1 引 言
隨著人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一。而心電圖則是治療此類疾病的主要依據(jù)，具有診斷可靠，方法簡(jiǎn)便，對(duì)病人無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，變得越來(lái)越重要。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動(dòng)，歷時(shí)僅為幾s～1 m，只能獲取少量有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，所以在有限時(shí)間內(nèi)即使發(fā)生心率失常，被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。因此有必要通過(guò)相應(yīng)的監(jiān)護(hù)裝置對(duì)患者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，記錄患者的心電數(shù)據(jù)。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點(diǎn)，患者不可能長(zhǎng)時(shí)間地靜臥在醫(yī)院，但又需實(shí)時(shí)得到醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)護(hù)，所以研發(fā)相應(yīng)的便攜式無(wú)線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品就顯得更加重要。
目前雖說(shuō)國(guó)內(nèi)已有成型的無(wú)線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器（PDA或手機(jī)）”，這必然導(dǎo)致其價(jià)格昂貴，且PDA或手機(jī)的其他功能對(duì)于絕大部分患者完全沒(méi)有必要，所以到目前為止國(guó)內(nèi)實(shí)用的無(wú)線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品領(lǐng)域還是空白。本文所述的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是在醫(yī)院的提案基礎(chǔ)之上，進(jìn)行充分調(diào)研之后設(shè)計(jì)的總體方案，主要實(shí)現(xiàn)如下功能： 三導(dǎo)聯(lián)心電信號(hào)采集； 無(wú)線傳輸緊急情況下40 s的心電數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果； 24小時(shí)心電圖連續(xù)記錄； 通過(guò)高速USB上傳心電數(shù)據(jù)至PC機(jī)； 緊急呼叫。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
作為便攜式手持遠(yuǎn)程移動(dòng)終端，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其體積小，功耗低，存儲(chǔ)容量大和處理速度高的要求，因此在CPU的選擇上十分慎重。經(jīng)過(guò)資料收集和反復(fù)比較，最終選擇了Samsung公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410處理器，該處理器資料豐富，性價(jià)比高。 采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)： 體積小，功耗低，成本低，性能高； 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集； 大量使用寄存器，使指令執(zhí)行速度更快； 尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高； 指令長(zhǎng)度固定。
可以看出基于ARM的嵌入式處理器是便攜式手持終端的最佳選擇，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案時(shí)首先定位在該系列處理器上。S3C2410處理器基于ARM920T處理器核，采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器，采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，最高運(yùn)行頻率為203 MHz。該處理器具有：獨(dú)立的16 KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路帶PWM的Timer、豐富的I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、IICBUS接口，以及2個(gè)USB主機(jī)和1個(gè)USB設(shè)備等豐富的外圍設(shè)備。
