碩士論文基于DSP的心電監(jiān)護(hù)儀器關(guān)鍵技術(shù)研究

1、 tp339分類號(hào)：_密級(jí)：_：_單位代碼：_北京科技大學(xué)碩士學(xué)位論文基于dsp的心電監(jiān)護(hù)儀器關(guān)鍵技術(shù)研究論文題目： 作者：_北京科技大學(xué) 副教授指 導(dǎo) 教 師： 單位： 指導(dǎo)小組成員： 單位： 單位： 論文提交日期：2009年 11月 5日學(xué)位授予單位：北 京 科 技 大 學(xué)致 謝本人在兩年半的碩士研究生課程學(xué)習(xí)和撰寫學(xué)位論文的過(guò)程中，自始至終得到了我的導(dǎo)師遲健男副教授的悉心指導(dǎo)，無(wú)論從課程學(xué)習(xí)、論文選題，還是到收集資料、論文成稿，都傾注了遲老師的心血。由衷感謝遲健男老師在學(xué)業(yè)指導(dǎo)及各方面所給予我的關(guān)心以及從言傳身教中學(xué)到的為人品質(zhì)和道德情操，老師廣博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、誨人不倦的教育情

2、懷和對(duì)事業(yè)的忠誠(chéng)，必將使我終身受益，并激勵(lì)我勇往直前。摘 要隨著全球信息化浪潮的來(lái)臨，智能家居系統(tǒng)的研究方興未艾，本文以智能家居系統(tǒng)中的生理、心理及疾病監(jiān)控為應(yīng)用背景，立足開發(fā)一種基于dsp的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，設(shè)計(jì)目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、無(wú)線傳輸及致病心電信號(hào)片斷的自動(dòng)識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境中便攜式心電監(jiān)護(hù)儀器的網(wǎng)絡(luò)連接，達(dá)到心電疾病遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。本文根據(jù)課題目標(biāo)，并在分析現(xiàn)有心電監(jiān)護(hù)儀器的基礎(chǔ)上，采用tms320f2812dsp作為核心控制器，完成心電信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理、波形顯示以及傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)包括心電波形采集模塊、液晶顯示模塊、rs-232串口模塊和zigbee模塊等。液晶用

3、來(lái)作為人機(jī)交互和顯示心電波形；串口接計(jì)算機(jī)，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜算法處理；zigbee模塊可以無(wú)線發(fā)送心電數(shù)據(jù)并組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。在pc機(jī)上用vc+編寫了應(yīng)用客戶端，可以在pc機(jī)上進(jìn)行心電疾病檢測(cè)等各種功能的開發(fā)。本文最后對(duì)心電信號(hào)的分段方法進(jìn)行了研究，結(jié)合數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，對(duì)差分閾值方法進(jìn)行了改進(jìn)。本課題初步完成了預(yù)期的設(shè)想，給出了一種實(shí)現(xiàn)心電監(jiān)護(hù)儀小型化、智能化、家庭化的現(xiàn)實(shí)可行的方案，繪制了原理圖和pcb圖，進(jìn)行了pcb板的設(shè)計(jì)、電路調(diào)試、程序的編寫以及各個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。后期的開發(fā)中可以使之構(gòu)成數(shù)字家庭中的心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大時(shí)段心電信號(hào)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸，在醫(yī)院、社區(qū)、家庭及養(yǎng)老機(jī)構(gòu)都有

4、可觀的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護(hù)，dsp，數(shù)字家庭，zigbee the key technology research of ecg monitor based on dspabstractwith the advent of global information, researches of smart home system are in the ascendant. we are designed to achieve the ecg real-time detection, wireless transmission and automatic recognition of path

5、ogenic ecg segments.in order to achieve the purpose we developed a portable ecg monitor which achieves the purpose of cardiac disease remote monitoring, and will be used in the physical and psychological disease surveillance in smart home system.we developed a dsp-based portable ecg monitor, based o

6、n the analysis of existing ecg monitor,using tms320f2812dsp as the core controller, which complete the functiong of sample, storage, processing, waveform display and transmission. system includes ecg acquisition module, liquid crystal display modules, rs-232 serial port modules and zigbee module. li

7、quid crystal is used as a human-computer interaction and displays the ecg waveform, while serial port connecting to computer can transmit data to a computer for complex algorithm processing and zigbee wireless module can send the ecg data to the wireless sensor networks. in the pc, we have written w

8、ith vc+ the application client which can be carried out on pc to detecte disease in ecg and many other functions. in this paper, we studied the existing ecg segmentation methods, and then by combining mathematical morphology with differential threshold method we proposed a new method to detect qrs w

9、ave. we fulfilled the expected purpose, and propose a practical plan which makes realization of a kind of a miniaturization, inteligent and home ecg monitor.the paper make out principle diagram and pcb diagram of the instrument, and then performes the design, electric circuit debugging of pcb, progr

10、aming and all tests processes. in the later development it can be made into a ecg monitor net at homes and realize the monitoring and remote transmission of ecg. it is believed that it will enjoy a good application prospects in hospitals, communities, homes and aged caring organizations. . key words

11、：ecg, dsp, digital home, zigbee目 錄致 謝i摘 要iiiabstractv插圖清單ix1 引言11.1 心電監(jiān)護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀11.2 面向助老助殘的智能家居環(huán)境簡(jiǎn)介21.3 課題的提出32 心電監(jiān)護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)介42.1 心電信號(hào)的形成及其特點(diǎn)42.2 心電圖導(dǎo)聯(lián)62.3 嵌入式心電監(jiān)護(hù)技術(shù)72.4 本章小結(jié)93 無(wú)線通信與zigbee技術(shù)綜述103.1 無(wú)線通信技術(shù)概述103.2 zigbee技術(shù)123.3 本章小結(jié)144 基于dsp的心電監(jiān)護(hù)儀總體設(shè)計(jì)154.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)164.1.1 dsp選型164.1.2 dsp系統(tǒng)的設(shè)計(jì)174.1.3 心電采集模塊電路設(shè)計(jì)

12、204.1.4 rs-232串口設(shè)計(jì)214.1.5 zigbee模塊電路設(shè)計(jì)224.1.6 電磁兼容性設(shè)計(jì)254.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)264.2.1 ccs開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介264.2.2 dsp軟件流程284.2.3 dsp寄存器的定義和初始化294.2.4 dsp內(nèi)部存儲(chǔ)空間分配314.2.5 ad轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)344.2.6 dsp串口操作374.2.7 lcd顯示波形384.2.8 zigbee相關(guān)軟件設(shè)計(jì)394.2.9 pc機(jī)端應(yīng)用程序434.3 目標(biāo)板的制作以及硬件調(diào)試454.3.1 pcb板的制作以及抗干擾設(shè)計(jì)454.3.2 元器件的焊接474.3.3 電路調(diào)試484.4 本章小結(jié)485 系

