红外传输单道心电遥测系统设计及工作原理

2008-08-13 13:14:07来源: EDN 关键字:接收  存储  通讯  终端  调制  监护
  心电图是诊断心脏病的重要手段,但是,由于种种原因,用普通心电图仪很难捕捉到异常心电图。无线电心电监护仪或者24小时动态心电监护仪虽然能有效地解决这一问题,但是造价昂贵,难以深入家庭。红外光生物遥测具有抗电磁干扰能力强、发射和接收设备简单、成本低廉、调试容易;无需进行频率注册;使用方便、安全的优点[1]。随着计算机技术的飞速发展,计算机已逐步深入家庭,为研制具有分析、处理能力的家庭医疗监护设备提供了基础。为此,我们研制了一种单道红外心电遥测仪,它以计算机作为分析、处理、显示、存储通讯手段,用红外光作为传输媒介,对被试者进行实时监护。通过调制解调器,还能把遥测数据传输到医疗中心,供医疗专家分析、诊断,是一种理想的远程医疗前端及家庭医疗监护设备。

  1 系统设计及工作原理

  本机以计算机作为接收、处理终端,完成数据的接收、处理、存储、通讯等功能,对被试者进行实时监护。

  系统采用PCM-ASK调制方式。即第一次调制采用脉冲编码调制,第二次调制采用幅度键控调制。PCM调制具有精度较高、抗干扰性较强的特点。ASK调制,既可以提高抗环境光、抗电磁干扰的能力,又可以通过选择不同的副载波频率,实现多套遥测系统在同一地区同时工作,而不会互相干扰。而且,由于红外发射管工作于开关状态,不仅能降低发射管的功耗,减小发射机的体积、重量,增加作用距离,得到较长的工作时间,同时,ASK调制方式调制线路简单,实现容易,便于晶体稳频,提高系统的可靠性。接收端解调后,数据直接进入计算机的串口,使硬件结构大为简化,且使用方便。

  PCM调制器采用单片机实现,由它完成信号采样、A/D转换、数据串行输出。经比较,我们采用了MICROCHIP公司生产的PIC16C71。它是一种低成本、低功耗、高性能、带片内A/D转换器及程序存储器的8位单片机。其指令结构精炼,速度快,体积小,为18脚封装,有4个模拟输入通道,13个I/O口,4个中断源,在5V电源、主频为4MHz的情况下,工作电流小于2mA。

  接收端选用集成化红外接收模块TEMS5380作为红外接收部分。它集红外接收、转换、滤波、放大、整形、解调于一体,具有体积小、灵敏度高、功耗低、工作可靠、调试方便的特点[2]。它的中心频率为38kHz,可传输数据的速率达3000波特,系统组成方框图如图1所示。

系统组成方框图

图1 系统组成方框图

  系统的工作过程如下:心电放大器及电平调整电路将心电信号进行放大并调整到A/D转换器所需的电平。单片机以200Hz的采样率对心电信号进行采样、A/D转换,并按串行通信的格式将A/D转换的结果附加起始位和停止位进行移位输出。其中,1位起始位,8位数据位,1位停止位。码速率为2400bit/s。为了便于识别起始位,传输上述10位码后,紧接着传送停止位,直至进行下次A/D转换。串行输出数据控制门控电路工作。振荡分频器产生副载波频率,当串行数据码为高电平时,门控电路打开,副载波信号通过门控电路,驱动红外发光管发光。驱动电路为VMOS管,它的开关特性好,输出电流大,电路简单。

  红外接收模块接收到信号后,经转换、滤波、放大、解调、整形,输出串行数据流。为了增大系统遥测范围,在发射端串联了6个红外发射管,而在接收端并联了4个红外接收模块,其方位彼此错开。红外接收模块输出由或门相加,然后经电平转换,变成串行通讯所要求的电平,由计算机串口输入计算机,进行分析处理。

  计算机工作于两个模式:实时监护模式和数据回放模式,在此之前可以输入被试者资料。在实时监护模式下。显示器实时显示心电波形及心率。当检测到异常心电图时,计算机发出声音报警。在任意时刻按存储键可以将按键前50秒的数据存储至硬盘中,在一次监护过程中至多能存储21分钟的数据。若按下冻结键,心电波形被冻结在屏幕上,可以把心电波形打印出来,此后可以按继续键继续监护或按退出键退出监护模式。退出监护模式时,可以把分析结果显示出来。

  在回放模式中,输入文件名,可以自由选择存储在硬盘中的任意一段心电数据进行波形回放,或将数据通过网络输至救护中心,供专家进一步分析诊断。

  2 软件设计

  软件设计采用模块化设计、菜单操作。其实时监护工作流程如图2所示。

系统软件主流程图

图2 系统软件主流程图

  3 实验结果

  发射端心电放大器±5V供电,红外发射管用+9V供电,其余部分用5V供电。接收端用+5V供电。红外发射管工作电流为34mA。系统的遥测距离达41m,在8m×6m×3m的大厅里,无论发射部分和接收部分处于何方位均能正常接收。在较强照明灯和强电磁干扰情况下均可靠运行,信号波形清晰,说明系统具有很强的抗环境光和电磁干扰的能力。

实验结果

图3 实验结果

  4 结束语

  经实验表明,本系统精度高,抗干扰性强,结构简单,操作方便,使用安全,作用距离较远。通过选用不同频率的副载波,可以实现在同一房间内多套遥测系统同时工作;通过提高接收部分速率,能够提高信号的采样率,实现多路生理信号的遥测,可以作为一种理想、实用的家庭医疗监护设备和远程医疗前端,是红外遥测技术应用于临床的一种有益的尝试和探索。

  本系统发射端采用带A/D转换器的单片机,红外接收部分采用一体化的红外接收模块使系统结构得以简化。但是,红外接收模块的传输速率不够高,因而,信号的采样率受到限制。随着器件的发展,更高传输速率的集成化元件出现,这一问题就可以得到解决。或者系统的红外接收部分采用分立的元件,也可以有效地解决这一问题。

  参考文献

  [1] Takahasi M, Pollak V. Ear infra-red telemetry system. Medical & Biological Enignering & computing, 1985,7:387—392

  [2] 唐晓泉,等。一体化红外线接收器及其在数据通信中的应用。电子技术应用,1996,6:44—45

关键字:接收  存储  通讯  终端  调制  监护

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0813/article_285.html
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