1 引言
HHCE(Home Health Care Engineering)這門學(xué)科正隨著人類對健康的重視和遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展而逐漸走進(jìn)人們的生活，它提倡的是一種“在家就醫(yī)，自我保健，遠(yuǎn)程診斷”的理念，把高科技與醫(yī)療結(jié)合起來。HHCE的出現(xiàn)符合21世紀(jì)社會(huì)老齡化、醫(yī)療費(fèi)用日益高漲以及人們生活健康質(zhì)量高要求的趨勢，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源共享，提高邊遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療水平，因此具有特別旺盛的生命力。
HHCE系統(tǒng)提供一種對于家庭、社區(qū)醫(yī)療、出診醫(yī)生有效便捷的醫(yī)療監(jiān)測解決方案，具有心電信號監(jiān)測功能的監(jiān)測器是HHCE系統(tǒng)的重要組成部分。就國內(nèi)而言，該類產(chǎn)品的研究也屬于剛起步階段，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)也只是簡單的完成數(shù)據(jù)庫醫(yī)療數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，還沒有真正完成將網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)療器械相結(jié)合。在國際方面，世界各國在此的研究均投入大量資金，但依然主要是使用價(jià)格昂貴的儀器完成醫(yī)療數(shù)據(jù)采集，然后依托PC／internet網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)采集以及網(wǎng)絡(luò)診斷。
本設(shè)計(jì)采用了Altera公司的NiosⅡ軟核處理器作為CPU，并移植了當(dāng)今主流的μClinux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、便攜式、功能可升級擴(kuò)展、面向用戶、遠(yuǎn)程控制等特點(diǎn)。一方面，它將家庭保健和遠(yuǎn)程醫(yī)療結(jié)合起來，主要面向用戶終端設(shè)計(jì)，使個(gè)人能夠方便的對自身心電信號的進(jìn)行自我檢測與分析，實(shí)時(shí)了解自己的身體健康狀況；另一方面，采集到的數(shù)據(jù)還可以通過存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行長期分析處理和診斷；除此之外，系統(tǒng)還可以通過網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)端通訊設(shè)施與醫(yī)療保健服務(wù)端(如醫(yī)院、私人醫(yī)師、監(jiān)護(hù)中心、保健中心等)快速建立連接，將測量數(shù)據(jù)傳遞給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫或醫(yī)生。有利于醫(yī)療信息的數(shù)據(jù)庫管理和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、診斷，使用戶不用出門就能得到最及時(shí)有效的診斷。
2 系統(tǒng)介紹
遠(yuǎn)程心電醫(yī)療信號監(jiān)測系統(tǒng)主要由心電信號的前端采集與調(diào)理模塊、心電信號處理與存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和遠(yuǎn)程傳輸控制模塊等4個(gè)關(guān)鍵模塊組成，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺采用Altera公司CycloneⅡ2C35 FPGA芯片，采用SOPC(片上可編程系統(tǒng))技術(shù)將NiosⅡ軟核處理器、存儲(chǔ)器、功能接口和擴(kuò)展I／O口等集成在一塊FPGA芯片上，外圍擴(kuò)展心電數(shù)據(jù)采集板、網(wǎng)絡(luò)、LCD屏、觸摸屏／鍵盤、SD存儲(chǔ)卡等硬件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，且?guī)в锌蓴U(kuò)展的I／O接口，便于以后系統(tǒng)功能升級與擴(kuò)展。
3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)
3.1 NiosⅡ嵌入式軟核處理器簡介
