便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計與解決方案

　　2. USB模塊硬件設(shè)計

　　USB模塊負(fù)責(zé)完成心電數(shù)據(jù)的本地高速回放，它提供了另一種數(shù)據(jù)傳輸手段。通常的串口RS-232只是利用一條線進行數(shù)據(jù)傳輸，而USB傳輸是利用D+和 D-線上的差分信號，與主機進行數(shù)據(jù)的傳輸，充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本系統(tǒng)采用恩智浦公司的PDIUSBD12實現(xiàn)USB傳輸。

　　PDIUSBD12(以下簡稱D12)是恩智浦公司的一款性價比很高的USB芯片，完全符合USB1.l版的規(guī)范。是在USB1.1協(xié)議設(shè)備端使用最多的芯片之一，是一種純粹的USB接口芯片，需要外部微處理器控制。

　　本系統(tǒng)利用Rabbit3000微處理器控制USB芯片D12來完成USB傳輸，此時D12就是單片機的一個外設(shè)。D12與Rabbit3000之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過8位數(shù)據(jù)線來實現(xiàn)的，即D12的并口數(shù)據(jù)線D0-D7與Rabbit3000的數(shù)據(jù)線D0-D7直接相連。

　　D12的INT_N引腳與Rabbit3000復(fù)用引腳INT0A相連，作為Rabbit3000的外部中斷輸入。當(dāng)D12需要進行操作時，就利用 INT_N引腳發(fā)出一個中斷請求，Rabbit3000立即響應(yīng)中斷，對其進行操作。D12的RD_N和WR_N分別與Rabbit3000的IORD和 IOWR相連，以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。D12的RESET_N與Rabbit3000的復(fù)用引腳PE4相連，Rabbit3000可以利用這個引腳向 D12發(fā)出一個低電平，RESET_N被置為低電平后，D12便自動復(fù)位了。D12的CS_N與Rabbit3000的復(fù)用引腳PE7相連，可以通過這個引腳來控制片選。如圖3所示。

圖3：PDIUSBD12模塊硬件連接圖。

　　D12有兩種數(shù)據(jù)總線方式：多路地址/數(shù)據(jù)總線方式和單地址數(shù)據(jù)總線方式。本系統(tǒng)采用單地址數(shù)據(jù)總線方式，將D12的ALE接地，A0與 Rabbit3000的地址總線A0相連，在片選信號有效的前提下(即PE7=0)，當(dāng)A0=1時，CPU給D12發(fā)命令;當(dāng)A0=0時，CPU向D12 寫數(shù)據(jù)或從D12讀數(shù)據(jù)。因此，地址0xE001為發(fā)送命令地址，地址0xE000為讀寫數(shù)據(jù)地址。

　　三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計借鑒了軟件工程的設(shè)計思想。采用了分層和模塊化的設(shè)計思路，為代碼的組織、維護和升級都提供了便利。而且，即使以后更換硬件系統(tǒng)平臺，也能夠保證大部分代碼可重用。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。下面重點介紹無線模塊和USB模塊的軟件設(shè)計。

　　1. 無線模塊軟件設(shè)計

　　無線模塊MC35與Rabbit3000的串口B相連，并通過串口向MC35發(fā)送AT指令，進行撥號、設(shè)置等操作。

　　MC35與網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議為PPP協(xié)議(Point-to-Point Protocol)，PPP協(xié)議是一種基于TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，是為在兩個對等實體間傳輸數(shù)據(jù)包，建立簡單連接而設(shè)計的，主要用于廣域網(wǎng)的連接，但在局域網(wǎng)的撥號連接中同樣可以采用。MC35本身不支持PPP協(xié)議，要通過MC35撥號上網(wǎng)必須編寫程序?qū)崿F(xiàn)PPP協(xié)議，同時還要實現(xiàn) TCP/IP協(xié)議。

　　開機后首先初始化MC35模塊，這里要注意的是初始化MC35模塊時，需要給IGT引腳一個低電平，并保持120~140ms，才能完成初始化操作。然后啟動MC35并登陸移動夢網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，建立與服務(wù)提供商的連接。

　　登陸成功后，MC35具有兩種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。MC35在空閑狀態(tài)下的電流一般為15mA，而且在空閑狀態(tài)下，MC35還支持多種休眠模式。為降低功耗，本系統(tǒng)啟用了MC35的休眠功能，設(shè)置為休眠模式7。在該休眠模式下，電流可以降到3mA左右。

圖4：心電監(jiān)護系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)。

　　2. USB模塊軟件設(shè)計

　　USB接口對于使用者來說十分簡單方便，但從開發(fā)者角度來看，最大的缺點就是協(xié)議的復(fù)雜性增加了，因此也就導(dǎo)致了USB設(shè)計的復(fù)雜性。USB軟件設(shè)計包括三個方面：固件(firmware)設(shè)計、驅(qū)動程序設(shè)計和主機端應(yīng)用程序的設(shè)計。

　　a. 固件設(shè)計

　　固件是固化在單片機中的程序代碼，可采用匯編語言或C語言設(shè)計。它運行在微處理器上，用來響應(yīng)主機的請求。即它與USB控制器一起完成枚舉過程和主機通信。USB協(xié)議規(guī)定任何傳輸過程都是由主機端發(fā)起并控制的，在枚舉過程中，主機通過USB控制器的端點0的默認(rèn)管道建立控制傳輸過程，D12響應(yīng)主機的要求，主要是發(fā)送特定的描述符(如設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符和廠商描述符)給主機。主機從獲得的描述符來了解該設(shè)備的配置和能力，并完成對USB設(shè)備的配置。枚舉過程結(jié)束后，主機就可以與D12進行數(shù)據(jù)傳輸了。

　　本系統(tǒng)的固件編程采用標(biāo)準(zhǔn)C語言來編寫，設(shè)計固件程序時需要注意的是：D12的中斷輸出為電平觸發(fā)，Rabbit3000的中斷為上升沿或下降沿觸發(fā)。在設(shè)計程序時，使用下降沿加延時，可使低電平保持一段時間，從而達到同樣的效果。

　　b. 驅(qū)動程序設(shè)計

　　在Windows系統(tǒng)下，與USB外設(shè)的任何通信都必須通過設(shè)備驅(qū)動，設(shè)備驅(qū)動使應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備成為可能。USB驅(qū)動程序的編寫與硬件相關(guān)，屬于核心模式。微軟的DDK在這方面提供了較為詳細(xì)的說明。

　　c. 應(yīng)用程序的設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用VB編寫上位機應(yīng)用程序。它主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)利用USB接口從心電監(jiān)護儀中讀取心電數(shù)據(jù)，并把心電數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，同時在PC機屏幕上繪制心電波形。

　　四、本文小結(jié)

　　本文所研制的便攜式移動心電監(jiān)護儀，能夠在計算機屏幕上準(zhǔn)確地描繪出心電波形，經(jīng)中國醫(yī)科大學(xué)附屬二院的醫(yī)生認(rèn)定，可作為臨床診斷依據(jù);本系統(tǒng)實用性強，且體積小、經(jīng)濟方便?；颊呖呻S時隨地對心臟進行實時監(jiān)護，而不受時間和空間限制;本系統(tǒng)所具有的無線傳輸功能，可以實時地把心電數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)院供醫(yī)生診斷，極大地提高了急救效率。