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摘要：本文介紹了一種新型便攜式心電監測儀的軟硬件設計，基于ARM核的32位低功耗微處理器作為系統控制核心，系統采用源碼公開(kāi)的嵌入式uClinux操作系統，可實(shí)現心電信號的實(shí)時(shí)顯示和遠程監測，具有輕便節能、功能強大，安全穩定等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：心電ECG ARM uClinux 液晶顯示屏 TCP/IP協(xié)議 一、緒論 心血管疾病是目前對人類(lèi)危害最大的一種疾病，而心電圖是檢查、診斷和預防該類(lèi)疾病的主要手段和依據。由于傳統的基于PC機平臺的心電監護儀，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動(dòng)且主要集中在大醫院，而無(wú)法實(shí)時(shí)監護患者的病情，給醫生和病人帶來(lái)了很大的不便。近年來(lái)，隨著(zhù)嵌入式和網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，我們研制出一種基于A(yíng)RM7處理器的新型嵌入式心電監護儀，它采用Samsung公司的一款ARM7TDMI核的RISC的32位高速處理器S3C44B0X,具有成本低、體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于個(gè)人、中小醫院和社區醫療單位，為家庭保健(HHC)和遠程醫療(Telemedicine)等新興的醫療途徑提供良好的幫助與支持。 二、系統的工作原理 圖一 新型嵌入式心電監護儀的系統結構框圖 心電信號通過(guò)專(zhuān)用電極從人的左右臂采集到后，送入信號調理電路，先經(jīng)過(guò)前置放大器初步放大，經(jīng)高通濾波濾除直流信號及低頻基線(xiàn)干擾后，由后級放大器放大，再經(jīng)濾波器進(jìn)一步濾除50HZ的工頻干擾，經(jīng)低通濾波器后得到符合要求的心電信號，由模擬信號輸入端送入ADC，進(jìn)行高精度的A/D轉換。為了更好的抑制干擾信號和防止導聯(lián)松動(dòng)及脫落，我們在電路中還引入了右腿驅動(dòng)電路和導聯(lián)脫落檢測電路。系統控制核心采用Samsung公司的S3C44BOX,液晶顯示屏(LCD)建立良好的人機交互界面，采集到的信號可以通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示和回放，數據通過(guò)因特網(wǎng)基于TCP/ IP(傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議) 順序可靠地傳輸數據到心電監護中心,為醫護人員及時(shí)準確的診斷提供參考。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統采用現在流行的uClinx,管理協(xié)調各模塊工作，為系統可靠的運行提供保證。 三、系統硬件模塊設計 3.1、信號調理電路 信號調理電路主要包括：放大器、帶通濾波器、陷波器等。 圖二 心電前置放大電路 人體心電信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，一般只有0.05-5mV,頻譜范圍為：0.05-100HZ,心電信號正常輸出時(shí)其幅值約為1mV,而A/D轉換器的輸入電平要求到達1V左右，即心電放大倍數約為1000倍，由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。我們選用AD620儀表放大器作為系統前置放大器，它具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點(diǎn)。它的增益通過(guò)1腳和8腳的電阻Rg來(lái)調節，可達1-100倍，計算公式為：G=49.4 /Rg+1。我設計初級放大倍數在七級左右，選用精度為0.01%，阻值為8.25 的精密線(xiàn)繞電阻，后級選用TL064將信號放大到A/D轉換器的輸入電平要求。 圖三 心電后級放大及濾波電路 為抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲，設計一個(gè)RC高通濾波器;因心電信號的頻率在100HZ以下，為消除高頻信號和50HZ的工頻干擾，還設計了低通濾波和帶阻濾波器。 為防止導聯(lián)松動(dòng)和脫落，設計導聯(lián)檢測電路，電極脫落時(shí)，比較器的輸出電平由正常的高電平變?yōu)榈碗娖�，產(chǎn)生報警信號，提醒患者檢查導聯(lián)。右腿驅動(dòng)電路，人體共模電壓檢測出后，經(jīng)倒相放大反饋到人的右腿上，而沒(méi)有直接與放大器的地相聯(lián)，這樣人體的位移電流不流到地，而是流到運放的輸出端，對AD620減小了共模電壓的拾取。 