am188EM在便攜式心電監(jiān)護儀中的應用

在世界著名的醫(yī)療儀器制造商設計生產(chǎn)的心電監(jiān)護儀中，很多選用的是Motorola公司的MC6800/68000；隨著技術的進步，DSP也成為新選擇。然而，MC6800/68000等微處理器需要較多的外圍控制芯片協(xié)同工作才能發(fā)揮其優(yōu)異的性能，組成系統(tǒng)時結構比較復雜，同時，它需要專用的開發(fā)軟件和開發(fā)工具，這都給開發(fā)應用帶來一定的難度。DSP在大規(guī)模數(shù)據(jù)和事務管理方面性能并不是最佳的，它對外圍器件的要求也較高，同時，也需要專用開發(fā)軟件和開發(fā)工具，這都在一定程度上制約了它在某些方面的應用。

嵌入式處理器從一定程度上克服了上述缺陷，使我們在使用處理器時又多了一種選擇，在設計便攜式心電監(jiān)護儀時我們選用了AMD公司的am188EM處理器。

am188EM的主要特點：

(1) 與Intel公司的x86系列處理器在指令上完全兼容，可以借助于Microsoft公司的宏匯編工具MASM或其它編程語言在PC機上很方便地開發(fā)應用軟件。

(2) 可選擇16MHz、25MHz、33MHz、40MHz的工作頻率，鎖相環(huán)(PLL)倍頻技術的應用和優(yōu)化的指令處理過程使處理器運行速度成倍提高。

(3) 處理器片內集成一個全雙工的同步串行通信口和一個全雙工的異步通信口，同步串口可同時連接兩個外設，異步串口與RS-232通信口標準兼容。

(4)處理器片內集成一個中斷控制器，與標準的中斷控制器8259完全兼容，單獨工作時可管理5個外部中斷源，也可以與外部標準的中斷控制器8259級聯(lián)，管理更多的中斷源。

圖1為系統(tǒng)組成框圖。人體心電信號通過導線輸入到模擬部分，在模擬部分放大、A/D轉換后經(jīng)光電耦合電路輸出到數(shù)據(jù)采集部分。數(shù)字化的心電信號在數(shù)據(jù)采集部分經(jīng)過預處理后被am188EM讀取，am188EM對心電數(shù)據(jù)作出分析、計算，一方面輸送到顯示控制部分去顯示，另一方面送往數(shù)據(jù)資料存儲管理部分保存，如果發(fā)現(xiàn)異常信號，通過顯示器和聲光報警電路發(fā)出報警。通過通信口，am188EM可以與計算機通信，也可以用普通串行打印機打印監(jiān)護報告。

模擬部分主要完成心電信號的擷取、放大、A/D轉換、光電耦合等功能，如圖2所示。由于人體皮膚的阻抗很大，心電信號又很微弱，再加上周圍環(huán)境的電磁噪聲很強，心電信號預放大電路使用了高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲的儀表運算放大器INA128，以利于采集人體微弱的心電信號；預放大的心電信號通過壓控增益放大器作必要的增益調整后，再經(jīng)電平調整，輸出到串行ADC進行A/D轉換，之后心電數(shù)據(jù)通過光電耦合輸出到數(shù)據(jù)采集部分作進一步處理。

am188EM對心電放大器增益的控制主要通過它的同步串行通信口進行。am188EM通過此口輸出串行的控制數(shù)據(jù)，光電耦合后經(jīng)串行DAC轉換成壓控增益放大器的控制電壓，從而調整整個心電放大器的增益。出于對患者安全的考慮，在模擬部分采用浮地技術，系統(tǒng)電源通過隔離DC-DC變換器向模擬部分提供±5V電源，所有進出模擬部分的信號均通過光電耦合器與其它部分耦合。

