基于ARM7的心電采集與遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

心臟病是嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康和生命的主要疾病之一。統(tǒng)計(jì)顯示約60％的心臟病人死于家中，這些病人如果能夠及時(shí)獲得搶救、護(hù)理，是完全可能避免死亡的。由于心臟病發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性，將心電監(jiān)護(hù)從病床、醫(yī)院擴(kuò)展到社區(qū)、家庭實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，無(wú)論是從減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還是從增強(qiáng)醫(yī)院服務(wù)能力的角度考慮都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 心電監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)

從體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)便的角度設(shè)計(jì)心電監(jiān)護(hù)終端硬件電路。圖1為整個(gè)監(jiān)護(hù)終端的硬件框圖，主要由調(diào)理電路、心電數(shù)據(jù)采集模塊、ARM7微處理器模塊、網(wǎng)口模塊、電源模塊5部分組成。該監(jiān)護(hù)終端完成心電信號(hào)的采集和預(yù)處理，并通過(guò)網(wǎng)口實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)護(hù)中心服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。

2．1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

人體心電信號(hào)是一種低頻微弱電信號(hào)，其幅值約10μV～5 mV，頻率范圍為0．05～100 Hz。需要放大上千倍(即達(dá)到V量級(jí))才便于觀察以及A／D轉(zhuǎn)換，具體增益還需結(jié)合A／D轉(zhuǎn)換模塊的測(cè)量范同確定。通過(guò)心電導(dǎo)聯(lián)線獲取的心電信號(hào)首先經(jīng)儀表放大器AD620進(jìn)行差分放大，由于體表液體與電極之間可能形成原電池，致使電極之間存在固定電位差，因此第1級(jí)的差分放大增益不能太高，否則容易飽和．所以第1級(jí)增益選為20；為了使信號(hào)滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換要求，需將信號(hào)放大至V量級(jí)，因此設(shè)置次級(jí)放大增益為30，這里采用普通的四運(yùn)放LM324。由于心電信號(hào)中常混有直流和基線漂移干擾，因此應(yīng)在第1級(jí)和次級(jí)放大電路之間加高通濾波器，可有效避免心電信號(hào)的基線漂移，相應(yīng)的高頻干擾信號(hào)可通過(guò)放大器輸入端電路和一個(gè)截止頻率為100 Hz的二階低通濾波器予以濾除。此外，通過(guò)陷波器濾除50 Hz工頻干擾。經(jīng)上述信號(hào)處理后，心電信號(hào)接入微處理器LPC2210的P0．27引腳(AIN0)由其內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換模塊完成A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)保證高于其2倍，因此在A／D轉(zhuǎn)換中將采樣頻率設(shè)置為500 Hz。圖2為信號(hào)調(diào)理電路。

2．2 ARM7微處理器及外圍電路

LPC2210是PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI CPU的微控制器。該器件具有144引腳封裝、極低功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷，使其適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī)(POS)。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的A／D轉(zhuǎn)換部分采用LPC2210自帶的8通道10位A／D轉(zhuǎn)換模塊，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。由于LPC2210無(wú)片內(nèi)Flash，且LPC2210片內(nèi)SRAM僅有16 KB，考慮到系統(tǒng)中需加載一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-II和TCP／IP協(xié)議棧，16 KB空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以片外加載一個(gè)SRAM IS61LV25616AL和一個(gè)Flash SST39VF160，具體電路如圖3所示。

2．3 網(wǎng)口電路

由于LPC2210不帶以太網(wǎng)接口控制器，因此需增加一塊以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)傳輸。目前比較常用的10 Mb／s嵌入式以太網(wǎng)器件有RTL8019、CS8900等，這里選用RTL8019AS。RTL8019AS是一款NE2000兼容的ISA總線以太網(wǎng)控制器，該器件的主要特點(diǎn)為：符合IEEE 802．310 Base2和1OBaseT標(biāo)準(zhǔn)；網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為10 Mbit／s，支持CSMA／CD傳輸協(xié)議；自動(dòng)奇偶檢測(cè)及糾錯(cuò)；支持即插即用方式(PnP)和非即插即用方式(Non-PnP)，可通過(guò)軟件設(shè)置中斷、輸入和輸出地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；支持兩種接口類(lèi)型，并能自動(dòng)偵測(cè)介質(zhì)類(lèi)型，BNC端口用于連接同軸電纜，RJ45端口用于屏蔽雙絞線；支持全雙工模式；內(nèi)建16 KB SRAM。