3.2、嵌入式處理器及外圍電路 S3C44B0X是Samsung公司為手持設備和一般類(lèi)型的應用提供了高性?xún)r(jià)比和高性能的微處理器解決方案。CPU內核采用ARM公司設計的16/32位ARMTDMI RISC處理器(66HZ)，內核工作電壓為2.5V，帶有8KB的高速緩存，外部存儲控制器8個(gè)bank,共256MB，8通道10位ADC和支持彩色/黑白顯示LCD控制器，具有普通、慢速、空閑和停止功耗控制模式，精簡(jiǎn)出色的全靜態(tài)設計適合于低成本和功耗敏感的設計。 3.2.1、A/D轉換 對心電信號的采用精度的考慮主要是出自于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化為0.05mV已經(jīng)得到公認，因此采樣精度至少為0.025mV。根據美國心臟學(xué)會(huì )AHA標準和Nyquist采樣定律，當信號采樣頻率等于或大于信號最高頻率的2倍時(shí)，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0.05-100HZ，我們取采樣頻率為200HZ，即采樣周期為5ms.S3C44B0X內部有一個(gè)逐次逼近型8路模擬信號輸入的10位ADC，輸入滿(mǎn)刻度電壓為2.5V，能分辨出來(lái)的輸入電壓變化的最小值為2.5V/210=2.5mV，心電采集放大倍數約為1000倍，輸入端的最小分辨率約為2.5mV/1000=0.0025mV，故完全滿(mǎn)足系統采用要求。 3.2.2、系統程序存儲器Flash ROM和SDRM擴展 S3C44B0X自身不具有ROM，因此必須外接ROM器件來(lái)存儲掉電后仍需要保存的程序代碼和數據。我們采用了SST公司推出的容量為1MB×16的CMOS多用途Flash ROM,它具有可靠性好、功耗低、讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)。系統復位后，首先從0X00000000地址處開(kāi)始執行，系統啟動(dòng)代碼應該以此地址開(kāi)始存放，所以Flash映射在處理器的Bank0區域內。 采用Linksmart公司的一種容量為8MB的SDRM L43L16064作為系統程序的運行空間、數據區和堆棧區，供系統快速讀寫(xiě)。它的存儲方式為4Bank×1MB×16，采用多Bank和管道結構，具有自動(dòng)刷新、低功耗和掉電模式。其存儲空間映射在S3C44B0X的Bank6上，地址范圍為：0XC000000H-0XCFFFFFFH。 3.2.3、液晶顯示LCD和鍵盤(pán)模塊 為了使用戶(hù)能夠對采集到的心電信號有一個(gè)直觀(guān)的印象和進(jìn)行常識性的觀(guān)察，我們采用了EPSON公司的EG1147型FSTN單色液晶顯示模，對時(shí)間、波形、心電參數和系統菜單進(jìn)行顯示，同時(shí)配合按鍵進(jìn)行儀器控制和設定。它的顯示器點(diǎn)陣為240×320，采用EL背光源，自帶驅動(dòng)器，通過(guò)對S3C44B0X內置LCD控制器編程，將定位在存儲器的顯示緩沖器內的圖像數據傳送給外部LCD的驅動(dòng)器中，PC口和PD口作為L(cháng)CD驅動(dòng)接口，設置PC口工作在第三功能狀態(tài)，PD口工作在第二功能狀態(tài)。 3.2.4、以太網(wǎng)模塊設計 S3C44B0X沒(méi)有集成網(wǎng)絡(luò )接口控制器NIC(Network Interface Controller)，因此我們?yōu)橄到y擴展了一個(gè)REALTECK公司的RTL8019AS控制器，它與NE2000兼容，軟件移植好，接口電路簡(jiǎn)單。RTL8019AS工作原理：驅動(dòng)程序把要發(fā)送的數據按照指定格式寫(xiě)入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令即可。反之，芯片從物理通道上收到信號會(huì )直接根據以太網(wǎng)協(xié)議把他們轉化成相應格式的數據，并發(fā)出中斷，請求CPU讀取數據。 四、系統軟件設計 軟件設計主要包括嵌入式操作系統uClinux在S3C44B0X上的移植，心電數據的采集和存儲，基于S3C44B0X的嵌入式GUI的實(shí)現，網(wǎng)絡(luò )設備驅動(dòng)程序開(kāi)發(fā)等。 4.1、嵌入式uClinux操作系統在S3C44B0X上的移植 uClinux是專(zhuān)門(mén)針對無(wú)MMU(Memory Management Unit 內存管理單元)的處理器而設計的一種免費開(kāi)放源代碼的操作系統。支持多任務(wù)，采取模塊化設計。系統移植可分為bootloader和內核的移植兩大部分。 Bootloader從本質(zhì)上講它不屬于系統內核，在CPU上電啟動(dòng)后即開(kāi)始運行，創(chuàng )立初始化環(huán)境和引導內核。