13、統(tǒng)調(diào)試495.1 系統(tǒng)功能調(diào)試前的準(zhǔn)備495.2 儀器功能調(diào)試505.3 本章小結(jié)526 心電信號(hào)處理算法研究536.1 心電信號(hào)處理方法綜述536.1.1 qrs波群檢測(cè)算法536.1.2 p波和t波的檢測(cè)算法556.2 基本理論簡(jiǎn)介566.2.1 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)566.2.2 差分閾值法586.3 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)和差分閾值的心電分段方法研究586.3.1 信號(hào)預(yù)處理586.3.2 qrs波群的檢測(cè)606.4 本章小結(jié)627 結(jié)論與展望637.1 本文工作637.2 下一步工作64參考文獻(xiàn)65作者簡(jiǎn)歷及在學(xué)研究成果70獨(dú)創(chuàng)性說(shuō)明72關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明72學(xué)位論文數(shù)據(jù)集74插圖清單圖 2-1

14、典型心電信號(hào)波形圖4圖 4-1 系統(tǒng)總體框圖15圖 4-2 dsp電源電路圖18圖 4-3 晶振電路圖19圖 4-4 jtag接口和復(fù)位電路20圖 4-5 心電放大模塊結(jié)構(gòu)圖20圖 4-6 加法電路圖21圖 4-7 串口電路圖22圖 4-8 模塊接口電路圖23圖 4-9 cc2420模塊與dsp接口示意圖24圖 4-10 dsp系統(tǒng)電路圖25圖 4-11 ccs開發(fā)界面圖27圖 4-12 系統(tǒng)軟件流程示意圖28圖 4-13 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊功能框圖35圖 4-14 ad轉(zhuǎn)換結(jié)果讀取示意圖36圖 4-15 波形顯示示意圖38圖 4-16 lcd波形顯示39圖 4-17 spi主模式內(nèi)部功能框圖40圖

15、 4-18 ieee802.15.4幀格式示意圖41圖 4-19 cc2420初始化流程圖42圖 4-20 cc2420數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖43圖 4-21 pc端應(yīng)用程序界面45圖 4-22 印刷電路板47圖 5-23 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)聯(lián)方式49圖 5-24 系統(tǒng)硬件組成圖50圖 5-3 系統(tǒng)菜單及功能圖50圖 5-4 ccs的flash編程51圖 5-5 ccs中觀測(cè)到的心電信號(hào)52圖 5-6 pc機(jī)客戶端軟件圖52圖 6-1 心電原始信號(hào)59圖 6-2 濾波后的心電信號(hào)60圖 6-3 波峰和波谷的提取61圖 6-4 qrs波形檢測(cè)結(jié)果62 1 引言1.1 心電監(jiān)護(hù)發(fā)展現(xiàn)狀心電監(jiān)護(hù)是連續(xù)監(jiān)測(cè)病人的心電

16、圖信號(hào)，及時(shí)了解病人的心臟狀況，在發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重心臟病時(shí)實(shí)施及時(shí)的救護(hù)的過(guò)程。心電監(jiān)護(hù)檢測(cè)的主要內(nèi)容是心律情況。在早期的心電圖觀察中，相當(dāng)高比例的心律失常病癥未被注意到，直到20世紀(jì)60年代，人們才認(rèn)識(shí)到心律失常是急性心肌梗塞病人的常見并發(fā)癥，因?yàn)橹钡侥菚r(shí)才出現(xiàn)實(shí)用的可進(jìn)行心電連續(xù)監(jiān)測(cè)的技術(shù)設(shè)備，該設(shè)備最先用于冠心病監(jiān)護(hù)（ccu）中1。事實(shí)證明，冠心病人若能在疾病發(fā)作的1分鐘內(nèi)得到及時(shí)治療，有90%的生存機(jī)會(huì)，而在3分鐘后才得到治療，生存機(jī)會(huì)就大為下降。據(jù)美國(guó)華盛頓醫(yī)院中心心臟科研究報(bào)道 ，在建立了ccu監(jiān)護(hù)病房后，冠心病人的死亡率從原來(lái)的40%下降到12.5%。心電監(jiān)護(hù)儀使人們可一直連續(xù)觀察心臟的

17、活動(dòng)，并及時(shí)提示重要的心律失常，從而為心律失常相關(guān)的心臟疾病的研究、急救和治療提供了重要的手段，所以說(shuō)心電監(jiān)護(hù)是ccu的一個(gè)里程碑。隨著后來(lái)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，ccu監(jiān)護(hù)裝置得到了迅速發(fā)展，可靠性和準(zhǔn)確性不斷提高，在醫(yī)院得到了廣泛的運(yùn)用?，F(xiàn)代集中監(jiān)護(hù)儀器普遍實(shí)現(xiàn)智能化。在監(jiān)護(hù)病房里都設(shè)有帶微處理器的床邊監(jiān)護(hù)儀，它具有監(jiān)護(hù)生理參數(shù)、顯示和報(bào)警功能。集中監(jiān)護(hù)的中央控制臺(tái)大多數(shù)采用存儲(chǔ)量大的計(jì)算機(jī)，可同時(shí)監(jiān)護(hù)多至16位病人。通常采用分布式處理系統(tǒng)，中央控制臺(tái)和床邊監(jiān)護(hù)儀構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)相互通信。集中監(jiān)護(hù)中央控制臺(tái)接受來(lái)自8至16個(gè)床邊監(jiān)護(hù)儀的數(shù)據(jù)，進(jìn)行運(yùn)算處理，給出節(jié)律狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、異位搏動(dòng)以及早搏等信息，并

18、提供心律的趨勢(shì)圖2。除此之外，也可根據(jù)監(jiān)護(hù)的需要作出血壓、體溫、呼吸、腦電、心電等各種生理參數(shù)的波形和趨勢(shì)圖。集中監(jiān)護(hù)系統(tǒng)記下并顯示所監(jiān)護(hù)病人的報(bào)警性質(zhì)和歷史，通過(guò)鍵盤或開關(guān)選擇報(bào)警的顯示和禁止。雖然ccu集中監(jiān)護(hù)具有強(qiáng)大的功能和完善的服務(wù)，然而病房的床位有限，很多心臟病患者沒有條件得到監(jiān)護(hù)。而且常規(guī)心電圖記錄的是病人在靜臥情況下的心電活動(dòng)，對(duì)心律失常等病的發(fā)現(xiàn)率很低。環(huán)境（如過(guò)熱、過(guò)冷、噪聲等）、精神狀態(tài)（如悲哀、興奮、驚恐、疲勞、煩躁等）都能影響心臟工作，誘發(fā)心臟病的發(fā)作，有鑒于此，科學(xué)家們近幾年來(lái)致力于便攜式心電監(jiān)護(hù)儀器的研發(fā)。nomrnaholter于1949年研制成了遙測(cè)心電圖（re