S3C2410提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備，且使整個(gè)系統(tǒng)的功耗最低，從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線路板的面積，這也正是本系統(tǒng)選擇該處理器的重要原因。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以S3C2410為核心，外擴(kuò)了8 MB的NOR FLASH、64 MB的NAND FLASH以及16 MB的SDRAM等存儲(chǔ)芯片，通過(guò)GPIO口擴(kuò)展了鍵盤、LCD和蜂鳴器等人機(jī)接口單元，對(duì)外提供USB和UART等通信接口，同時(shí)連接了Siemens公司的MC35模塊，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸和緊急呼叫功能。從系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)來(lái)看，可將系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊：電源模塊、心電數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊、圖形用戶界面模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2.1 電源模塊
系統(tǒng)采用單節(jié)1700 mAh鋰離子可充電電池供電，但隨著電量的釋放，電壓也在不斷降低，變化范圍為4.2~2.75 V。而本系統(tǒng)中分別需要一個(gè)4.3 V的MC35工作電壓、一個(gè)3.3 V的I/O電壓、一個(gè)1.8 V的CPU核電壓和一個(gè)1.8 V的CPU職守電壓。為了滿足系統(tǒng)的要求，電源電路中必須同時(shí)具備升壓穩(wěn)壓器和低壓差線性穩(wěn)壓器。為了解決該問(wèn)題系統(tǒng)采用1個(gè)開(kāi)關(guān)型升壓DCDC穩(wěn)壓器、1個(gè)3.3 V極低壓差線性穩(wěn)壓器和2個(gè)帶有Shutdown引腳的1.8 V低壓差線性穩(wěn)壓器來(lái)組成供電系統(tǒng)，供電方案如圖2所示。
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bsp; 圖2 電源模塊方案
2.2 心電數(shù)據(jù)采集
由于心電圖信號(hào)的檢測(cè)是屬于強(qiáng)噪聲背景下的超低頻（0.5～100 Hz）微弱（0.1～5 mV）信號(hào)檢測(cè)，具有微弱性、穩(wěn)定性、低頻特性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，故要求前置級(jí)應(yīng)滿足高輸入阻抗、高共模抑制比（CMRR）、低噪聲、低漂移和高安全性。微弱的心電信號(hào)受到來(lái)自人體內(nèi)外的多種干擾，其特征被淹沒(méi)在復(fù)雜的信號(hào)之中，為了使其特征突出，就有必要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)采用的心電信號(hào)采集原理如圖3所示。其中前置級(jí)采用差動(dòng)放大電路，其放大倍數(shù)為22.4倍；后級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為37倍，則總放大倍數(shù)為828.8倍。
圖3 心電信號(hào)采集原理
由于心電信號(hào)為低頻信號(hào)，因此在模擬電路上，設(shè)計(jì)截止頻率為100 Hz的一階低通濾波器來(lái)濾除高頻干擾，采用二階VCVS帶阻濾波器來(lái)濾除50 Hz工頻干擾。在數(shù)字處理上，為了抑制對(duì)心電信號(hào)影響較大的工頻干擾和基線漂移，采用2 048點(diǎn)FFT對(duì)輸入的一幀心電數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域—頻域的變換，然后去除0.5 Hz以下的低頻和50 Hz的工頻；同時(shí)為了抑制高頻噪聲和50 Hz倍頻造成的干擾，又濾除了100 Hz以上的頻率，然后再進(jìn)行IFFT將此組數(shù)據(jù)變換回時(shí)域。
2.3 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊
本系統(tǒng)為遠(yuǎn)程移動(dòng)終端，涉及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，為實(shí)現(xiàn)此功能采用了Siemens公司的MC35模塊，并移植了TCPIP協(xié)議棧和PPP協(xié)議，以完成心電數(shù)據(jù)的發(fā)送和診斷結(jié)果的接收。MC35是Siemens公司推出的第一款支持GPRS的GSM/GPRS模塊，它體積小,易于集成到便攜式手持終端中，支持VOICE、DATA、FAX以及SMS等業(yè)務(wù)。處理器S3C2410通過(guò)異步串行通信接口與MC35相連，并通過(guò)AT命令對(duì)該模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸。
