红外传输单道心电遥测系统原理及设计

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。

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。

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。

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。

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。

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。