19、cg）裝置，接著又將recg系統(tǒng)改成了袖珍發(fā)射器和磁帶記錄器的結(jié)構(gòu)。1957年，他研制成了一個(gè)能以60倍于記錄帶速的磁帶回放機(jī)構(gòu)。1961年，發(fā)射器和接收器合并，終于制成了用磁帶作為egc傳遞媒介的動(dòng)態(tài)心電系統(tǒng)。1965年，第一臺(tái)商業(yè)化動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)（holter）問(wèn)世了3。holter記錄病人處于正常生活、工作、活動(dòng)條件下的心電變化，捕捉到初期的潛在疾病的心電信息，成為檢出定量心律失常、心肌缺血的重要而有效的診斷方法，也使心臟病的早期診斷成為可能。holter系統(tǒng)的出現(xiàn)，打破了傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)概念，使其從醫(yī)院走入了家庭，但也在實(shí)際應(yīng)用中顯示了它的局限性。主要表現(xiàn)在：（1）holter系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將病

20、人的數(shù)據(jù)記錄在磁帶或大容量ram上，然后進(jìn)行處理和診斷。它能對(duì)異常心電活動(dòng)做回顧性分析，也即對(duì)病人的病情分析需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后才能獲得。如果出現(xiàn)致命的心房搏動(dòng)、室顫等心電活動(dòng)，不能及時(shí)發(fā)出報(bào)警和采取治療措施。從這個(gè)意義講，holter系統(tǒng)并不具備監(jiān)護(hù)。（2）24小時(shí)甚至48小時(shí)的大量心電數(shù)據(jù)對(duì)處理計(jì)算機(jī)提出了高要求，而人們?yōu)榱颂岣叻治鏊俣?，不得不采用快速回放系統(tǒng)和高速微機(jī)或小型機(jī)系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)成本很高。由于存儲(chǔ)的心電數(shù)據(jù)中有大量的正常心電數(shù)據(jù)，診斷的效率降低。而且，在高速回放中，偶發(fā)性的異常搏動(dòng)或心律失常極容易被漏檢。隨后發(fā)展起來(lái)的電話心電監(jiān)護(hù)儀，克服了傳統(tǒng)的holter系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的缺

21、點(diǎn)。它顯示病人的全部心電信號(hào)，但是只將病人感覺異常時(shí)的心電信號(hào)發(fā)送到心臟監(jiān)護(hù)中心，由中心記錄，并交由醫(yī)學(xué)專家分析診斷4。這套系統(tǒng)價(jià)格適中，診斷的正確性高，但由于其丟失了大量原始數(shù)據(jù)，不利于心臟病的早期防治和藥物療效的觀察。1.2 面向助老助殘的智能家居環(huán)境簡(jiǎn)介面向助老助殘的智能家居系統(tǒng)主要指以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人、人工智能等技術(shù)為基礎(chǔ)，輔助老年人進(jìn)行康復(fù)鍛煉、功能代償、環(huán)境交互、健康和醫(yī)療監(jiān)測(cè)，以促使其獨(dú)立生活并充分發(fā)揮潛能的多種技術(shù)、服務(wù)和系統(tǒng)。主要包括：（1）智能家居技術(shù)，如具有多通道人機(jī)交互和無(wú)線通訊功能的智能家用電器，使殘疾人或老年人能夠利用有限的肌體功能控制家用電器的使用；（2）機(jī)器

22、人技術(shù)，如具有多通道人機(jī)交互功能的移動(dòng)機(jī)器臂和智能輪椅，幫助殘疾人或老年人搬運(yùn)必須的生活用品或出行代步；（3）康復(fù)和功能代償系統(tǒng)，如腦機(jī)接口控制的肢體康復(fù)系統(tǒng)和自動(dòng)喂飯機(jī)等；（4）醫(yī)療和健康狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，如利用分布式傳感器和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成病情的診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能家居技術(shù)不僅可以完成家庭內(nèi)部的資源共享，無(wú)縫協(xié)作，它還能通過(guò)與外網(wǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外信息的交流，通過(guò)更豐富多彩的業(yè)務(wù)和應(yīng)用使家庭用戶體驗(yàn)到數(shù)字生活為其帶來(lái)的舒適與便捷。在面向助老助殘的智能家居系統(tǒng)中，醫(yī)療和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)（healthcare）占有重要的地位。本課題的研究背景為面向助老助殘的數(shù)字家居環(huán)境系統(tǒng)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：（

23、1）殘疾人老年人無(wú)障礙人機(jī)交互技術(shù)。包括：視線追蹤技術(shù)、語(yǔ)音交互技術(shù)等。開發(fā)數(shù)字家居環(huán)境中的交互裝置（命名為“魔鏡”），主要由視線追蹤裝置和虛擬人界面組成，同時(shí)集成家庭網(wǎng)絡(luò)控制中心。（2）殘疾人老年人功能輔助技術(shù)。主要指環(huán)境控制技術(shù)。研究?jī)?nèi)容是基于網(wǎng)絡(luò)或“閃聯(lián)”協(xié)議的家用電器、家用設(shè)備的控制和信息共享、服務(wù)機(jī)器人控制等。（3）殘疾人老年人生活狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)。主要實(shí)現(xiàn)殘疾人老年人生活狀態(tài)和家居環(huán)境的集中監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。主要包括：基于無(wú)線設(shè)備的殘疾人老年人定位與跟蹤技術(shù)等。（4）殘疾人老年人生理及健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。主要包括遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)。研究?jī)?nèi)容主要括心電等參數(shù)檢測(cè)及遠(yuǎn)傳，含醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)、病態(tài)信號(hào)識(shí)別及存

24、儲(chǔ)、短距離無(wú)線通信、組網(wǎng)及與服務(wù)器通信等。上述面向殘疾人、老年人的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)場(chǎng)景為：殘疾人和老年人通過(guò)人機(jī)交互裝置控制室內(nèi)的家用設(shè)備并獲取環(huán)境信息。多臺(tái)醫(yī)療檢測(cè)儀器組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與室內(nèi)服務(wù)器通信以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)視頻等傳感器實(shí)現(xiàn)殘疾人老年人生活狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。1.3 課題的提出本文開發(fā)的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀以智能家居系統(tǒng)中老年人病情監(jiān)控及健康關(guān)懷系統(tǒng)為應(yīng)用背景，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為：（1）實(shí)現(xiàn)大時(shí)間范圍的心電信號(hào)檢測(cè)及存儲(chǔ)；（2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸并組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)心電監(jiān)護(hù)儀與室內(nèi)服務(wù)器的通信；（3）心電致病片斷自動(dòng)識(shí)別，以實(shí)現(xiàn)心電信息的檢測(cè)、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸。2 心電監(jiān)護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)介心電

