基于51单片机的无线心电监护系统设计

作者：时间：2011-12-09 来源：网络收藏

为充分利用A/D转换的精度，在转换前先将信号放大到A／D转换器电路参考电压的70％左右，考虑到信号中有附加的直流成分，需在A／D转换电路前增加电平调节电路。个体心电幅度的差异要求电路中设计程控放大电路，又为便于心电信号的标定和考虑到实际器件放大倍数与理论值的偏差，在程控放大前设置一个手动可调的放大电路(1～10倍)。综合上述分析，心电采集与程控放大部分应包括：AD620前端放大、0．05～100 Hz的带通滤波、50Hz陷波、手动放大、程控放大和电平提升等电路，如图2所示。其中程控放大功能的实现主要利用CD4051电子开关的数字选通功能，能够实现1～50倍的调节范围。

2．3 NRF24L01无线发射电路
NRF24L01是单片射频收发器件，工作于2．4～2．5 GHzISM频段，工作电压为1．9～3．6 V，有多达125个频道可供选择。通过SPI写人数据，其速率最高可达10 Mb／s，数据传输速率最高可达2Mb／s，并有自动应答和自动再发射功能。和上一代NRF2401相比，NRF24L01数据传输率更快，数据写入速度更高，内嵌的功能更完备。器件内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序配置。器件能耗非常低，以-6 dBmW的功率发射工作电流仅9 mA，接收时工作电流只有12．3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。结合C8051F320内部资源．采用自带的SPI接口控制NRF24L01的读写，节省硬件资源也方便软件的编写。图3为无线发射控制电路。

2．4 PC监护终端设计
C8051F320集成了全速／低速USB功能控制器，用于实现USB接口的外部设备(不能被用作USB主设备)。USB功能控制器(USB0)由串行接口引擎(SIE)、USB收发器(包括匹配电阻和可配置上拉电阻)、1 KB FIFO存储器和时钟恢复电路(可以不用晶体)组成，无需外部元件。USB功能控制器和收发器符合通用串行总线规范2．0版。监护终端中的单片机也采用 C8051F320，无线接收部分和图3相同。C8051F320通过自带的USB接口与PC进行数据通信(见图1)。

3 系统软件设计
3．1 数据采集盒程序设计
数据采集盒中以C8051F320单片机为核心，该器件是完全集成的混合信号片上系统MCU，具有以下特性：(1)高速、流水结构的8051兼容的微控制器内核(可达25 MI/s)；(2)全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；(3)通用串行总线(USB)功能控制器，有8个灵活的端点管道、集成收发器以及1 KB FIFO RAM；(4)真正10位200 ks／s的17通道单端／差分A／D转换器，带模拟多路器；(5)硬件实现的SMBus／I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口。
采集参数分析与确定：(1)心电能量主要分布在0．05～100 Hz之间，根据采样定理可知A／D转换器的采样频率应大于200 Hz。综合考虑A／D转换器采样速度高和低功耗，将其采样率设置为2000Hz；(2)由于A／D转换器每次采样时问并不相等，所以采用TIME2定时器触发每个采样周期；(3)为提高传输速度和数据传输效率以及达到低功耗的要求，将NRF24L01设置为数据块传输模式，每采样32个点发起一次无线数据传输；(4)C8051 F320中的SPI口设置为4线主方式，NRF24L01的SPI为从方式。这样不仅满足实时采样要求，还充分利用硬件资源和能源。图4为数据采集盒软件流程。