數(shù)據(jù)采集部分主要完成心電信號的數(shù)字濾波、波形整形、壓縮等功能。通過簡單的數(shù)字濾波，濾除50Hz工頻干擾和大于1KHz的高頻干擾，消除心電波形上的“毛刺”，然后運用特定的心電數(shù)據(jù)壓縮算法，對整形后心電數(shù)據(jù)進行壓縮，壓縮后的心電數(shù)據(jù)和壓縮前的心電數(shù)據(jù)分別緩沖到先進先出存儲器(FIFO)。當FIFO中緩沖一定數(shù)量的心電數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)采集電路在am188EM的第一個中斷輸入腳INT0上發(fā)出一個負向脈沖，從而觸發(fā)am188EM進入中斷服務程序。在中斷服務程序中，程序設置am188EM中集成的第一個DMA通道DMA0的源地址(指向FIFO)、目標地址(指向內部隨機存儲器的心電波形緩沖區(qū))、數(shù)據(jù)數(shù)量等參數(shù),然后啟動DMA0，使FIFO中緩沖的心電數(shù)據(jù)在不占用處理器時間的情況下，高速輸入處理器所控制的內部隨機存儲器。

數(shù)據(jù)資料存儲管理部分主要實現(xiàn)異常心電數(shù)據(jù)以及病人一般資料的存儲和管理，另外，整個系統(tǒng)應用軟件的存儲和管理也由這部分完成。數(shù)據(jù)資料存儲管理部分的核心是一大容量的閃速存貯器(FLASH)29F040,容量為512KB，與程序存貯器28C64復合占用am188EM的高端地址。

如圖3所示，程序存儲器28C64與閃速存貯器29F040是通過am188EM的可編程I/O口的0位PIO0控制邏輯電路實現(xiàn)地址復用的。當PIO0被置為“1”時， 28C64的片選信號隨am188EM的高端地址片選信號UCS變化而變化，29F040的片選信號則保持高電平，于是am188EM便能對程序存貯器28C64進行操作；當PIO0被置為“0”時，29F040的片選信號隨am188EM的高端地址片選信號UCS變化而變化，28C64的片選信號保持高電平，am188EM對程序存儲器28C64的操作便被禁止而只能對29F040進行操作。通常在系統(tǒng)上電時，由于PIO0被復位為“1”，處理器總是能夠對28C64操作，從其中讀取指令而完成啟動引導過程。

顯示控制部分主要實現(xiàn)心電信號波形和相關的圖形、字符的顯示，它由數(shù)字邏輯電路、視頻存儲器以及必要的模擬電路組成。

為了保證所顯示的心電信號波形的穩(wěn)定性，只有在視頻掃描的幀回掃間期才可以刷新心電信號波形數(shù)據(jù)，這實現(xiàn)起來有一定的困難?？紤]到視頻掃描的幀回掃間期很短且較難以捕捉，我們將幀同步信號輸入到am188EM的第二個中斷輸入腳INT1，當幀回掃間期到來時，幀同步信號觸發(fā)am188EM，使之響應中斷，在中斷服務程序中，程序設置am188EM中集成的第二個DMA通道DMA1的源地址(指向內部隨機存儲器的心電波形緩沖區(qū))、目標地址(指向視頻存儲器)、數(shù)據(jù)數(shù)量等參數(shù),然后啟動DMA1，使心電波形數(shù)據(jù)在不占用處理器時間的情況下、高速地傳輸?shù)揭曨l存儲器。

am188EM片內集成一個全雙工的異步通信口，它的數(shù)據(jù)格式(包括起始位、停止位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位等)與標準RS-232通信口完全兼容，僅需要作簡單的電平轉換，將數(shù)字邏輯的+5V轉換為RS-232的-10V、將數(shù)字邏輯的0V轉換為RS-232的+10V即可。電平轉換的接口電路種類很多，功能與應用的復雜程度也各不相同。我們選用的是Maxim公司的MAX202CPA，它具有體積小、功耗低、外圍電路簡單(僅需要四個0.1mF的電容)、可靠性高等優(yōu)點。

