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

　　引言

　　心臟病是嚴(yán)重威脅人類健康和生命的主要疾病之一。統(tǒng)計顯示約60%的心臟病人死于家中，這些病人如果能夠及時獲得搶救、護理，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)護從病床、醫(yī)院擴展到社區(qū)、家庭實施遠(yuǎn)程監(jiān)護，無論是從減輕患者的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，還是從增強醫(yī)院服務(wù)能力的角度考慮都具有重要的現(xiàn)實意義。

　　2 心電監(jiān)護終端的硬件設(shè)計

　　從體積小、功耗低、操作簡便的角度設(shè)計心電監(jiān)護終端硬件電路。圖1為整個監(jiān)護終端的硬件框圖，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)護終端完成心電信號的采集和預(yù)處理，并通過網(wǎng)口實時發(fā)送至監(jiān)護中心服務(wù)器，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)護。

　　2.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

　　人體心電信號是一種低頻微弱電信號，其幅值約10μV～5 mV，頻率范圍為0.05～100 Hz。需要放大上千倍(即達到V量級)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)換模塊的測量范同確定。通過心電導(dǎo)聯(lián)線獲取的心電信號首先經(jīng)儀表放大器AD620進行差分放大，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級的差分放大增益不能太高，否則容易飽和.所以第1級增益選為20;為了使信號滿足A/D轉(zhuǎn)換要求，需將信號放大至V量級，因此設(shè)置次級放大增益為30，這里采用普通的四運放LM324。由于心電信號中?；煊兄绷骱突€漂移干擾，因此應(yīng)在第1級和次級放大電路之間加高通濾波器，可有效避免心電信號的基線漂移，相應(yīng)的高頻干擾信號可通過放大器輸入端電路和一個截止頻率為100 Hz的二階低通濾波器予以濾除。此外，通過陷波器濾除50 Hz工頻干擾。經(jīng)上述信號處理后，心電信號接入微處理器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為信號調(diào)理電路。

　　2.2 ARM7微處理器及外圍電路

　　LPC2210是PHILIPS公司開發(fā)的基于一個支持實時仿真和跟蹤的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32位定時器、8路10位A/D轉(zhuǎn)換器、PWM輸出以及多達9個外部中斷，使其適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(POS)。

　　該系統(tǒng)設(shè)計的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，簡化電路設(shè)計。由于LPC2210無片內(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SRAM IS61LV25616AL和一個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;自動奇偶檢測及糾錯;支持即插即用方式(PnP)和非即插即用方式(Non-PnP)，可通過軟件設(shè)置中斷、輸入和輸出地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù);支持兩種接口類型，并能自動偵測介質(zhì)類型，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，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

　　由于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是源代碼公開的、共享的并且可移植性、可裁減性非常好，通過信號、郵箱及隊列能夠很好的實現(xiàn)任務(wù)問的實時通訊、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嵌入式實時操作系統(tǒng)作為平臺。

　　首先進行μC/OS-II的移植，對μC/OS-II的移植實際上就是重寫或修改與處理器有關(guān)的代碼。主要是編寫OS_CPU.H，OS_CPU_ A.S，OS_CPU_C.C這3個文件。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，即完成程序運行平臺的搭建工作。

　　該系統(tǒng)設(shè)計的主程序主要通過3個任務(wù)來實現(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列、信號量等清零，然后利用OSTaskCreateExt()創(chuàng)建第一個任務(wù)task0，通過OSStart()啟動操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度機制，開始運行該系統(tǒng)的主要應(yīng)用程序。

　　3個任務(wù)中，設(shè)置任務(wù)task0的優(yōu)先級最高，任務(wù)task2的優(yōu)先級最低。任務(wù)task0主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，調(diào)用RTL8019AS的驅(qū)動函數(shù)Rec_Packet()接收遠(yuǎn)端計算機的連接請求(本地設(shè)置為服務(wù)器端)。若有請求幀，則設(shè)置消息隊列RecTcpQFlag，然后刪除任務(wù)本身;若沒有請求幀，則持續(xù)利用Rec_Packet()接收數(shù)據(jù)，直到接收到連接請求。task0的流程圖如圖4所示。

　　該系統(tǒng)設(shè)計的監(jiān)護模塊與醫(yī)院內(nèi)心電監(jiān)護中心的心電實時監(jiān)控服務(wù)器都工作于客戶/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)器客戶端應(yīng)用程序，首先初始化以太網(wǎng)接口，然后主動與醫(yī)院內(nèi)心電實時監(jiān)控服務(wù)器建立連接;連接成功后，進入工作狀態(tài)，不斷接收心電數(shù)據(jù)，并通過已建立的連接將數(shù)據(jù)發(fā)送到心電實時監(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)護病人心電數(shù)據(jù)，理論上整個系統(tǒng)中被監(jiān)護病人的個數(shù)無限制，只要網(wǎng)絡(luò)的帶寬和服務(wù)器的處理能力足夠強，就可以任意擴展。被監(jiān)護病人既可位于醫(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)將大大增強和擴展醫(yī)院的醫(yī)療服務(wù)能力，同時也使更多的病人得到低成本和周到的心電監(jiān)護服務(wù)，具有很高的推廣價值和顯著的社會經(jīng)濟效益。