25、監(jiān)護(hù)主要是監(jiān)測(cè)心電圖。心電圖的臨床應(yīng)用已經(jīng)有百年的歷史，由于與臨床緊密結(jié)合，受到廣大醫(yī)務(wù)工作者的重視。又由于它檢測(cè)方式的無(wú)創(chuàng)傷性以及信號(hào)的特殊性，受到了廣大學(xué)者的青睞。人們不斷的進(jìn)行理論的實(shí)踐的研究，給這種古老的檢測(cè)方法注入了新的活動(dòng)，推動(dòng)著心電監(jiān)護(hù)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。本章主要從信號(hào)檢測(cè)的角度對(duì)心電圖的檢測(cè)和心電監(jiān)護(hù)技術(shù)進(jìn)行論述。2.1 心電信號(hào)的形成及其特點(diǎn)心臟周圍的組織和體液都能導(dǎo)電，因此如果將人體看成為一個(gè)具有長(zhǎng)、寬、厚三度空間的容積導(dǎo)體，那么心臟好比電源，無(wú)數(shù)心肌細(xì)胞動(dòng)作電位變化的總和可以傳導(dǎo)并反映到體表。在體表很多點(diǎn)之間存在著電位差，心臟在每個(gè)心動(dòng)周期中，由起搏點(diǎn)開始到心房、心室相

26、繼興奮，都伴隨著生物電的變化，這些生物電的變化稱為心電。通過(guò)心電描記器從體表引出多種形式的電位變化的圖形叫心電圖（簡(jiǎn)稱ecg）。心電圖是心臟興奮的發(fā)生、傳播及恢復(fù)過(guò)程的客觀指標(biāo)。正常心電圖上的每個(gè)心動(dòng)周期中出現(xiàn)的波形曲線改變是有規(guī)律的，國(guó)際上規(guī)定把這些波形分別稱為p波、qrs波、t波，有時(shí)在t波后，還出現(xiàn)一個(gè)小的u波,各個(gè)波段都代表了心動(dòng)周期的不同時(shí)期5，如圖2-1所示。圖 2-1 典型心電信號(hào)波形圖（1）p波，正常的p波形狀是一個(gè)圓滑的小波，無(wú)雙峰、切跡以及鈍錯(cuò)現(xiàn)像。各導(dǎo)聯(lián)的p波形狀取決于p向量與各導(dǎo)聯(lián)軸的相互關(guān)系，心房的綜合向量由右上向左下，其角度大多在45-50度之間，故在avr導(dǎo)聯(lián)中波

27、是倒置的，在vl、v2、av導(dǎo)聯(lián)中p波可為雙向，其余各導(dǎo)聯(lián)（i、ii、avf、v3、v4、v5）的波一般為直立方向（有關(guān)導(dǎo)聯(lián)將在下節(jié)中介紹）。p波的寬度，正常不超過(guò)0.01s。通常直立p波高度正常不超過(guò)0.25mv，p波過(guò)小一般無(wú)重要臨床意義。（2）ta波，ta波代表心房復(fù)極過(guò)程中產(chǎn)生的電位變化。始于p波后，方向與p波相反，波幅很低，約為0.05-0.lmv，持續(xù)時(shí)間為0.22-0.26s，經(jīng)常被qrs波掩蓋而無(wú)法看到，故一般心電圖上看不到ta波。只有在房室分離或高度房室傳導(dǎo)阻滯時(shí)的心電圖中，才可清楚看到ta波。 （3）qrs波群，qrs波群代表左、右兩心室去極化過(guò)程的電位變化。通常歷時(shí)0.0

28、6-0.105s。典型的qrs波群包含三個(gè)緊密相連的波，第一個(gè)向下的波為q波，其后向上的高而尖的為r波，繼r波之后的一個(gè)向下的為s波。但是在不同導(dǎo)聯(lián)記錄的心電圖上這三個(gè)波不一定都出現(xiàn)，其波形和幅度變化也較大。（4）t波，t波代表心室復(fù)極過(guò)程中的電位變化，是一個(gè)波形圓鈍，占時(shí)長(zhǎng)（0.055-0.255s）的波，波形的前肢較長(zhǎng)而后肢較短，t波的方向與qrs波群的波方向一致，在r波為主的導(dǎo)聯(lián)中，t波的幅度不應(yīng)低于r波的1/10。（5）u波，在t波后0.025-0.045s可能出現(xiàn)的低而寬的波，其方向一般與t波方向一致，時(shí)間約為0.15-0.35s，波幅很小，應(yīng)比同一導(dǎo)聯(lián)的t波低。u波在肢導(dǎo)聯(lián)中不易辨

29、認(rèn)，一般在胸導(dǎo)聯(lián)中比較清楚。（6）p-r間期，由p波起點(diǎn)到qrs波群開始之間的時(shí)間，正常成人通常是0.125-0.205s。在幼兒及心率較快的情況下，p-r間期相應(yīng)地縮短，而經(jīng)常進(jìn)行體育鍛煉的人，如職業(yè)運(yùn)動(dòng)員，其p-r間期較長(zhǎng)，有的可超過(guò)0.205s。（7）p-r段，從p終點(diǎn)至qrs起點(diǎn)之間的線段，一般p-r段與等電位線（基線）水平相同。（8）s-t段，自qrs波終點(diǎn)至t波起點(diǎn)之間的線段，代表心室各部分已全部進(jìn)入去極化狀態(tài)。心室各部分之間沒有電位差存在，因此又恢復(fù)到基線水平。正常st段上升不應(yīng)超過(guò)基線0.lmv，下降不應(yīng)低于基線0.05mv。在avr導(dǎo)聯(lián)則相反，st段上升不應(yīng)超過(guò)0.05mv，

30、st段下降不超過(guò)0.lmv。在vi、v2、v3導(dǎo)聯(lián)中，st段上升可允許超過(guò)0.lmv，v3導(dǎo)聯(lián)最高可達(dá)0.3mv，但多為斜上型。（9）q-t間期，從qrs波群起點(diǎn)至t波終點(diǎn)的時(shí)程，代表心室開始去極化至完全復(fù)極到靜息狀態(tài)的時(shí)間。這一間期的長(zhǎng)短與心率密切相關(guān)。心率越快，q-t間期越短。反之，則間期越長(zhǎng)。正常成人的q-t間期為0.32-0.44s。心電信號(hào)是反映人體心臟活動(dòng)的小信號(hào)，具有如下特點(diǎn)6,7：（1）信號(hào)微弱，心電信號(hào)是一種微弱信號(hào)，通常它的幅度在0.05-5mv之間。要檢測(cè)心電信號(hào)，就必須設(shè)計(jì)出合適的心電檢測(cè)放大電路，而且微弱的信號(hào)很容易被干擾所掩蓋，故必須設(shè)計(jì)合適的濾波器提取信號(hào)。（2）

31、低頻特性，心電信號(hào)頻率比較低，頻譜范圍為0.05100hz，能量主要集中在0.520hz。（3）信號(hào)的多變性，人體在內(nèi)、外環(huán)境下的適應(yīng)過(guò)程中，為保持動(dòng)態(tài)平衡，造成生物信息多變從而檢測(cè)到的心電信號(hào)也是多變的。主要包括時(shí)間多變、空間多變，此外不同的種族、不同性別、不同年齡乃至不同個(gè)體都會(huì)存在一定的差異。（4）干擾大，心電信號(hào)的干擾包括人體內(nèi)的噪聲和外界干擾。生物體是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在生命活動(dòng)中的各種信息都是同時(shí)存在并彼此相關(guān)的，我們要測(cè)量的心電信號(hào)時(shí)刻受著其它生理信號(hào)的干擾，不可能在心電信號(hào)測(cè)量中為排除測(cè)量之外的無(wú)關(guān)信息而令某些生理活動(dòng)停止。如果把被測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)無(wú)關(guān)的信號(hào)視為噪聲，則人體的無(wú)關(guān)信號(hào)就