由于am188EM提供獨立的20條地址總線和多條由內部集成的可編程地址譯碼器譯碼產(chǎn)生的片選信號，所有的外圍電路直接使用這些地址總線和片選信號，因此，它的外圍電路部分的設計十分簡單，如圖4所示。

由于am188EM與Intel公司的x86系列處理器在指令上完全兼容，因此可以借助Microsoft公司的宏匯編工具或其它編程語言在PC機上很方便地編寫系統(tǒng)的應用軟件。系統(tǒng)軟件的編制采用模塊化結構，對于硬件的各個功能塊編寫了類似于Windows 95/98系統(tǒng)的設備驅動程序。

系統(tǒng)軟件主要分為：

1、數(shù)據(jù)采集模塊，它主要通過DMA完成從數(shù)據(jù)預處理電路讀取預處理后的ECG各導聯(lián)的波形數(shù)據(jù)。

2、ECG波形參數(shù)計算模塊，它主要根據(jù)獲得的各導聯(lián)的ECG波形數(shù)據(jù)計算出ECG的各種參數(shù)如P、R波高，P-R間期，R波群寬度，ST段的高低等。

3、智能診斷模塊，它主要根據(jù)臨床心血管疾病專家數(shù)據(jù)庫，對ECG的表現(xiàn)作出初步診斷。

4、顯示驅動模塊，它主要配合顯示控制電路完成ECG波形及字符、圖形的顯示。

5、通信模塊，它主要通過異步串行通信口實現(xiàn)與PC的各種通信，包括輸出系統(tǒng)的各種檢測數(shù)據(jù)和從PC機輸入各種系統(tǒng)指令和資料。

6、增益控制模塊，它主要根據(jù)ECG的波高參數(shù)自動調整系統(tǒng)模擬部分主放大器的增益，以得到最佳的ECG波形。

在組織整機系統(tǒng)軟件時，考慮到儀器在用戶使用過程中智能診斷程序的升級問題，特地安排了EEPROM-FLASH的程序存儲結構。在EEPROM中，僅存儲系統(tǒng)引導程序和基本I/O程序(BIOs)，當儀器開機時，首先進入EPROM中的引導程序，引導程序查看FLASH中的標志位及串行通信口，若FLASH中無應用程序，則提示用戶通過PC機下載應用程序，或當發(fā)現(xiàn)串行通信口接收到PC機的升級應用程序的指令，則從PC機中下載程序并存儲于FLASH中；若FLASH中有應用程序并且串行通信口未接收到PC機的升級應用程序的指令，引導程序將引導CPU執(zhí)行FLASH中的程序。

雖然am188EM應用非常方便、簡單，但是有幾個問題要加以注意，否則，易造成處理器不運行、死機甚至燒毀。

⑴ 當單片使用am188EM時，它的HOLD片腳一定接地，否則處理器將被掛起而不能運行程序。

⑵同步數(shù)據(jù)就緒片腳(SRDY)和異步數(shù)據(jù)就緒片腳(ARDY)如果有一個或全部未使用時，未使用的片腳一定要接地。

⑶ 不可屏蔽中斷輸入腳在不使用時一定要接地。

⑷ 如果使用集成晶振為處理器提供系統(tǒng)時鐘，那么信號應通過X1腳輸入，令X2腳浮空。

⑸ 所有的未使用的輸出片腳要保持浮空，不能拉高或拉低。

⑹由于系統(tǒng)復位后執(zhí)行的第一條指令從0FFFF0h地址處讀取，因此必須在此處設置一條跳轉指令，使處理器跳轉到軟件的入口處執(zhí)行程序。■

參考文獻

1 am186EM/188EM Data sheet. AMD corp, 1999

2 劉鐵兵,彩色同屏多導聯(lián)動態(tài)心電信號顯示控制器的研制.第四軍醫(yī)大學學報,2000(5)