基于HKD-10A的家用人体心电监测系统设计(1)
北京林业大学，北京100083
【摘要】本设计针对目前家用人体心电监测仪成本高、体积大等缺点，结合家用人体心电监测设备的技术要求，设计了一种具有无线传输功能的家用人体心电实时监测系统。该系统采用内部集成ADC的微控制器ATMage16作为系统控制核心；选用HKD-10A心电传感器模块代替传统的心电信号采集与调理电路，采集到的心电信号可通过无线串口发送至PC机，在上位机软件中显示心电图和心率，不仅有助于减小系统体积，降低设计成本，还降低了对下位机的性能要求。经初步测试，该系统可正常运行，实现对人体心电图及心率的远程监测。
【关键词】心电监测系统；心电图；HKD-10A；远程监测
【中图分类号】R540.4+1【文献标识码】A文章编号：1004-7484(2012)-05-1037-03心血管疾病具有突发性，是严重影响人类健康的疾病之一[1-2]。但研究表明，有超过70%的患者在病发之前有明显不适[3]，如果能够实时监测病人的心电变化，则有可能大大减少意外的发生。因此，很多学者致力于研究一种便捷的心电实时监测系统。
1961年，Holter发明了Holter系统，该系统可以连续地将心电数据记录在磁带中，实现了便携式人体心电信号的实时采集，但是Holter系统记录的心电数据必须用医院的特定设备来读取和分析，较为繁琐[4]。心脏BP机系统的出现使得心电监测系统更为便捷，该系统只有BP机一般大小，但包括一个数据存储单元和一个通信单元。佩戴者可以随时进行心电数据的采集，并且可以通过PC机将数据上传给医院进行显示和分析，实现了便携式的远程心电监测。但是心脏BP机系统的数据存储量较小，实时性较差[5]。基于嵌入式系统的心电监护仪能够将数据采集、处理以及显示等功能集于一身，而且速度快，可扩展性好[8]。
然而，随着性能的完善和功能的增加，系统的体积越来越大，成本也越来越高。目前，心电信号调理电路一般由前级放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、陷波电路以及后级放大电路组成，电路比较复杂，而且设计和调试难度较高。华科电子研究所的HKD-10A心电模块将上述信号调理电路集于一身，利用HKD-10A进行心电监测系统的设计不仅可以缩小系统体积，还能降低设计成本。而且在面向家庭应用的人体心电监测系统设计中，并不需要高档单片机，所以成本还可以进一步降低。
本文选用ATMega16单片机作为系统主控制器，利用HKD-10A采集心电信号，通过单片机AD采样后进行处理，最后利用无线串口将数据发送至PC机，在上位机软件中显示心电图和心率。1.系统组成及原理
系统由下位机和PC上位机组成，其中下位机包括心电测量模块、微控制器模块、无线通信模块和电源模块。原理框图如(图1所示)。
图1系统原理框图 心电测量模块包括电极连接线和HKD-10A心电传感器模块，用于采
集体表心电信号；微控制器模块由一片AVR单片机ATMega16组成，ATMega16内部集成10位ADC，微控制器模块用于对HKD-10A输出的模拟电压信号进行采样，并将数据处理后通过无线通信模块上传至PC上位机；无线通信模块采用HPS-120无线串口，分为发送端和接收端；电源模块用于为心电测量模块、微控制器模块以及无线通信模块的发送端提供电能；PC上位机用于显示心电图和心率，数据来自于无线通信模块的接收端。
1.1心电测量模块：
1.1.1心电信号的产生。生物细胞内含有钾、钠、氯等离子，其中一些带有正电荷，另一些带有负电荷。细胞活动会导致电荷的移动，进而引起电位变化。人体血液循环的动力来自于心脏不停的收缩与舒张活动，心脏的跳动则是由心肌细胞有规律的活动所引起的。在每一个心动周期中，兴奋由窦房结开始，然后依次向心房和心室传递，同时引起生物电的变化。这种电信号的变化可经过人体组织传递到体表，引起体表电流的周期性变化，产生可测量的心电信号[9-11]。