32、是人體噪聲，人體噪聲及其復(fù)雜程度是生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中所特有的。2.2 心電圖導(dǎo)聯(lián)在進(jìn)行心電圖檢查時(shí)，通常按要求將電極放在人體規(guī)定的位置上，并通過(guò)導(dǎo)聯(lián)線與心電圖機(jī)相連，這種記錄心電圖的電路連接方法稱為心電圖的導(dǎo)聯(lián)。目前，常規(guī)心電圖導(dǎo)聯(lián)有十二個(gè)，每一個(gè)導(dǎo)聯(lián)的放置部位不同，所以獲得的心電圖圖形也不同，下面介紹一下心電圖國(guó)內(nèi)外通用的十二個(gè)導(dǎo)聯(lián)的連接方式8。（1）標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)（雙極肢體導(dǎo)聯(lián)），它反映的是兩個(gè)肢體之間的電位差，連接方法如下：標(biāo)準(zhǔn)i導(dǎo)聯(lián)：心電圖機(jī)正極連于左上肢，負(fù)極連于右上肢。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：心電圖機(jī)正極連于左下肢，負(fù)極連于右上肢。標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)：心電圖機(jī)正極連于左下肢，負(fù)極連于左上肢（2）加壓?jiǎn)螛O肢體導(dǎo)聯(lián)，它

33、反映的是檢測(cè)部位的電位變化。連接方法：將左、右上肢和下肢的3個(gè)電極各通過(guò)一個(gè)5000歐姆電阻連接在一起，稱為中心電端，其電位接近于零。然后按下面方法進(jìn)行連接以組成不同導(dǎo)聯(lián)方式：avr導(dǎo)聯(lián)：心電圖機(jī)正極接右上肢，負(fù)極接中心電端同時(shí)將中心電端與右上肢斷開。avl導(dǎo)聯(lián)：心電圖機(jī)正極接左上肢，負(fù)極接中心電端，同時(shí)將中心電端與左上肢斷開。avf導(dǎo)聯(lián)：心電圖機(jī)正極接左下肢，負(fù)極接中心電端，同時(shí)將中心電端與左下肢斷開。（3）胸導(dǎo)聯(lián)，屬單極導(dǎo)聯(lián)，包括v1-v6六中導(dǎo)聯(lián)方式，該導(dǎo)聯(lián)的連接方法是：心電圖機(jī)負(fù)極接中心電端，各導(dǎo)聯(lián)的正極分別接如下位置：v1導(dǎo)聯(lián)：胸骨右緣第4肋間。v2導(dǎo)聯(lián)：胸骨左緣第4肋間。v3導(dǎo)聯(lián)：

34、v1與v2位置的連線中點(diǎn)。v4導(dǎo)聯(lián)：左側(cè)鎖骨中線與第五肋間的交點(diǎn)。v5導(dǎo)聯(lián)：左腋前線與v4水平線的交點(diǎn)。v6導(dǎo)聯(lián)：左腋中線與v4水平線的交點(diǎn)。當(dāng)懷疑病人有右室壁心梗，右位心、正后壁心梗等疾病時(shí)，應(yīng)加做附加導(dǎo)聯(lián)。主要附加導(dǎo)聯(lián)有：v7、v8、v9導(dǎo)聯(lián)，v3r、v4r、v5r導(dǎo)聯(lián)等。v7、v8、v9導(dǎo)聯(lián)是指將正電極分別放置在左腋后線、左肩胛線和左脊柱旁線與v4同一水平的交點(diǎn)。v3r、 v4r、v5r導(dǎo)聯(lián)是將正電極分別放置于右胸部與v3、v4、v5導(dǎo)聯(lián)對(duì)稱處。另外指出心電圖學(xué)一個(gè)重要概念：導(dǎo)聯(lián)軸。導(dǎo)聯(lián)軸是導(dǎo)聯(lián)正負(fù)極之間的假想連線，根據(jù)此概念，我們可以為每一個(gè)導(dǎo)聯(lián)畫出相應(yīng)的導(dǎo)聯(lián)軸。這樣，肢導(dǎo)（標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)與

35、加壓?jiǎn)螛O肢導(dǎo)）有6條導(dǎo)聯(lián)軸，胸導(dǎo)有6條導(dǎo)聯(lián)軸。為便于表示肢導(dǎo)六個(gè)導(dǎo)聯(lián)軸之間的方向關(guān)系，我們將標(biāo)準(zhǔn)i、ii、iii導(dǎo)聯(lián)的導(dǎo)聯(lián)軸平行移動(dòng)，使之與avr、avl、avf的導(dǎo)聯(lián)軸一并通過(guò)中心點(diǎn)，便構(gòu)成額面六軸系統(tǒng)。以標(biāo)i導(dǎo)聯(lián)左側(cè)為0，順鐘向的角度為正，逆鐘向?yàn)樨?fù)，相鄰導(dǎo)聯(lián)間的夾角為30。同時(shí)規(guī)定，以中心點(diǎn)為界，凡與正電極相連一側(cè)的導(dǎo)聯(lián)軸為正，相反的一側(cè)為負(fù)。此規(guī)定也適用于胸導(dǎo)聯(lián)軸。導(dǎo)聯(lián)軸的應(yīng)用，將為我們分析心電圖提供很多方便。2.3 嵌入式心電監(jiān)護(hù)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，反映當(dāng)代最新技

36、術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今非常熱門的研究領(lǐng)域，在pc市場(chǎng)已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于醫(yī)療儀器設(shè)備固有的自身特點(diǎn)和以上提到的最新發(fā)展趨勢(shì)的要求，用于醫(yī)療儀器設(shè)備的技術(shù)和系統(tǒng)也應(yīng)該與這些特點(diǎn)和要求相適應(yīng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于心電監(jiān)護(hù)，符合發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)的要求和變化。對(duì)于龐大心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析也需要使用高性能的、專用化的dsp系統(tǒng)來(lái)提高其精度和速度。引入嵌入式系統(tǒng)后，現(xiàn)有的各種心電監(jiān)護(hù)儀的功能與性能都得到了大幅度的提高。70年代開始計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于心電的自動(dòng)分析，使得單調(diào)、費(fèi)時(shí)、重復(fù)的人工識(shí)別心律異常由計(jì)算機(jī)代替，大大降低了操作者長(zhǎng)時(shí)間工作精神疲勞造成的漏檢情況。進(jìn)入8