這部分代碼用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，主要完成硬件初始化，對系統的存儲映射(memory map)進(jìn)行初始化設置等操作，同時(shí)改變PC值，使得CPU開(kāi)始從SDRM執行操作系統的內核。 內核移植時(shí)首先RedHat Linux環(huán)境下下載源代碼文件包建立交叉編譯環(huán)境，接著(zhù)進(jìn)入uClinux-dist文件夾進(jìn)行內核配置，系統配置主要由三部分組成：Makefile、配置文件(config.in)和配置工具(在/script目錄下)。運行make menuconfig命令，會(huì )現頂層菜單，選擇硬件系統、內核版本和C庫的選擇，我們在這里vendors選Samsung的S3C44B0X，內核版本為L(cháng)inux-2.4-x,C庫選uClibc。接著(zhù)要修改源代碼，對應于各個(gè)硬件的子目錄中，例如在uClinux-dist/linux-2.4-x/drivers/修改或增加驅動(dòng)程序;保存設置退出后運行再執行make dep和make lib_only命令,生成C庫;運行make user_only生成應用程序;接著(zhù)運行make romfs和make image,生成rom文件系統，拷貝內核文件到uClinux-dist/images中;最后運行make,生成可供嵌入式系統運行的內核文件，這時(shí)可以在uClinux-dist/images中出現三個(gè)文件:含“rom”是壓縮內核，含“ram”是直接運行的內核，romfs.img是uClinux的文件系統�！皉am”和“rom”文件可以通過(guò)超級終端從PC串口下載到嵌入式系統的內存中直接運行，這時(shí)超級終端上也將顯示uClinux的啟動(dòng)信息。 4.2、基于S3C44B0X的嵌入式GUI的實(shí)現 屏幕驅動(dòng)的程序設計主要是PSD(Pointer to Screen Device)的結構指針，指針所指向的結構中記錄了有關(guān)的一切屬性，根據顯示屬性判斷選擇那個(gè)子函數來(lái)提供有關(guān)的顯示函數。圖形引擎調用PSD完成矩形，圓形等作圖函數，這些函數調用底層的屏幕驅動(dòng)基本作圖函數來(lái)完成圖形顯示。 4.3、RTL8019AS驅動(dòng)程序在uClinux下的實(shí)現 在uClinux中，網(wǎng)絡(luò )接口被看作是一個(gè)發(fā)送和接收數據包的實(shí)體，用一個(gè)net_device的數據結構表示，在數據結構中定義對網(wǎng)絡(luò )接口的各種操作。程序我們是在uClinux網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)文件的基礎上修改而成，主要修改在/drivers/net下的兩個(gè)文件：ne.c和8390.c，包括芯片的初始化、收包、網(wǎng)絡(luò )注冊等大部分工作。內核在初始化時(shí)會(huì )自動(dòng)調用函數ne_probe()，讀取RTL8019AS標識寄存器，檢測設備是否存在以決定是否啟動(dòng)驅動(dòng)程序，配置和初始化硬件，然后初始化net_device結構中的變量，再調用Rtl8019as_init()對RTL8019AS做寄存器的相關(guān)設置，最后根據starp的值來(lái)啟動(dòng)和關(guān)閉RTL8019AS。 五、結束語(yǔ) 針對心電信號ECG極其微弱和極易受到外界干擾的特點(diǎn)，本文的創(chuàng )新點(diǎn)為采用具有低漂移、共模抑制比的儀表放大器AD620對信號進(jìn)行初級放大，并設計右腿驅動(dòng)電路以增強信號的抗干擾能力; LCD的引入給人直觀(guān)的印象和常識性的判斷;采集到的數據可通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸到遠程數據中心，供專(zhuān)家分析和診斷;嵌入式uClinux的引入保證了系統穩定、可靠的運行;小型化的設計，更有利于患者的攜帶。隨著(zhù)心血管疾病的發(fā)病率不斷地逐年上升，這種便攜式心電監護儀具有很高的應用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。 參考文獻： [1] 張華 和衛星 徐棟君 陳相朝 基于S3C44B0X的便攜式心電監測儀的研制 2006 [2] 楊崎 劉大茂 一種用于心電信號采集接口的調理方法 福州大學(xué)學(xué)報 2003 [3] 唐鴻華,羅貴娥，呂揚生. 基于S3C44B0X的智能儀表以太網(wǎng)接口設計.電子質(zhì)量.2004.6 [4] 張州 基于A(yíng)RM7的便攜式心電監護儀及心電分析的研究 廣東工業(yè)大學(xué) 2005 [5] 唐懷武 基于A(yíng)RM處理器的儀器網(wǎng)絡(luò )化應用與研究浙江大學(xué) 2005 [6] ANALOG DEVICES INC. 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