1.1.2心电信号的采集。传递到人体体表的心电信号十分微弱，电压幅值一般在0.05mV到5mV之间，几乎淹没在噪声当中。因此，在采集心电信号之前，要将信号放大，并且要将噪声滤掉。心电信号的频率在0.05Hz到100Hz之间，需要用低通滤波器和高通滤波器将噪声或干扰滤掉。如果系统使用市电供电，还要考虑市电引入的工频干扰，此干扰信号的频率与市电频率相等，在国内是50Hz，需要设计陷波电路将其消除。由此可见，信号调理电路较为复杂，必定会增大电路面积和调试时间。
HKD-10A心电传感器模块将信号测量电路和信号调理电路集于一身，采用HKD-10A进行心电测量系统设计，不仅可以缩小系统体积，还能降低设计成本、缩短开发周期。HKD-10A的量程为0-4mV，放大倍数是475倍，基本满足系统的要求，其引脚定义。
表1HKD-10A管脚定义
管脚序号管脚定义说明1N/C空脚2N/C空脚3GND地4N/C空脚5CON参考电极6IN1输入电极17IN2输入电极28GND电源地9N/C空脚10VCC电源11OUT模拟信号输出根据表1，1、2、4、9这四个引脚为空引脚，悬空不接；10引脚接电源正极，电源电压推荐为3.6V-6V；3、8引脚为地，接电源负极；5、6、7为三个电极接口，通过电极连接线与心电电极片相连，并将三个心电电极片分别贴附在被测者的左上臂、左下臂和右下臂；11脚为传感器的输出引脚，输出信号为模拟量电压值，通过单片机进行AD采样读取。
1.2微控制器模块。微控制器选用Atmel公司的ATMega16单片机，ATMega16内部集成8路10位ADC，最高采样率可达15kSPS，满足对心电信号的采样要求。心电传感器HKD-10A的输出信号通过AD转换读入到单片机，单片机读取到数据后，截取高8位作为心电数据，并在每一帧数据前面补上一帧固定的数据，然后通过无线串口发送出去，即连续发送两帧数据，在此称为标志帧和数据帧。标志帧用于使上位机能够判断接收到的数据是否为有用的心电信号，数据帧则是真正的心电信号。, http://www.100md.com(郭屾 王毅 许大伟 郝志斌 闫磊)
【摘要】本设计针对目前家用人体心电监测仪成本高、体积大等缺点，结合家用人体心电监测设备的技术要求，设计了一种具有无线传输功能的家用人体心电实时监测系统。该系统采用内部集成ADC的微控制器ATMage16作为系统控制核心；选用HKD-10A心电传感器模块代替传统的心电信号采集与调理电路，采集到的心电信号可通过无线串口发送至PC机，在上位机软件中显示心电图和心率，不仅有助于减小系统体积，降低设计成本，还降低了对下位机的性能要求。经初步测试，该系统可正常运行，实现对人体心电图及心率的远程监测。
【关键词】心电监测系统；心电图；HKD-10A；远程监测
【中图分类号】R540.4+1【文献标识码】A文章编号：1004-7484(2012)-05-1037-03心血管疾病具有突发性，是严重影响人类健康的疾病之一[1-2]。但研究表明，有超过70%的患者在病发之前有明显不适[3]，如果能够实时监测病人的心电变化，则有可能大大减少意外的发生。因此，很多学者致力于研究一种便捷的心电实时监测系统。
1961年，Holter发明了Holter系统，该系统可以连续地将心电数据记录在磁带中，实现了便携式人体心电信号的实时采集，但是Holter系统记录的心电数据必须用医院的特定设备来读取和分析，较为繁琐[4]。心脏BP机系统的出现使得心电监测系统更为便捷，该系统只有BP机一般大小，但包括一个数据存储单元和一个通信单元。佩戴者可以随时进行心电数据的采集，并且可以通过PC机将数据上传给医院进行显示和分析，实现了便携式的远程心电监测。但是心脏BP机系统的数据存储量较小，实时性较差[5]。基于嵌入式系统的心电监护仪能够将数据采集、处理以及显示等功能集于一身，而且速度快，可扩展性好[8]。