37、0年代，微型計(jì)算機(jī)功能不斷增強(qiáng)，holter系統(tǒng)的記錄裝置本身可以隨附微處理器系統(tǒng)，此時(shí)的應(yīng)用是先對(duì)ecg信號(hào)的r-r間期進(jìn)行測(cè)量，對(duì)qrs波進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)不正常的qrs復(fù)合波進(jìn)行計(jì)數(shù)、分類，最后才予存貯9。這樣，磁帶記錄的已是經(jīng)過(guò)預(yù)處理的波形。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，a/d采樣率和數(shù)據(jù)傳輸率大大增加，借助于模塊匹配技術(shù)提高了信號(hào)識(shí)別功能。數(shù)字濾波、自適應(yīng)濾波等信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用，提高了信號(hào)的穩(wěn)定性。高集成度大容量靜態(tài)隨機(jī)存貯器(ram)和低功耗cmos集成電路的應(yīng)用，使固態(tài)存貯器應(yīng)用于holter記錄器，由開始的記錄數(shù)十個(gè)至數(shù)百個(gè)片段式異常心電信號(hào)向準(zhǔn)、全信息實(shí)時(shí)24小時(shí)記錄方向發(fā)展10。

38、心電監(jiān)護(hù)往往涉及到大容量的心電數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，對(duì)心電的記錄方式主要有磁帶記錄和固態(tài)式記錄。目前， holter記錄方式仍然以磁帶式記錄方式為主。該記錄方式造價(jià)較低廉，適合大批量集中處理，也可作為資料保存。在高速回放系統(tǒng)中，采用吞吐能力極強(qiáng)的中央處理系統(tǒng)，配置運(yùn)算或控制輔助處理器，以及多處理器進(jìn)行多任務(wù)分工陣列處理，并在強(qiáng)大的多功能的軟件支持下實(shí)現(xiàn)高采樣率和處理速度，保證實(shí)時(shí)采集信號(hào)的精度。固態(tài)式記錄器大多借助數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)將相當(dāng)數(shù)量的異常心電片段存貯在大容量ram中，造價(jià)相對(duì)較高。因?yàn)槭瞧问接涗?，漏檢率較高，而且目前尚無(wú)一種最為理想、完善的數(shù)據(jù)壓縮算法能完全解決因回放中造成的誤差及失真。但固態(tài)記錄

39、器便于實(shí)時(shí)分析處理，回放處理快捷，并可有效地減少因磁帶拉長(zhǎng)、扭曲、變形及馬達(dá)等機(jī)械原因造成的信號(hào)失真和其他環(huán)境噪聲。近年來(lái)一些廠商相繼推出新的記錄方式，如美國(guó)brenj-wood公司推出磁卡記錄方式； dmi公司推出硬盤式記錄器，可以直接與筆記本電腦硬盤接口接駁11。嵌入式監(jiān)護(hù)儀器臨床應(yīng)用日趨多元化，系統(tǒng)功能的完善主要取決于軟件的功能。它不僅在操作系統(tǒng)、窗口界面、編輯功能、報(bào)告格式、病人資料管理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面不斷完善，更在心電圖的分析功能的開發(fā)和應(yīng)用上更加全面，增加了心率變異性(hrv)分析和微電位分析(mpa)、st段/缺血分析、形態(tài)學(xué)分析、頻譜心電圖(scg)等等12。使用功能也不斷擴(kuò)大，

40、如一機(jī)多用，可在一臺(tái)主機(jī)上實(shí)現(xiàn)全導(dǎo)心電圖及負(fù)荷試驗(yàn)，心室晚電位(vlp)、起搏器功能分析等項(xiàng)目處理。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化產(chǎn)品空前繁榮。嵌入式軟件已經(jīng)成為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新和軟件增值的關(guān)鍵因素，是未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。從醫(yī)療儀器領(lǐng)域來(lái)看，除了新的傳感檢測(cè)技術(shù)不斷運(yùn)用推廣之外，對(duì)所采集信息的分析、存儲(chǔ)和顯示也提出了更高的目標(biāo)。這就要求現(xiàn)代的醫(yī)療儀器具備更強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力以及更穩(wěn)定可靠的性能。另外，心電監(jiān)護(hù)作為一個(gè)特殊的行業(yè)，又要求設(shè)備能夠達(dá)到更高級(jí)別的環(huán)保要求。如何進(jìn)一步地智能化、專業(yè)化、小型化，同時(shí)做到低功耗、零污染，仍然是擺在廣大工程研究者目前的課題。2.4 本章小結(jié)本章介紹了心

41、電監(jiān)護(hù)的基本理論，包括心電圖的波形、導(dǎo)聯(lián)，并從信號(hào)處理的角度對(duì)心電信號(hào)的頻率、幅值和干擾源等方面進(jìn)行了分析。并對(duì)心電波形的特性進(jìn)行了剖析，最后討論了嵌入式心電監(jiān)護(hù)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。3 無(wú)線通信與zigbee技術(shù)綜述3.1 無(wú)線通信技術(shù)概述無(wú)線通信是利用電磁波信號(hào)可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，是近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的通信技術(shù)。目前使用較廣泛的近距無(wú)線通信技術(shù)是藍(lán)牙（bluetooth），無(wú)線局域網(wǎng)802.11b（wi-fi）和紅外數(shù)據(jù)傳輸（irda）。同時(shí)還有一些最近興起的近距無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：zigbee、超寬頻（ultra wideband）、短距

42、通信（nfc）、wimedia、gps、dect、無(wú)線1394和專用無(wú)線系統(tǒng)等。它們都有其立足的特點(diǎn)，或基于傳輸速度、距離、耗電量的特殊要求，或著眼于功能的擴(kuò)充性或符合某些單一應(yīng)用的特別要求，或建立在競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的差異上等。但是沒有一種技術(shù)可以完美到足以滿足所有的需求13。（1）藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的，廣受業(yè)界關(guān)注的近距無(wú)線連接技術(shù)。它是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的短距離無(wú)線連接為基礎(chǔ)，可為固定的或移動(dòng)的終端設(shè)備提供廉價(jià)的接入服務(wù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無(wú)線接口，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，使各種設(shè)備在沒有電線或電纜相

43、互連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4ghz ism頻段，提供1mbps的傳輸速率和10m的傳輸距離。該技術(shù)還陸續(xù)獲得pc行業(yè)業(yè)界巨頭的支持。但藍(lán)牙技術(shù)遭遇了最大的障礙是過(guò)于昂貴，突出表現(xiàn)在芯片大小和價(jià)格難以下調(diào)、抗干擾能力不強(qiáng)、傳輸距離太短、信息安全問(wèn)題等等。這就使得許多用戶不愿意花大價(jià)錢來(lái)購(gòu)買這種無(wú)線設(shè)備。因此，業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，藍(lán)牙的市場(chǎng)前景取決于藍(lán)牙價(jià)格和基于藍(lán)牙的應(yīng)用是否能達(dá)到一定的規(guī)模。（2）wi-fi技術(shù)wi-fi（wireless fidelity，無(wú)線高保真）也是一種無(wú)線通信協(xié)議，正式名稱是ieee802.11b，與藍(lán)牙一樣，同屬于短

