基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩部分組成，信號(hào)采集模塊主要由前端的心電、脈搏和體溫傳感器、采集電路、A/D轉(zhuǎn)換和串口發(fā)送單元組成，其中，傳感器采集人體的生理信號(hào)，采集電路對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行模擬放大、簡單濾波和A/D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的指令通過串口把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，并根據(jù)濾波后的波形數(shù)據(jù)采用合適的算法計(jì)算得到所需要的生理參數(shù)并實(shí)時(shí)進(jìn)行LCD顯示。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 芯片選擇

本系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理模塊，它主要完成對(duì)波形的軟件濾波，并通過計(jì)算得到所需的生理參數(shù)，其運(yùn)算量較大，軟件設(shè)計(jì)較復(fù)雜，而信號(hào)采集模塊要分時(shí)采集兩路信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換，為簡化硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的編寫，采用兩個(gè)CPU的設(shè)計(jì)方案，信號(hào)采集模塊采用TI公司的16位系列單片機(jī)MSP430F149，數(shù)據(jù)處理模塊采用Samsung公司的ARM芯片S3C44B0X。

MSP430具有正常工作模式和四種低功耗工作模式，它的集成度非常高，單片集成了多通道12位的A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精度比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時(shí)器，片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，單片MSP430即可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需要，MSP430F149具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，它不僅極大的簡化了系統(tǒng)硬件電路，還大大地提高了系統(tǒng)的性價(jià)比，其極低的功耗非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，本系統(tǒng)就是利用此單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換單元完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過片內(nèi)的串口與其他模塊通信。

S3C44B0X微處理器是Samsung公司專為便攜式設(shè)備提供的高性能及高性價(jià)比的微控制器解決方案，使用32位的低功耗RISC內(nèi)核ARM7TDMI，同時(shí)，S3C44B0X在ARM7TDMI核的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)成本及外圍器件數(shù)目降至最低，這些功能部件主要包括CPU單元、系統(tǒng)時(shí)鐘管理單元、存儲(chǔ)單元和系統(tǒng)功能接口單元，本系統(tǒng)中，S3C44B0X完成波形數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，驅(qū)動(dòng)LCD等功能。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 信號(hào)采集電路的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中因采用了集成度很高的單片微控制器MSP430，所以系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。

信號(hào)采集硬件電路主要包括前端模擬電路設(shè)計(jì)，光源控制電路、電平轉(zhuǎn)換電路和光電隔離電路，如上所述，模擬信號(hào)通過MSP430內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，前端模擬電路采用兩級(jí)放大和低通濾波完成對(duì)信號(hào)的處理，光源控制電路通過雙脈沖驅(qū)動(dòng)電路依次電亮紅光和紅外光發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波的光電測(cè)量。為增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用專門的光電隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證使用儀器時(shí)人體的絕對(duì)安全，溫度測(cè)量部分采用美國DALLAS公司的DS1820高精度數(shù)字溫度傳感器，該傳感器采用單線接口，可直接把采集結(jié)果以9位數(shù)字量方式串行傳送到MSP430F149中，由此可計(jì)算得到溫度值。本模塊電路如圖2所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊的核心是ARM芯片S3C44B0X，本系統(tǒng)要采集的信號(hào)較多，需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)應(yīng)用S3C44B0X存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)了三層存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)：片內(nèi)Cache、片外主存和片外輔存，另外還是存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼的線性lash，具體設(shè)計(jì)如圖3所示，S3C44B0X集成了大量應(yīng)用資源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用了其內(nèi)部的LCD控制器和串行通信UART接口，簡化了外圍電路設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)設(shè)置了四個(gè)按鍵，用來實(shí)現(xiàn)用戶控制命令的輸入，案件功能分別為采集心電、 脈搏信號(hào)和體溫賓在LCD顯示相關(guān)的參數(shù)，LCD驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)液晶觸摸屏。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的工作過程為：用戶通過按鍵選擇需要實(shí)現(xiàn)的功能，ARM處理器接收到命令后，通過串口向MSP430單片機(jī)發(fā)送采集相應(yīng)信號(hào)的命令，單片機(jī)完成采集后再通過串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及充分利用32位內(nèi)核CPU的性能，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)方法，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System）平臺(tái)上進(jìn)行嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)，系統(tǒng)選用μC/OS-II作為系統(tǒng)的嵌入式RTOS，將其移植到基于ARM內(nèi)核的S3C44B0X硬件平臺(tái)，應(yīng)用μC/OS-II的內(nèi)核多任務(wù)管理機(jī)制，更好地完成軟件系統(tǒng)的編寫。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為兩部分，基于μC/OS-II的軟件部分設(shè)計(jì)和單片機(jī)MSP430的軟件設(shè)計(jì)，其中，基于μC/OS-II的軟件部分是系統(tǒng)的主要部分，用來完成命令的輸入和對(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波和參數(shù)的計(jì)算、顯示，這部分由S3C44B0X處理器實(shí)現(xiàn)，信號(hào)采集部分軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和發(fā)送，這部分由MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2.3.1 基于μC/OS-II的軟件部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在啟動(dòng)μC/OS-II之前先進(jìn)行系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)入系統(tǒng)主任務(wù)，等待鍵盤響應(yīng)，但按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)出命令采集相應(yīng)的生理信號(hào)，并等待接收采集的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理子程序，計(jì)算得到所要求的生理健康參數(shù)，并進(jìn)行顯示。

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理過程中，首先對(duì)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波，在心電信號(hào)的檢測(cè)放大中，50Hz干擾及高頻雜波干擾最為嚴(yán)重，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了整系數(shù)IIR數(shù)字濾波器，便于在32位處理器中快速執(zhí)行，其數(shù)學(xué)模型如下：

Y（n）=2Y（n-1）-Y（n-2）+X（n）-2X（n-10）+X（n-20）

式中：X（n）表示濾波前的信號(hào)，Y（n）表示濾波后的信號(hào)。

在脈搏波信號(hào)的處理中，采用7點(diǎn)平均的方法濾波，濾波公式為：

Y（n）=（X[n-3]+X[n-2]+X[n-1]+X[n]+X[n+1]+X[n+2]+x[n+3]/7

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，此方法可進(jìn)行有效濾波，為下一步波形分析計(jì)算生理參數(shù)提供了保證。

系統(tǒng)根據(jù)采集到的心電波形計(jì)算出心率參數(shù)，根據(jù)脈搏波形計(jì)算出血氧飽和度和血液粘稠度等參數(shù)，根據(jù)波形計(jì)算所需參數(shù)的算法是軟件編寫的難點(diǎn)和關(guān)鍵，結(jié)合芯片的運(yùn)算速度，并考慮實(shí)時(shí)性要求，算法采用閾值判別法，此類算法在文獻(xiàn)[3]、[4]中已有應(yīng)用，本系統(tǒng)對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，以更好地完成所需要的功能。

2.3.2 信號(hào)采集部分軟件設(shè)計(jì)

此軟件設(shè)計(jì)主要根據(jù)得到的指令采集相應(yīng)的生理信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，其流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可在LCD上實(shí)時(shí)顯示采集到的脈搏波和心電波形，并同時(shí)顯示計(jì)算出的參數(shù)，實(shí)測(cè)中，根據(jù)本系統(tǒng)計(jì)算得到生理參數(shù)的準(zhǔn)確度可達(dá)90%以上，因此，系統(tǒng)作為一個(gè)監(jiān)護(hù)儀器可及時(shí)地檢測(cè)出人體的健康狀況，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的提示對(duì)一些病癥作出及時(shí)反應(yīng)，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。