NiosⅡ系列嵌入式處理器是Altera公司推出的軟核處理器。用戶可以獲得超過200 DMIPS的性能，而只需花費(fèi)不到35美分的FPGA邏輯資源。NiosⅡ支持MicroC／OS-Ⅱ、μClinux等多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持輕量級TCP／IP協(xié)議棧，允許用戶增加自定義指令和自定義硬件加速單元，無縫移植自定義外設(shè)和接口邏輯，在性能提升的同時(shí)，方便了用戶的設(shè)計(jì)。
NiosⅡ處理器采用Avalon交換式總線，該總線是Altera開發(fā)的一種專用的內(nèi)部連線技術(shù)。Avalon交換式總線由SOPC Builder自動(dòng)生成，是一種用于系統(tǒng)處理器、內(nèi)部模塊以及外設(shè)之間的內(nèi)聯(lián)總線。Avalon交換式總線使用最少的邏輯資源來支持?jǐn)?shù)據(jù)總線的復(fù)用、地址譯碼、等待周期的產(chǎn)生、外設(shè)的地址對齊、中斷優(yōu)先級的指定以及高級的交換式總線傳輸。
3.2 心電信號采集調(diào)理模塊設(shè)計(jì)
對ECG信號采集采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，主要由前端的導(dǎo)聯(lián)傳感器、信號濾波放大調(diào)理電路和A／D采樣電路組成。人體心電信號的主要頻率范圍為0.05～100 Hz，幅度約為0～4 mV，信號十分微弱。同時(shí)心電信號中通常混雜有其他生物電信號，加之體外以50 Hz工頻干擾為主的電磁場干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測量條件比較復(fù)雜。為了不失真地檢測出有臨床價(jià)值的心電信號，信號濾波與放大調(diào)理部分主要由一下幾個(gè)電路組成：前置放大電路、高低通濾波電路、陷波電路與A／D轉(zhuǎn)換電路，電路原理圖如圖2所示。
首先心電導(dǎo)聯(lián)采集過來的微弱心電信號通過前置放大電路進(jìn)行放大，此部分包括右腿驅(qū)動(dòng)以抑制共模干擾、屏蔽線驅(qū)動(dòng)以消除引線干擾，增益設(shè)成10倍左右。設(shè)計(jì)前置放大采用美國模擬器件公司生產(chǎn)的醫(yī)用放大器AD620。AD620由傳統(tǒng)的三運(yùn)算放大器發(fā)展而成，為同相并聯(lián)差動(dòng)放大器的集成。其具有電源范圍寬(±2.3～±18 V)，設(shè)計(jì)體積小，功耗低(最大供電電流僅1.3 mA)的特點(diǎn)，因而適用于低電壓、低功耗的應(yīng)用場合。此外還具有有較高的共模抑制比，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。放大后的信號經(jīng)濾波、50 Hz陷波處理后再進(jìn)行二次放大，后級增益設(shè)成100倍左右。由于ECG信號幅度最大就幾mV，而A／D轉(zhuǎn)換中輸入信號的幅度要求在1 V以上，所以總增益設(shè)成1 000倍左右。其中，濾波采用壓控電壓源二階高(低)通濾波電路，用于消除0.05～100 Hz頻帶以外的肌電等干擾信號，工頻中的其余高次諧波也可被濾除掉。同時(shí)，采用有源雙T帶阻濾波電路進(jìn)一步抑制50 Hz工頻干擾。
A／D采樣芯片采用TI公司的8位串行芯片TLC549，該芯片采用SPI接口，僅用三條線即可實(shí)現(xiàn)采集控制和數(shù)據(jù)傳輸；具有4 MHz的片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于17μs，采樣速率達(dá)40
kS／s；采用差分基準(zhǔn)電壓技術(shù)這個(gè)特性，TLC549可能測量到的最小量值達(dá)1 000 mV／256，也就是說0～1 V信號不經(jīng)放大也可以得到8位的分辨率。
3.3 數(shù)據(jù)采集控制器設(shè)計(jì)
為了得到經(jīng)過前端TLC549芯片轉(zhuǎn)換的心電信號，必須設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集控制器，實(shí)現(xiàn)對AD芯片的控制與數(shù)字化心電數(shù)據(jù)的獲取。該控制器根據(jù)TLC549芯片的工作時(shí)序與后端數(shù)據(jù)處理的需要，采用VerilogHDL自行設(shè)計(jì)。該控制器具有多路采集的特點(diǎn)。
在自TLC549的I／O CLOCK端輸入8個(gè)外部時(shí)鐘信號期間需要完成以下工作：讀入前次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果；對本次轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號采樣并保持；啟動(dòng)本次A／D轉(zhuǎn)換。則一路采集時(shí)間為：0.5μs×(3+8×2+1)=10μs，而芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間小于17μs，則整個(gè)過程時(shí)間花費(fèi)為27μs。為了有效的利用該控制器，在一路A／D轉(zhuǎn)換期間，同時(shí)進(jìn)行另外一路A／D采樣，這樣就可以在40μs時(shí)間內(nèi)完成對四路信號的采集，大大提高了工作效率。同時(shí)，設(shè)計(jì)中還加入了一個(gè)FSM信號來控制采樣時(shí)間，從而適應(yīng)不同頻率信號的采樣頻率。AD芯片的時(shí)序仿真圖如圖3所示。
