摘 要： 设计了一种基于EFM32单片机的实时同步监测体征和心电信号的系统。该系统以EFM32单片机系统作为数据处理核心，以其外接的A/D进行模数转换，以CC2500无线模块作为传输平台，利用MATLAB对PC机接收到的数据进行处理并即时显示。具有简单、实时、稳定性好、智能化程度高等特点，能够全面地评估和监测心脏活动状态，有效地预测诊断心脏疾病；有助于空巢老年人日常监测、室内工作者心脏监测和评估、医院对病人睡眠质量和药物作用监测等。
关键词： 体征信号；心电信号；实时监测；EFM32单片机；智能化；无线传输
0引言
现今中国已逐渐进入老龄化社会，而且这种趋势在今后几十年将会愈加显著。当前如何做好对老年人的日常监护，已成为一个全民族所关注的社会问题。
目前，市面上同时监测体征信号（BCG）和心电信号（ECG）的装置还很少，已有的基于无线传感网络的生命体征监护系统存在功率高、系统利用率低、网络化管理欠缺等问题[1-3]。因此，研制一种体积小、稳定性好、功耗低、集成度高并能实时监测体内器官功能变化的系统尤其必要。本文设计了一种基于EFM32单片机的实时同步监测BCG和ECG的装置，基于上述问题，利用人体内细微的变化所产生的作用力来监测体内各器官，尤其是心脏的实时变化状况，以达到方便数据管理、实时监测、可靠性好、集成度高的目的；为老年人日常生活监护提供更实际的保障以及医生对病人呵护提供更科学的指导和建议。
1 系统方案
为了便于体征和心电信号同步监测，系统设计如图1所示。
根据系统框图，系统对信号的采集到实时显示可分为三部分：信号采集、信号传输、实时监测[4]。
（1）信号采集：该部分主要包含传感器电路和信号处理电路。传感器电路是一个由四个压力传感器组成的全桥电路，它的主要作用是把由心率、呼吸及身体移动引起的体动信号传送到信号处理电路中。信号处理电路由前置放大电路、增益可调放大电路、低通滤波电路及电池供电电路组成，采集过程如下：当测试者站在传感器电路上时，随着呼吸、心率的变化，会产生一种细微的作用力，这种作用力通过传感器系统转换为一个带有直流偏移的交流电压输出[5]。传感器电路采集到的信号经过差分电路前置放大、50 Hz陷波器、第一级放大电路、低通滤波器、50 Hz陷波器、增益可调放大电路送到示波器。在差分电路中，因为其高稳定性、高共模抑制比使得有用的差模信号得以保留，共模信号被消除。信号两次通过50 Hz陷波器是为了消除其本身50 Hz信号的干扰。
（2）信号传输：采集到的模拟信号经过单片机、A/D模块转换后，再经无线模块传送到PC机。本系统中，数字控制单元EFM32单片机外带A/D转换芯片，无线传输单元采用CC2500无线射频芯片[3]。
（3）实时监测：PC机对接收到的数据处理后，再通过MATLAB GUI实时滚动显示，实现了PC机的实时监测。
2 体征和心电信号实时监测系统硬件设计
2.1 信号采集模块
2.1.1 传感器电路
传感器电路即压力全桥电路。心跳、呼吸及身体位移引起的体动信号传送到信号处理电路中，当压力传感器受到外力作用时，传感器弹性会发生形变，从而使得贴在弹性梁部位的应变片电阻值发生变化，在激励电压的作用下，输出的电信号也发生正比例变化。根据所测得的电信号就可以计算出外界作用力的大小，从而达到测力的目的[6]。当测试者进行测试时，传感器电路将体内各器官，尤其是心脏跳动所引起的身体对支撑物体的作用力转化为带有直流偏移的交流电压信号，在这个过程中，体重本身产生直流电压，体动信号则是由交流电压对心脏内部的跳动造成的对支撑物的一种作用力。
2.1.2 信号处理模块
信号处理模块主要用于将微弱的体动信号放大，其中前置放大电路用于消除共模干扰，保留差模信号；增益可调放大电路用于放大差模信号。
具体流程如图2和图3所示。
2.2 信号传输模块
信号采集模块输出的信号为模拟信号，由A/D转换电路、数字控制单元、无线传输模块构成的信号传输模块将模拟信号转换为数字信号。信号传输模块的框图如图4所示。
2.3 PC机采集与监测
系统采用了CC2500无线收发模块，终端节点（End Device，ED）采集好数据后发送到与PC机相连的节点（Access Device，AP），利用EFM32单片机对其进行处理，再通过串口送到PC机，MATLAB将读取到的数据实时显示出来[7]。PC机监测模块的框图如图5所示。
3 软件设计
本系统以EFM32单片机作为核心模块，利用其内部ADC转换芯片，以CC2500无线模块作为无线收发芯片，通过传感技术、无线收发技术和计算机技术实现了心脏信号的采集和监测。
整个系统由两大块组成，终端设备节点和上PC机程序端。终端设备节点（ED）为信号采集和发送端，由无线收发芯片CC2500和核心模块EFM32单片机构成。AP（Access Device）为上PC机程序端，由无线收发芯片CC2500和核心模块EFM32单片机构成。程序设计流程：首先，数据中心设备经过AP，EFM32初始化，实现与计算机的通信，并等待ED终端节点设备的加入；当ED端有信号输入后，将信号进行A/D转换并通过CC2500无线模块发送到AP端，AP端则通过串口送到PC机进行显示[8]。系统设计流程图如图6所示。
4 结果显示
信号整体测试：测试者站在称上，将前置放大器的输入端接在传感器的输出端，用示波器测试在安静状态下的BCG波形。图7所示为PC机实时监测图像，图8为体征和心电信号的实时同步监测图。在图8中CH1为BCG波形，CH2为ECG波形，可以看出BCG波形与ECG同步，稍滞后于心电信号波形。从波形来看，信号采集模块装置的设计是满足要求的，也是合理的。
5 结论
该同步监测系统设计完成后，已经在一定的范围内进行了实践，反应良好，效果显著。该系统能够有效实时地监测人体各器官活动状态，为老年人的日常生活、医院对病人的心脏检查等提供了一定的便捷。若进一步对软硬件进行完善，将可使其成为老年人日常身体常规监测、医院检测不可或缺的工具。
参考文献
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