44、距離無(wú)線通信技術(shù)。wi-fi速率最高可達(dá)11mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100 m左右。wi-fi是以太網(wǎng)的一種無(wú)線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11mb/s的速度接入web。但實(shí)際上，如果有多個(gè)用戶同時(shí)通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接入，帶寬被多個(gè)用戶分享。在建筑物內(nèi)該通信方式的有效傳輸距離小于戶外，而且其優(yōu)越的帶寬是以較高的功耗為代價(jià)，因此大多數(shù)便攜wi-fi裝置都需要較高的電能儲(chǔ)備，這些限制了該通訊方式在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。（3）紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)irda是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局

45、域網(wǎng)（pan）的技術(shù)。目前它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備，如pda、手機(jī)上廣泛使用。事實(shí)上，當(dāng)今每一個(gè)出廠的pda及許多手機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)等產(chǎn)品都支持irda。irda的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。并且還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸上安全性高。irda的不足在于它是一種視距傳輸，兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能被其它物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺(tái)（非多臺(tái)）設(shè)備之間的連接。而藍(lán)牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。irda目前的研究方向是如何解決視距角度問(wèn)題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。（4）nfc技

46、術(shù)nfc技術(shù) （near field communication，近距離無(wú)線傳輸）是由philips、nokia和sony主推的一種類似于rfid（非接觸式射頻識(shí)別）的短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。nfc最初僅僅是遙控識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并，但現(xiàn)在已發(fā)展成無(wú)線連接技術(shù)。它能快速自動(dòng)地建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為蜂窩設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、wi-fi設(shè)備提供一個(gè)“虛擬連接”，使電子設(shè)備可以在短距離范圍進(jìn)行通訊。nfc的短距離交互大大簡(jiǎn)化了整個(gè)認(rèn)證識(shí)別過(guò)程，使電子設(shè)備間互相訪問(wèn)更直接、更安全和更清楚，不用再聽到各種電子雜音。nfc通過(guò)在單一設(shè)備上組合所有的身份識(shí)別應(yīng)用和服務(wù)，幫助解決記憶多個(gè)密碼的麻煩，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的安全

47、保護(hù)。有了nfc，多個(gè)設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)、pda、機(jī)頂盒、電腦、手機(jī)等之間的無(wú)線互連，彼此交換數(shù)據(jù)或服務(wù)都將有可能實(shí)現(xiàn)。此外nfc還可以將其它類型無(wú)線通訊（如wi-fi和藍(lán)牙）“加速”，實(shí)現(xiàn)更快和更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)電子設(shè)備都有自己的專用應(yīng)用菜單，而 nfc可以創(chuàng)建快速安全的連接，而無(wú)需在眾多接口的菜單中進(jìn)行選擇。與知名的藍(lán)牙等短距離無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)不同的是，nfc的作用距離進(jìn)一步縮短且不像藍(lán)牙那樣需要有對(duì)應(yīng)的加密設(shè)備。同樣，構(gòu)建wi-fi家族無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要多臺(tái)具有無(wú)線網(wǎng)卡的電腦、打印機(jī)和其它設(shè)備。除此之外，還得有一定技術(shù)的專業(yè)人員才能勝任這一工作。而nfc被置入接入點(diǎn)之后，只要將其中兩個(gè)靠近就可以

48、實(shí)現(xiàn)交流，比配置wi-fi連結(jié)容易得多?？偠灾@項(xiàng)新技術(shù)正在改寫無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接的游戲規(guī)則，但nfc的目標(biāo)并非是完全取代藍(lán)牙、wi-fi等其他無(wú)線技術(shù)，而是在不同的場(chǎng)合、不同的領(lǐng)域起到相互補(bǔ)充的作用。所以如今后來(lái)居上的nfc發(fā)展態(tài)勢(shì)相當(dāng)迅速。（5）超寬帶技術(shù)超寬帶技術(shù)uwb（ultra wideband）是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。uwb可在非常寬的帶寬上傳輸信號(hào)，美國(guó)fcc對(duì)uwb 的規(guī)定為：在3.110.6ghz頻段中占用500mhz以上的帶寬。由于uwb可以利用低功耗、低復(fù)雜度發(fā)射和接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，在

49、近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。它在非常寬的頻譜范圍內(nèi)采用低功率脈沖傳送數(shù)據(jù)而不會(huì)對(duì)常規(guī)窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。uwb技術(shù)具有系統(tǒng)復(fù)雜度低，發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，對(duì)信道衰落不敏感，低截獲能力，定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無(wú)線接入，非常適于建立一個(gè)高效的無(wú)線局域網(wǎng)或無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（wpan）。uwb主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。除此之外，這種新技術(shù)適用于對(duì)速率要求非常高（大于100 mb/s）的場(chǎng)合。uwb最具特色的應(yīng)用將是視頻消費(fèi)娛樂方面的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)。因?yàn)楝F(xiàn)有的無(wú)線通信方式802.11b和藍(lán)牙等的速率太慢，不適

50、合傳輸視頻數(shù)據(jù)；54 mb/s速率的802.11a標(biāo)準(zhǔn)可以處理視頻數(shù)據(jù)，但費(fèi)用昂貴。而uwb能在10 m范圍內(nèi)，支持高達(dá)110 mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)使得uwb較適合家庭無(wú)線消費(fèi)市場(chǎng)的需求。uwb這種近距離內(nèi)高速傳送大量多媒體數(shù)據(jù)以及可以穿透障礙物的突出優(yōu)點(diǎn)，讓很多商業(yè)公司將其看作是一種很有前途的無(wú)線通信技術(shù)，應(yīng)用于諸如將視頻信號(hào)從機(jī)頂盒無(wú)線傳送到數(shù)字電視等家庭場(chǎng)合。當(dāng)然，uwb未來(lái)的前途還要取決于各種無(wú)線方案的技術(shù)發(fā)展、成本、用戶使用習(xí)慣和市場(chǎng)成熟度等多方面的因素?？傊?，雖然每一種無(wú)線技術(shù)將遇到

51、它們自身的特殊任務(wù)，并且人們?cè)诟鱾€(gè)地方使用不同的技術(shù)，但是它們將有可能配合工作。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，繞過(guò)主要的無(wú)線通信運(yùn)營(yíng)商可以節(jié)約可觀的成本。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，企業(yè)應(yīng)密切關(guān)注各種無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，選擇最適合自己需要的一種標(biāo)準(zhǔn)。3.2 zigbee技術(shù)為滿足小型、低成本設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求，2000年12月ieee成立了ieee 802.15.4工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)-zigbee技術(shù)。zigbee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國(guó)invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導(dǎo)體等公司組成，迄今已吸引了上百家芯