Din為采集數(shù)據(jù)的串行輸入，時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘通過分頻系數(shù)得到。設(shè)計(jì)中，設(shè)置了fsm作為采樣控制時(shí)鐘，這樣可以根據(jù)需要來調(diào)整采樣速率。由于進(jìn)行一次AD采樣的時(shí)間很短，無論采用查詢還是中斷直接讀取都是不現(xiàn)實(shí)的，這就需要利用緩沖設(shè)計(jì)，通過把N次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)暫存在緩沖存儲(chǔ)器中來降低中斷次數(shù)。為了取得連續(xù)和正確的采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無縫緩沖，鑒于FPGA設(shè)計(jì)的靈活性，本設(shè)計(jì)采用了雙緩沖存儲(chǔ)的乒乓操作結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)通過將AD采樣時(shí)序控制器交替存儲(chǔ)在兩個(gè)512 B的雙口RAM(DPRAM)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存，當(dāng)其中一個(gè)DPRAM1存儲(chǔ)滿后即轉(zhuǎn)為存儲(chǔ)到另一個(gè)DPRAM2中并產(chǎn)生一次中斷，這樣在控制器寫數(shù)據(jù)到DPRAM2中時(shí)系統(tǒng)將有非常充足的時(shí)間將DPRAM1中的數(shù)據(jù)取出。
3.4 顯示模塊設(shè)計(jì)
為了能夠直觀地顯示出采集的心電波形，需要顯示設(shè)備的支持。本設(shè)計(jì)采用的LCD面板是TFT 320*240 LCD。該LCD模塊沒有顯示控制器，因此需要設(shè)計(jì)顯示控制器IP核來驅(qū)動(dòng)LCD面板。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的顯示控制器IP核采用Verilog HDL設(shè)計(jì)，支持多種顏色模式，包括18bpp，16bpp，8bpp和自定義模式。圖像存儲(chǔ)器lcd_fifo是采用片內(nèi)FIFO，可以根據(jù)需要進(jìn)行詞整。256色的顏色查找表采用片內(nèi)RAM來存儲(chǔ)。圖像信息能夠通過AvaIon總線主端口寫入的突發(fā)塊傳輸方式進(jìn)行傳輸，利用DMA從內(nèi)存中自動(dòng)讀取，在SDRAM圖像存儲(chǔ)器image_ram與片上圖像數(shù)據(jù)緩存器lcd_fifo之間建立了一條專用DMA通道，該控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。
該LCD控制器IP核主要由4個(gè)模塊組成：接口模塊、內(nèi)存模塊、顏色轉(zhuǎn)換模塊和時(shí)序模塊。
接口模塊主要是NiosⅡ處理器對LCD控制器進(jìn)行控制及狀態(tài)讀取。接口模塊主要是以寄存器方式存在的，其中寄存器有：控制寄存器、狀態(tài)寄存器、DMA地址寄存器和中斷寄存器。
內(nèi)存模塊是Avalon總線的主接口部分，在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，利用DMA傳輸模式，通過Avalon總線主端口寫入的突發(fā)塊傳輸方式，完成圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器image_ram中的圖像數(shù)據(jù)到片上圖像數(shù)據(jù)緩存器lcd_fifo的獨(dú)立讀取。采用DAM傳輸方式是為了把NiosⅡ軟核處理器從頻繁地進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作的工作中解脫出來，這樣可以大大提高系統(tǒng)的工作效率。
顏色轉(zhuǎn)換模塊將讀取后的數(shù)據(jù)根據(jù)4種顏色模式不同進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的轉(zhuǎn)換，其中8bpp和自定義模式由于顏色不足，需要接入顏色查詢表處理。自定義模式可以手動(dòng)對調(diào)色板的地址進(jìn)行預(yù)設(shè)來定義輸出的顏色。