在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先，應(yīng)用層將采集到的心電數(shù)據(jù)提交給TCPIP協(xié)議棧；然后，TCPIP協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將該心電數(shù)據(jù)封裝成完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)，再提交至PPP層；最后，該IP數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)PPP層封裝之后，通過(guò)串口逐字節(jié)地提交至MC35并發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，MC35首先將接收的數(shù)據(jù)逐字節(jié)地提交至PPP層；經(jīng)PPP層將分散的各字節(jié)重組成一幀完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)之后，再提交至TCPIP層進(jìn)行詳細(xì)的處理，具體流程如圖4所示。
在開(kāi)機(jī)初始化時(shí)要完成MC35的啟動(dòng)并登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)
關(guān)，建立與服務(wù)提供商的連接。一般在發(fā)送指令之前先要發(fā)送一條測(cè)試指令，以檢測(cè)MC35的當(dāng)前狀態(tài)，該指令的格式為“AT\r”；在入網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及流量控制等參數(shù)通過(guò)AT指令設(shè)置完成之后，便可通過(guò)服務(wù)編碼99開(kāi)始呼叫與服務(wù)提供商建立連接，指令格式為ATDT*99***1#\r\n。若在該指令執(zhí)行之后給定的時(shí)間內(nèi)返回CONNECT信息，則表明與服務(wù)提供商的連接建立成功；否則，表明撥號(hào)失敗，無(wú)線傳輸功能無(wú)法正常啟動(dòng)。MC35成功登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之后，將自動(dòng)從命令模式切換到數(shù)據(jù)通信模式，且串口通信方式由原來(lái)的查詢式變?yōu)橹袛喾绞健４藭r(shí)由系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)送一幀PPP請(qǐng)求信息，服務(wù)提供商接到該請(qǐng)求信息后主動(dòng)發(fā)出詢問(wèn)幀，協(xié)商相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。待服務(wù)參數(shù)及用戶身份驗(yàn)證成功之后，服務(wù)提供商為系統(tǒng)分配一獨(dú)立IP，至此便可認(rèn)為GPRS成功上線。
圖4 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸流程
GPRS成功上線后可以認(rèn)為MC35主要處在兩種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，MC35的峰值電流可達(dá)400 mA；在空閑狀態(tài)一般為15 mA。另外，在空閑狀態(tài)MC35還支持多種休眠模式?？紤]到系統(tǒng)的功耗問(wèn)題，啟用了MC35的休眠功能。系統(tǒng)采用了MC35的休眠模式七。在該休眠模式下，電流一般為3 mA左右；MC35無(wú)論從串口還是從服務(wù)提供商接收到數(shù)據(jù)，都會(huì)立刻將MC35設(shè)置為正常模式，待數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。該休眠模式的設(shè)置可以通過(guò)指令“AT+CFUN=7\r\n”來(lái)完成，且該指令必須在GPRS上線之后執(zhí)行。這樣在空閑狀態(tài)下即可自動(dòng)將MC35設(shè)置為休眠模式，將電流值從15 mA降到3 mA。在休眠指令執(zhí)行前涉及MC35的狀態(tài)切換，因?yàn)樵趫?zhí)行該指令前MC35處在數(shù)據(jù)通信模式，所以要通過(guò)指令“+++”將其切換到命令模式之后再執(zhí)行該休眠指令。在休眠指令執(zhí)行之后還需通過(guò)指令“ATO\r”將MC35切換到數(shù)據(jù)通信模式；否則MC35會(huì)把將要發(fā)送的數(shù)據(jù)也當(dāng)作指令來(lái)處理。
2.4 圖形用戶界面
系統(tǒng)采用深圳蓬遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的低功耗、128×64點(diǎn)陣液晶模塊MOBI2006來(lái)圖形化顯示系統(tǒng)信息。MOBI2006支持并行和串行兩種數(shù)據(jù)通信方式，工作電壓為3.3 V。在本系統(tǒng)應(yīng)用中，使用S3C2410的I/O口模擬LCD的控制時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的控制。