52、片公司、無(wú)線設(shè)備公司及產(chǎn)品開發(fā)商，將主要側(cè)重于：定義網(wǎng)絡(luò)、安全以及應(yīng)用軟件層的協(xié)議；為zigbee設(shè)備提供互操作與一致性測(cè)試；促進(jìn)zigbee技術(shù)在全球的推廣和有效管理該技術(shù)的發(fā)展14。zigbee是一種低使用成本、商業(yè)型的應(yīng)用技術(shù)，其無(wú)線裝置減少了傳統(tǒng)電氣工程施工費(fèi)用，解決了現(xiàn)場(chǎng)安裝困難的問(wèn)題。其采用數(shù)字技術(shù)，消除了傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的不可靠性及其他技術(shù)問(wèn)題。因此，隨著zigbee技術(shù)的不斷完善，它將成為當(dāng)今最先進(jìn)的數(shù)字化無(wú)線技術(shù)。zigbee是基于ieee 802.15.4的無(wú)線通信協(xié)議，它是一種短距離、低功耗協(xié)議，專用于小型設(shè)備如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢測(cè)傳感器與醫(yī)療設(shè)備等，其

53、低功耗可使設(shè)備電池使用壽命達(dá)到6個(gè)月至2年。一個(gè)基于zigbee的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)能支持高達(dá)254個(gè)節(jié)點(diǎn)，外加一個(gè)全功能器件，即可實(shí)現(xiàn)雙向通信。zigbee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點(diǎn)決定了zigbee技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。具體說(shuō)來(lái)zigbee技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）省電，由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，zigbee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。（2）可靠，采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。mac層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)

54、據(jù)包都必須等待接受方的確認(rèn)信息。（3）成本低，模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的，可進(jìn)一步降低軟件的應(yīng)用費(fèi)用。（4）時(shí)延短，針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms，因此zigbee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。（5）網(wǎng)絡(luò)容量大，一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從屬設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域可以同時(shí)存在最多100個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超

55、過(guò)64000個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可相互連接，整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀，十分符合大面積傳感器網(wǎng)絡(luò)的布建需求。（6）安全，zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用aes-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。由上面介紹，與其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)比較，按照zigbee標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)的監(jiān)測(cè)和控制產(chǎn)品，安裝更容易，功耗更低。特別是在處理遠(yuǎn)程檢測(cè)及控制系統(tǒng)中，優(yōu)勢(shì)更加明顯。而且支持zigbee的設(shè)備的價(jià)格會(huì)越來(lái)越低，故zigbee在工業(yè)、辦公以及家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，借助于各種傳感器和zigbee網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確而且實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)每個(gè)

56、病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生做出快速的反應(yīng)，特別是對(duì)重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)和治療。該儀器使用zigbee的終端模塊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)儀向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，在后期的開發(fā)中可以組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成完善的無(wú)線醫(yī)療系統(tǒng)。3.3 本章小結(jié)本章介紹了藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)和紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)葞追N目前發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的無(wú)線通信技術(shù)，并著重介紹了zigbee作為低功耗、低成本無(wú)線組網(wǎng)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和前景，并與其它幾種無(wú)線通信方式進(jìn)行了功能上和應(yīng)用領(lǐng)域上的比較，最后分析了zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)應(yīng)用上的前景。4 基于dsp的心電監(jiān)護(hù)儀總體設(shè)計(jì)本儀器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：電源管理：提供電源

57、、低電壓監(jiān)控電源指示；數(shù)據(jù)采集：對(duì)心電信號(hào)采集；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：保存心電信號(hào)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸：與pc機(jī)數(shù)據(jù)通信，并實(shí)現(xiàn)zigbee的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送；液晶顯示：直觀方便顯示必要文本圖形信息。本文設(shè)計(jì)的心電監(jiān)測(cè)儀器總體框圖如圖4-1所示。心電信號(hào)由a/d轉(zhuǎn)換后送至dsp進(jìn)行處理。處理后的結(jié)果和心電波形可以通過(guò)lcd顯示出來(lái)，也可以將數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee模塊發(fā)送或者通過(guò)串口傳輸給pc機(jī)進(jìn)行處理，用戶可以通過(guò)鍵盤來(lái)選擇功能。dsp處理器zigbee模塊心電前置處理模塊電源、時(shí)鐘電路lcdpc機(jī)上位機(jī)鍵盤圖 4-1 系統(tǒng)總體框圖首先設(shè)計(jì)了各個(gè)電路模塊的原理圖，在認(rèn)真校對(duì)后制作出pcb板，使用到了dsp芯片的a/d

58、轉(zhuǎn)換、sci、spi、定時(shí)器等外設(shè)。心電放大模塊由北京祥云計(jì)算機(jī)技術(shù)公司提供，該模塊輸出信號(hào)為1.5v，為送入dsp進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)了一個(gè)加法電路，將信號(hào)抬高到03v。利用dsp的sci口和max3232芯片，設(shè)計(jì)了rs-232電路，可以與計(jì)算機(jī)通過(guò)rs-232口進(jìn)行通信，并在pc機(jī)端編寫了應(yīng)用程序用以接收心電數(shù)據(jù)和將心電信號(hào)波形顯示出來(lái)。spi口用于控制zigbee模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，定時(shí)器用來(lái)設(shè)定ad轉(zhuǎn)換單元的采樣頻率等。在功能上，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集，心電圖波形的顯示，也可以通過(guò)串口將心電數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，zigbee無(wú)線模塊可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。各部分的具體功能設(shè)計(jì)將在下述

59、各節(jié)中分別介紹。4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1.1 dsp選型設(shè)計(jì)dsp應(yīng)用系統(tǒng)，選擇dsp芯片是十分重要的環(huán)節(jié)。只有選定了dsp芯片才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其他電路。不同的dsp應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用目的不同，對(duì)于dsp芯片的選擇是不同的。也就是說(shuō)dsp的選型主要依據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的具體要求來(lái)確定。本系統(tǒng)最終選擇tms320f2812主要考慮到如下幾個(gè)因素15,16：（1）速度適中，但能滿足本系統(tǒng)的需要。最高支持150mhz的時(shí)鐘頻率，每周期可執(zhí)行一條指令或兩條并行指令，具有高達(dá)6.67ns的處理能力。本系統(tǒng)要求的處理速度雖然沒有確切的量化數(shù)值，但該處理能力完全能夠滿足非圖像數(shù)據(jù)處理的要求。（2）性價(jià)比高。tms320f2812不是非常高端的處理器，所以芯片價(jià)格適中，一般為100元人民幣左右，屬于性價(jià)比較高的一款處理器，在性能完全滿足的同時(shí)也滿足該儀器對(duì)價(jià)格的要求。（3）片內(nèi)存儲(chǔ)空間大。tms320f2812內(nèi)部存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，128k字的flash方便固化用戶的應(yīng)用軟件和代碼升級(jí)，1k字的一次可編程存儲(chǔ)器（otp），帶有18k字的的片內(nèi)saram， 4k字的片內(nèi)引導(dǎo)rom，提供多種上電引導(dǎo)模式，還有128位密鑰可以用于保護(hù)flash、otp、l0和l1尋址空間，防止用戶代碼被非法訪問(wèn)，安全性好。（4）片內(nèi)外設(shè)豐富。tms320f2812有豐富的片內(nèi)外設(shè)，兩個(gè)