時(shí)序模塊嚴(yán)格按照LCD的時(shí)序編寫，其中LCD時(shí)鐘為5 MHz。通過控制數(shù)據(jù)使能信號啟動(dòng)lcd_fifo數(shù)據(jù)輸出，逐行掃描顯示。同時(shí)，設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，在數(shù)據(jù)有效信號(DE)有效前，須檢查lcd_fifo中是否存有數(shù)據(jù)，以確定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和傳輸；須進(jìn)行調(diào)色板模式設(shè)置，在幀傳輸過程中需要進(jìn)行模式鎖定，以免出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤；須根據(jù)不同bpp模式，確定不同的讀取時(shí)間段，18bpp每次都讀取，16bpp間隔1次讀取，8bpp間隔4次讀取。
3.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用SD卡作為外接存儲(chǔ)硬盤。SD存儲(chǔ)卡具有大容量、高性能、安全性好等特點(diǎn)的多功能存儲(chǔ)卡，被廣泛用于數(shù)碼相機(jī)、掌上電腦和手機(jī)等便攜式設(shè)備中。SD卡上所有單元由內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器提供時(shí)鐘，接口驅(qū)動(dòng)單元同步外部時(shí)鐘的DAT和CMD信號到內(nèi)部所用時(shí)鐘。SD卡有兩種通信協(xié)議，即SD通信協(xié)議和SPI通信協(xié)議，與SPI通信協(xié)議相比，SD通信協(xié)議的最大優(yōu)點(diǎn)是讀寫速度快，單根數(shù)據(jù)線理論上可以達(dá)到25 MB／s，四線傳輸可以達(dá)到100 MB／s，本設(shè)計(jì)采用的是四線SD通信協(xié)議。
本設(shè)計(jì)中對SD卡的協(xié)議采用軟件編寫：首先在SoPC Builder里定義了6個(gè)I／O口：SD_CMD，SD_DAT0-DAT3，SD_CLK，分別對應(yīng)SD卡的命令、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘端口，然后在NiosⅡIDE上按照SD卡的傳輸協(xié)議編寫C程序來對6個(gè)I／O口進(jìn)行操作，以此來實(shí)現(xiàn)SD卡的傳輸協(xié)議。在完成SD卡數(shù)據(jù)塊的讀寫基礎(chǔ)上移植了文件系統(tǒng)。FAT16，這樣在不影響讀寫速度的條件下節(jié)省FPGA的資源。
3.6 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)采用DM9000A作為以太網(wǎng)控制芯片。DM9000A是DAVICOM公司的一款高速網(wǎng)絡(luò)控制器，具有通用處理器接口、一個(gè)10／100M PHY和4
kB的SRAM。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)計(jì)需要完成的任務(wù)有：在NiosⅡ上移植了μClinux操作系統(tǒng)、完成網(wǎng)絡(luò)底層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)、基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用程序開發(fā)。其中在NiosⅡ上移植了μClinux操作系統(tǒng)的工作已經(jīng)完成，因此本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)是完成網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用程序開發(fā)。
基于DM9000A的HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要分為兩步：首先是DM9000A的Avalon總線接口邏輯設(shè)計(jì)；其次DM9000A的讀寫驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；最后按照HAL的驅(qū)動(dòng)模式將DM9000A的驅(qū)動(dòng)程序移植進(jìn)HAL。DM9000A是作為Avalon總線的從外設(shè)與NiosⅡ進(jìn)行通信。DM9000A的Avalon總線接口邏輯主要完成芯片信號與Avalon總線接口信號的對接。
DM9000A不允許直接訪問芯片內(nèi)部的寄存器，需要通過數(shù)據(jù)端口和索引端口來讀寫。而這兩個(gè)端口由CMD管腳控制：當(dāng)CMD接高電平時(shí)為數(shù)據(jù)端口，CMD接低電平為控制端口。
