态下心率在50bpm到100bpm之间。
0.6~1.2s
P波
在正常的心房除极过程中,心电向量从窦房结指向房室结。
除极由右心房至左心房。
这个过程在心电图上形成了P波。
80ms
PRinterval
PR间期指从P波开始到QRS波群开始的时间。
PR间期反映了电冲动由窦房结发出,经房室结传入心室引起心室除极所需的时间。
所以,PR间期可以很好的评估房室结的功能。
120~200ms
PR段
PR段连接了P波和QRS波群,代表了心电冲动由房室结传到希氏束、左右束支及浦金氏纤维的过程。
这个过程中心电冲动并不直接引起心肌收缩,而只是其向心室传导的一个过程,所以在心电图上显示一个平直段。
PR段对于临床诊断非常重要。
50~120ms
QRS波群
QRS波群反映了左右心室的快速去极化过程。
由于左右心室的肌肉组织比心房发达,所以QRS波群比P波的振幅高出很多。
80~120ms
J点
J点是QRS波群结束和ST段的开始的位置。
J点用于ST段抬高或者压低的参照点。
N/A
ST段
ST段连接QRS波群与T波,代表心室缓慢复极化的过程。
它位于等电势线上。
T波
T波代表心室快速复极化过程,从QRS波群起始处到T波最高点这段时间称为心脏的绝对不应期,而T波的后半段则称为相对不应期(又称易激期)。
.
160ms
ST间期
J点到T波开始时的时间
320ms
QT间期
QT间期是QRS波群开始到T波结束时的时间。
QT间期过长是室性心动过速的危险因子之一,可能引起猝死。
QT间期受心率变化较大,所以采用QTc来消除心率影响。
300~430ms,Qtc:
≤440ms
U波
并不能经常看到,振幅很低,跟随T波后出现。
产生机制不清楚。
表1-1心电波形与间期特征表
第2章系统框图设计及主要技术难点
2.1系统框图简述
本系统主要由三部分构成,它们分别是心电采集模块,zigbee无线传输模块,计算机动态波形显示模块。
其中,心电采集模块使用三导联进行心电数据的采集、然后进行滤波、放大等处理,zigbee数据发送端将信号进行AD处理,然后通过无线发送到zigbee接收端,在接收端通过串口与计算机相连,计算机通过采集串口的数据进行处理,然后进行实时的显示波形并保存数据。
心电采集模块
Zigbee无线传输模块
计算机动态波形显示模块
图2-1系统框图梗概
2.2主要技术难点
2.2.1心电采集模块
在心电采集时由于人体体表存在极其复杂且严重的外界干扰,因此设计一个高效的滤波电路非常重要,这将影响到后期的所有处理。
2.2.2无线传输模块
由于在无线传输中存在不可预期的外界干扰,很容易引起信号失真,同时要保证传输数据的准确以便在计算机上完整还原波形,信号的分辨率要高,另外要保证较远的的传输距离必须要有足够的发射功率。
2.2.3计算机动态波形显示模块
在上位机上首先要对串口数据进行采集处理,然后进行波形绘制。
怎样保证串口接收的数据的实时准确,如何动态的绘制实时波形这是一个难点,同时要防止绘图时屏幕的闪烁。
第3章心电采集模块
3.1心电特征及其采集要求
生物医学信号都具有信号强度较弱、背景噪声较强、频率范围一般较低,随机性强等特点。
当前生物医学信号处理已经是一个重要的研究领域,也是近年来迅速发展的数字信号处理技术的一个重要的应用方面。
一个心电图(ECG)是用来记录由心脏产生的人体表面的电信号变化,ECG测量信号从安放在人体特定位置的皮肤电极采集而来。
ECG信号由6个大写字母P,Q,R,S,T,U标记的波峰和波谷来表示,如图3-1所示。
图3-1ECG信号的形式
ECG信号的前段是由非常微弱的信号构成的,从0.5mV到5mV,其中还包括由于心电电极与人体皮肤连接产生的300mV左右的极化电压。
一个标准的ECG信号的带宽为0.05Hz到100Hz,根据本系统设计的需要(远程心电监护),ECG的有效频率带宽可视为为0.05Hz到50Hz。
ECG信号可能受各种噪声的干扰。
主要的噪声为:
❶50Hz的电力线干扰及其谐波干扰,即工频干扰,此干扰信号耦合到人体,表现为可达到几伏的共模信号,对于ECG来说,是最主要的干扰。
❷电极接触噪声,电极与皮肤之间的松动可能造成基线漂移。
❸人体移动干扰,使得电极与皮肤的阻抗变化,造成基线漂移。
❹从其它电子设备耦合过来的高频噪声。
心电信号总是在一定的范围内波动,有时候也会随着某种疾病发生改变,不同的人,起心电图的波形有差异,这个差异有时还很大。
因此对采集电路有如下要求:
❶高增益,针对ECG信号微弱的情况,较高的放大倍数提高系统采集精度。
❷高输入阻抗,由于信号源阻抗高,且容易变化,而心电信号很微弱。
若输入阻抗不高,则经分压后的信号就更小,导致心电信号损失严重,且信号源过负荷将导致心电信号发生畸变。
❸高共模抑制比,以消除工频干扰及极化电压的干扰。
❹低噪声,使之不淹没极其微弱且信噪比低的心电信号。
❺低漂移,以防止高放大倍数的放大电路出现饱和现象。
❻合适的带宽,以便有效地抑制噪声,防止采样混。
下图展示了标准Ⅰ导联单通道的采样框图。
图3-2标准Ⅰ导联单通道采样框图
3.2前置放大处理电路
3.2.1前置放大电路