系統(tǒng)中RTL8019AS工作在跳線模式，其基地址為0x300。所以電路上RTL8019AS的引腳SA6,SA7，SA10～SA19均接地，SA9接電源，SA8與LPC2210地址總線A22相連，SA5與LPC2210的外部存儲(chǔ)器Bank3片選CS3相連。RTL8019AS與LPC2210的具體連接關(guān)系如表1所示。當(dāng)SA8為1，SA5為0時(shí)，選中RTL8019AS，即LPC2210與RTL8019AS之間的映射關(guān)系是：0x83400000~0x8340001F，0x300~0x31F。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是源代碼公開(kāi)的、共享的并且可移植性、可裁減性非常好，通過(guò)信號(hào)、郵箱及隊(duì)列能夠很好的實(shí)現(xiàn)任務(wù)問(wèn)的實(shí)時(shí)通訊、系統(tǒng)同步及多任務(wù)間的管理和調(diào)度，所以這里選用μC／OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為平臺(tái)。

首先進(jìn)行μC／OS-II的移植，對(duì)μC／OS-II的移植實(shí)際上就是重寫(xiě)或修改與處理器有關(guān)的代碼。主要是編寫(xiě)OS_CPU．H，OS_CPU_ A．S，OS_CPU_C．C這3個(gè)文件。在完成μC／OS-Ⅱ代碼移植后，把TCP／IP協(xié)議棧加載到該系統(tǒng)中，即完成程序運(yùn)行平臺(tái)的搭建工作。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主程序主要通過(guò)3個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在主函數(shù)main()中先利用OSInit()初始化μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，給應(yīng)用程序中用到的消息隊(duì)列、信號(hào)量等清零，然后利用OSTaskCreateExt()創(chuàng)建第一個(gè)任務(wù)task0，通過(guò)OSStart()啟動(dòng)操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，開(kāi)始運(yùn)行該系統(tǒng)的主要應(yīng)用程序。

3個(gè)任務(wù)中，設(shè)置任務(wù)task0的優(yōu)先級(jí)最高，任務(wù)task2的優(yōu)先級(jí)最低。任務(wù)task0主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，調(diào)用RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)函數(shù)Rec_Packet()接收遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的連接請(qǐng)求(本地設(shè)置為服務(wù)器端)。若有請(qǐng)求幀，則設(shè)置消息隊(duì)列RecTcpQFlag，然后刪除任務(wù)本身；若沒(méi)有請(qǐng)求幀，則持續(xù)利用Rec_Packet()接收數(shù)據(jù)，直到接收到連接請(qǐng)求。task0的流程圖如圖4所示。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)護(hù)模塊與醫(yī)院內(nèi)心電監(jiān)護(hù)中心的心電實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器都工作于客戶(hù)/服務(wù)器模式下。在工作狀態(tài)下，心電數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)器客戶(hù)端應(yīng)用程序，首先初始化以太網(wǎng)接口，然后主動(dòng)與醫(yī)院內(nèi)心電實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器建立連接；連接成功后，進(jìn)入工作狀態(tài)，不斷接收心電數(shù)據(jù)，并通過(guò)已建立的連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到心電實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器。

4 結(jié)論

由于采用嵌入式Internet技術(shù)，利用以太網(wǎng)傳輸被監(jiān)護(hù)病人心電數(shù)據(jù)，理論上整個(gè)系統(tǒng)中被監(jiān)護(hù)病人的個(gè)數(shù)無(wú)限制，只要網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)器的處理能力足夠強(qiáng)，就可以任意擴(kuò)展。被監(jiān)護(hù)病人既可位于醫(yī)院的病房，也可位于家庭、辦公室，只要該處有寬帶網(wǎng)接入端口即可。因此．該系統(tǒng)將大大增強(qiáng)和擴(kuò)展醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)能力，同時(shí)也使更多的病人得到低成本和周到的心電監(jiān)護(hù)服務(wù)，具有很高的推廣價(jià)值和顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。