在具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的顯示時(shí)采用了Framebuffer技術(shù)。首先預(yù)分配一塊緩沖區(qū)并聲明為二維數(shù)組，數(shù)組的一維長(zhǎng)度和二維長(zhǎng)度分別與液晶的寬和高相對(duì)應(yīng)，這樣數(shù)組的每個(gè)元素都代表液晶中的一個(gè)點(diǎn)。在系統(tǒng)運(yùn)行中若要刷新液晶顯示，則首先要更新Framebuffer緩沖區(qū)，再?gòu)腇ramebuffer更新液晶顯示。MOBI2006列向基于點(diǎn)尋址；橫向基于頁(yè)尋址，每一頁(yè)由8個(gè)點(diǎn)組成?；谝壕У奶攸c(diǎn)，如果不采用Framebuffer技術(shù)，刷新屏幕中的一小塊，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)屏幕的變動(dòng)，給上層應(yīng)用的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大困難。因此，雖說(shuō)采用Framebuffer技術(shù)將占用一部分內(nèi)存和刷新時(shí)間，但會(huì)為后續(xù)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大方便：在上層具體應(yīng)用中不再受頁(yè)尋址的限制，在上層開(kāi)發(fā)者看來(lái)列向、橫向均為點(diǎn)尋址，可以方便靈活地操縱液晶。另外，為了保證Framebuffer與液晶的同步，采用基于事件的方法刷新液晶屏并且是局部刷新，這樣既節(jié)省了液晶的刷新時(shí)間又減小了屏幕的抖動(dòng)。
例如，應(yīng)用層要顯示一張圖片，只須給出圖片的顯示位置，即對(duì)應(yīng)于二維數(shù)組的行列值、圖
片的寬和高，以及相應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。首先將圖片的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)刷新到Framebuffer緩沖區(qū)，然后再根據(jù)顯示位置確定液晶的刷新區(qū)域，其中緩沖的列值對(duì)應(yīng)于液晶的列值，而行值要轉(zhuǎn)換為液晶的頁(yè)面值，可通過(guò)如下公式轉(zhuǎn)換：
Page_start=row/8
Page_end=(row+high-1)/8
其中：Page_start和Page_end分別對(duì)應(yīng)于液晶的起始、終止頁(yè)面值；row對(duì)應(yīng)于圖片顯示位置的橫坐標(biāo)；high對(duì)應(yīng)于圖片的高度。計(jì)算出相應(yīng)的頁(yè)面值之后便可通過(guò)如下過(guò)程刷新液晶的指定區(qū)域，完成預(yù)期圖片的顯示。
2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理
在S3C2410 的BANK0中擴(kuò)展了1片4M×16位的NOR FLASH；在BANK6中擴(kuò)展了一片8M×16位的SDRAM，并且利用S3C2410的NAND FLASH控制器擴(kuò)展了一片64M×8位的NAND FLASH。NOR FLASH主要用來(lái)存儲(chǔ)程序代碼；NAND FLASH主要用來(lái)存儲(chǔ)采集的心電數(shù)據(jù)以及部分程序代碼。S3C2410支持從NOR和NAND兩種方式啟動(dòng)，可以通過(guò)配置S3C2410的OM[1:0]來(lái)選擇CPU的啟動(dòng)方式。 系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)無(wú)間斷心電數(shù)據(jù)采集，這樣必將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。為了將大量心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中供醫(yī)護(hù)人員分析、診斷，系統(tǒng)采用了通用的USB端口。S3C2410內(nèi)部集成了USB Device控制器，因此只須設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外圍電路，即可實(shí)現(xiàn)此功能。該USB Device控制器完全兼容USB1.1協(xié)議規(guī)范，集成了USB傳輸器，支持控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸；5個(gè)具有FIFO的端點(diǎn)，為批量傳輸?shù)亩它c(diǎn)提供DMA接口并且支持掛起和遠(yuǎn)程喚醒功能。
3 結(jié)束語(yǔ)
本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以對(duì)心臟病患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。由于本系統(tǒng)具有無(wú)線傳輸功能，因而患者可以不受時(shí)間和空間的限制使用本系統(tǒng)，無(wú)論在家中還是在野外都能對(duì)心臟進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。系統(tǒng)的24小時(shí)無(wú)間斷心電圖記錄功能，足以捕捉突發(fā)性的異常心電數(shù)據(jù)，為醫(yī)護(hù)人員提供有力的診斷依據(jù)。本系統(tǒng)研制成功后受到醫(yī)療界專家的高度評(píng)價(jià)，在臨床測(cè)試過(guò)程中也受到患者和醫(yī)護(hù)人員的一致好評(píng)。