然而，随着性能的完善和功能的增加，系统的体积越来越大，成本也越来越高。目前，心电信号调理电路一般由前级放大电路、低通滤波电路、高通滤波电路、陷波电路以及后级放大电路组成，电路比较复杂，而且设计和调试难度较高。华科电子研究所的HKD-10A心电模块将上述信号调理电路集于一身，利用HKD-10A进行心电监测系统的设计不仅可以缩小系统体积，还能降低设计成本。而且在面向家庭应用的人体心电监测系统设计中，并不需要高档单片机，所以成本还可以进一步降低。
本文选用ATMega16单片机作为系统主控制器，利用HKD-10A采集心电信号，通过单片机AD采样后进行处理，最后利用无线串口将数据发送至PC机，在上位机软件中显示心电图和心率。1.系统组成及原理
系统由下位机和PC上位机组成，其中下位机包括心电测量模块、微控制器模块、无线通信模块和电源模块。原理框图如(图1所示)。
图1系统原理框图 心电测量模块包括电极连接线和HKD-10A心电传感器模块，用于采
集体表心电信号；微控制器模块由一片AVR单片机ATMega16组成，ATMega16内部集成10位ADC，微控制器模块用于对HKD-10A输出的模拟电压信号进行采样，并将数据处理后通过无线通信模块上传至PC上位机；无线通信模块采用HPS-120无线串口，分为发送端和接收端；电源模块用于为心电测量模块、微控制器模块以及无线通信模块的发送端提供电能；PC上位机用于显示心电图和心率，数据来自于无线通信模块的接收端。
1.1心电测量模块：
1.1.1心电信号的产生。生物细胞内含有钾、钠、氯等离子，其中一些带有正电荷，另一些带有负电荷。细胞活动会导致电荷的移动，进而引起电位变化。人体血液循环的动力来自于心脏不停的收缩与舒张活动，心脏的跳动则是由心肌细胞有规律的活动所引起的。在每一个心动周期中，兴奋由窦房结开始，然后依次向心房和心室传递，同时引起生物电的变化。这种电信号的变化可经过人体组织传递到体表，引起体表电流的周期性变化，产生可测量的心电信号[9-11]。
1.1.2心电信号的采集。传递到人体体表的心电信号十分微弱，电压幅值一般在0.05mV到5mV之间，几乎淹没在噪声当中。因此，在采集心电信号之前，要将信号放大，并且要将噪声滤掉。心电信号的频率在0.05Hz到100Hz之间，需要用低通滤波器和高通滤波器将噪声或干扰滤掉。如果系统使用市电供电，还要考虑市电引入的工频干扰，此干扰信号的频率与市电频率相等，在国内是50Hz，需要设计陷波电路将其消除。由此可见，信号调理电路较为复杂，必定会增大电路面积和调试时间。
HKD-10A心电传感器模块将信号测量电路和信号调理电路集于一身，采用HKD-10A进行心电测量系统设计，不仅可以缩小系统体积，还能降低设计成本、缩短开发周期。HKD-10A的量程为0-4mV，放大倍数是475倍，基本满足系统的要求，其引脚定义。
表1HKD-10A管脚定义
管脚序号管脚定义说明1N/C空脚2N/C空脚3GND地4N/C空脚5CON参考电极6IN1输入电极17IN2输入电极28GND电源地9N/C空脚10VCC电源11OUT模拟信号输出根据表1，1、2、4、9这四个引脚为空引脚，悬空不接；10引脚接电源正极，电源电压推荐为3.6V-6V；3、8引脚为地，接电源负极；5、6、7为三个电极接口，通过电极连接线与心电电极片相连，并将三个心电电极片分别贴附在被测者的左上臂、左下臂和右下臂；11脚为传感器的输出引脚，输出信号为模拟量电压值，通过单片机进行AD采样读取。
1.2微控制器模块。微控制器选用Atmel公司的ATMega16单片机，ATMega16内部集成8路10位ADC，最高采样率可达15kSPS，满足对心电信号的采样要求。心电传感器HKD-10A的输出信号通过AD转换读入到单片机，单片机读取到数据后，截取高8位作为心电数据，并在每一帧数据前面补上一帧固定的数据，然后通过无线串口发送出去，即连续发送两帧数据，在此称为标志帧和数据帧。标志帧用于使上位机能够判断接收到的数据是否为有用的心电信号，数据帧则是真正的心电信号。, http://www.100md.com(郭屾 王毅 许大伟 郝志斌 闫磊)