創(chuàng)建HAL設(shè)備驅(qū)動(dòng)包括：創(chuàng)建設(shè)備實(shí)例和登記設(shè)備。設(shè)計(jì)中針對LWIP的結(jié)構(gòu)，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體作為DM9000A設(shè)備的alt_dev結(jié)構(gòu)：
在NiosⅡ啟動(dòng)時(shí)，將在aIt_sys_init()中對設(shè)備初始化，初始化程序如下：
應(yīng)用程序設(shè)計(jì)采用TCP／IP、HTTP協(xié)議，把監(jiān)測器作為Web服務(wù)器端，遠(yuǎn)程PC端作為客戶端通過網(wǎng)頁顯示采集到的心電波形。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)對人體心電信號進(jìn)行了采集，通過LCD面板進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。通過SD卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的PC端上，以下是對系統(tǒng)功能的驗(yàn)證與測試結(jié)果。
4.1 信號采集調(diào)理模塊
心電信號采集調(diào)理模塊是自行設(shè)計(jì)的采集板，主要測量參數(shù)為前置放大器的通道帶寬、放大能力和陷波特性。經(jīng)測試，測試信號在1～1 kHz的頻帶帶寬內(nèi)放大增益基本穩(wěn)定在12.1 dB，即其通道帶寬能≥1 kHz；在頻率為20 Hz和50 Hz時(shí)，放大器對40～800 mV信號的放大能力增益并無明顯變化，基本穩(wěn)定在11.7～13.1 dB；同時(shí)，陷波器在對50 Hz信號濾波時(shí)能將放大增益控制到0.5 dB以下。因此，基于心電信號的特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的采集調(diào)理模塊能穩(wěn)定地獲得人體的心電信號。
4.2 信號顯示模塊
圖5是采集后的心電信號通過本地的LCD面板實(shí)時(shí)顯示。從顯示結(jié)果看，心電信號的PQRST五個(gè)特征點(diǎn)明顯，波形平滑，并且在實(shí)際測量中穩(wěn)定無干擾，能真實(shí)反映出采集后的心電信號。
4.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊
在設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)接口功能的實(shí)現(xiàn)使采集到的心電信號通過以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程PC端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。根據(jù)TCP／IP協(xié)議與HTTP協(xié)議，信號經(jīng)過打包處理后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。在遠(yuǎn)程PC端，通過網(wǎng)頁瀏覽器就可以觀看到服務(wù)器端采集到的心電波形。圖6是心電信號在遠(yuǎn)程PC端的網(wǎng)頁瀏覽器上顯示結(jié)果。該測試結(jié)果顯示其與本地的LCD面板顯示波形基本一致，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程傳輸功能。
實(shí)驗(yàn)表明，該心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲(chǔ)和傳輸功能。
5 結(jié) 語
本文描述了一種基于NiosⅡ軟核處理器的遠(yuǎn)程心電醫(yī)療信號監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)已完成了系統(tǒng)平臺的搭建，并通過了EDA軟件仿真驗(yàn)證和在DE2開發(fā)板上板級驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)對心電信號的采集調(diào)理、信號波形和數(shù)據(jù)的LCD顯示、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸。
設(shè)計(jì)中采用了SOPC技術(shù)與IP核復(fù)用技術(shù)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，同時(shí)使系統(tǒng)具有便攜式、靈活性、功能可擴(kuò)展等功能。通過移植μClinux操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能與更加強(qiáng)健的系統(tǒng)穩(wěn)定性。