前置放大电路要完成功能是实现信号的差分放大,该部分电路在整个采集电路中起着至关重要的作用,高性能的前置放大电路能对干扰信号起到很好的抑制作用。
针对心电信号采集的要求,本设计选用的了美国AnalogDevice公司生产的仪表放大器AD620。
AD620是一个低功耗,高精度仪表放大器,其内部由三运放电路构成,在1kHz是共模抑制比CMRR>
>
100dB,最大偏移电压为50uV,低输入偏置电流(最大1nA),低输入电压噪声(从0.1Hz到10Hz为0.28uV)。
AD620仅仅只需要一个外接的增益调节电阻就可以改变放大起的增益(
),在这里
,Gain=97.8。
右腿驱动电路的引入能够进一步提高信号的采集质量,将右腿连接到一个辅助的运算放大器的输出端,通过这个负反馈结构,可大大抑制测量过程中前置放大器输入端共模电压。
除了右腿驱动之外,还采取屏蔽驱动的措施来提高整个电路的抗共模干扰能力,保障患者的安全。
对于直流共模信号,由于运放输入端短路,流过电阻
的电流为零,共模输出电压为零。
所以,测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。
但对于交流共模信号,情况就不一样了,因为输入信号的传输线存在线电阻和分布电容。
它们分别对地构成回路,当两条传输线对地的分压不一样时,在运放两个输入端产生差模信号,所以电阻
有交流差模电流流过,从而产生交流共模干扰。
屏蔽驱动器实际就是一个电压跟随器,将运放的共模信号取出来加到屏蔽层,由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号等电位,因此传输线的分压左右就不存在,从而大大降低了交流共模信号的影响。
前置放大电路如图3-3。
R4为
,J2为右腿驱动端口,J1的1、2、3端口分别接左手电极、右手电极、屏蔽线屏蔽层。
图3-3前置放大电路
3.2.2滤波及陷波电路
滤波电路由高通滤波电路和低通滤波电路组成。
滤波可采用模拟滤波器和数字滤波器。
模拟滤波器具有结构简单,对硬件电路要求不高的特点,但要想做到特别好的滤波效果,必须做到高阶,这是非常困难的。
数字滤波器要求使用性能较好的数字电路,但可以做到高阶,滤波效果好。
本次设计中Zigbee无线模块采用51内核单片机,不适合做数字滤波,对于心电监护,模拟滤波器的效果已经足够,故本设计采用模拟滤波器。
OP07为一个低噪声,高精度的运算放大器,低输入偏移电压(最大为25uV)。
低偏移电压消除了运放OP07对外围电路的需求。
低输入偏置电流(OP07A为2nA),高开环增益(OP07为300V/mV)。
低偏移和高开环增益使OP07特别适合高增益的仪表应用中。
为消除直流信号以及高频噪声的影响,电路中加入0.05Hz二阶高通滤波器,和50Hz二阶低通滤波器,如下图所示。
图3-4二阶高通滤波器图3-5二阶低通滤波器
尽管前面已经设计了对共模信号的抑制,但任有一部分50Hz共模干扰以差模信号的形式输出到后级电路中,故本采集电路加了50Hz陷波电路,如下图所示,本电路的原型是双T陷波电路,但要求达到精确的频率,双T电路中的电阻改为电位器,电容用涤纶电容,在调试中通过调节电位器调整陷波器的中心频率。
图3-6双T陷波电路
3.2.3主放大电路和电平提升电路
该部分电路由单电源同相交流放大电路和电压跟随器组成。
单片机AD采样的电压范围为0到VDD,而前置放大电路由双电源供电,通过的信号为交流信号,不适合单片机采样,故需要一个电平提升电路是心电信号能被单片机采样,电路如图3-7。
电源VCC通过电位器RP4分压,使运放同相输入端电位V+=Vcc/2,由于C9隔直流,使RP5引入全直流负反馈,所以静态时,运放输出端电压Vo=V+=V-=Vcc/2,C9、C10通交流,使RP5引入交流负反馈,是电压并联负反馈。
放大器的增益为Au=1+RP5/R18,,放大器输入电阻=RP4/2=50K,输出电阻=0。
图3-7电平提升电路
电压跟随器具有高输入阻抗,低输出阻抗的特点,因此,在将心电信号送入单片机采样前,加上一个电压跟随器可以提高单片机采样端口的输入阻抗,提高前置放大电路的驱动能力,如下图所示,其中FB1为磁珠,将模拟地与数字地隔离,提高前置放大电路的抗干扰能力。
图3-8电压跟随器电路
3.2.4电源供应电路
前置放大电路由电池供电,负电压由ICL7660S产生,它是电荷泵方式的电压反转器,外围只需外接两只低损耗电容,无需电感,降低了损耗、面积及电磁干扰。
芯片的振荡频率为10KHz,多用于LCD、仪表中。
下图为典型应用电路。
图3-9典型供电电路
由于单片机工作电压为3V,AD620工作电压为3V,ICL7660的负电压输出是随输出电流的变化而有一定变化的,故前置放大电路的电源由3.7V电池单独供电,提高了前置放大电路的可靠性和运放的输出动态范围。
3.3前置放大电路调试
画好电路图和PCB图后,将PCB板做出来,将元器件焊上,接通电源,测量各芯片是否工作在正常电压下,用信号发生器依次输入10Hz,20Hz,30Hz,40Hz,50Hz,60Hz信号,用示波器观察输出信号是否满足增益放大、滤波陷波衰减要求。
在满足设计要求的前提下,接上人体进行实际测试,通过示波器观察,得到心电图:
图3-10示波器观察结果
第4章基于ZigBee技术的心电终端设计
4.1Zigbee网络框架
Zigbee的体系结构由称为层的各模块组成。
每一层为其上层提供特定的服务:
即由数据服务实体提供数据传输服务;
管理实体提供所有的其他管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口,每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
Zigbee协议的体系结构如下图所示:
图4-1Zigbee协议的体系结构
4.1.1IEEE802.15.4物理层(PHY)
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务和
物理层管理服务。
物理层内容:
1)Zigbee的激活;
2)当前信道的能量检测(EnergyDetection,ED);
3)接收链路服务质量信息(Linkqualityindicator,LQI);
4)Zigbee信道接入方式;
5)信道频率选择;
6)物理媒介的数据接收和发送。
4.1.2IEEE802.15.4MAC层
MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;
支
持PAN连接和分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
MAC层功能:
1)网络协调器产生信标;
2)与信标同步;
3)支持PAN(个域网)链路的建立和断开;
4)为设备的安全性提供支持;
5)信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制;
6)处理和维护保护时隙(GTS)机制;
7)在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。
4.1.3网络层(NWK)
ZigBee协议栈的核心部分在网络层。
网络层主要实现节点加入或离开网络、
接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
网络层功能:
1)网络发现;
2)网络形成;
3)允许设备连接;
4)路由器初始化;
5)设备同网络连接;
6)直接将设备同网络连接;
7)断开网络连接;
8)重新复位设备;
9)接收机同步;
10)信息库维护。
4.1.4应用层(APL)
ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。
应用支持层的功能包括:
维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
ZigBee设备对象的功能包括:
定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备),发起和响应绑定请求,在网络设备之间建立安全机制。
ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备,并且决定向他们提供何种应用服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
ZDO其实是一个APS之上的内置应用对象,是对ZigBee设备基本功能的抽象,通过标识O接入到APSDE一SAP。
它通过ZDO公共接口为AF框架中的应用对象提供设备级的对象管理服务,包括定义设备类型(如协调器、路由器、终端设备),发起和响应绑定请求,发现网络中的设备和其能提供何种应用服务、与其它网络设备建立安全链接等。
其中设备发现只能由协调器或路由器发起,终端设备可以响应设备发现查询,并根据查询请求响应自己的设备地址或网络地址。
协调器或路由器发送自己的设备地址或网络地址(附加上其关联设备的网络地址)。
ZDO还提供初始化APS,网络层等功能。
应用程序框架(AF):
运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象,并且遵循规范(profile)运行在端点1~240上。
在ZigBee应用中,提供2种标准服务类型:
键值对(KVP)或报文(MSG)
4.2心电终端
心电终端节点通过zighec网络接入监护系统,其硬件平台由Zigbee模块、心电采集电路、滤波电路以及外围电路组成。
心电终端设备作为整个系统的数据前端部分,是获取数据的来源。
设备由心电采集电路和CC2430两个模块组成,在物理上是组合在一起的,使用时由病人携带在身上,连接好导联电极后启动设备,进行实时心电采集和传输。
心电信号由电极和导联线从人体采集,经过放大和滤波处理后,再进行模数转换,并通过串口传送到CC2430完成无线发送。
4.3CC2430无线收发模块
CC243O的主要特性如下:
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上
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