基于USB傳輸之嵌入式生理量測(cè)系統(tǒng)之研制

      摘要：科技進(jìn)步，國(guó)人越來(lái)越重視自我健康狀況。對(duì)于現(xiàn)在忙碌的人來(lái)說(shuō)，由于飲食作息不正常、日夜顛倒，常容易引發(fā)文明病(例如：心血管疾病)。因此本論文設(shè)計(jì)出一套體積小、操作介面簡(jiǎn)單之隨身攜帶的心電圖量測(cè)裝置，對(duì)於健康方面將提供即時(shí)監(jiān)控和自我檢測(cè)之功能。本系統(tǒng)具有可隨插即用之USB 介面?zhèn)鬏?，可將自人體量測(cè)到的心電訊號(hào)，經(jīng)由可程式系統(tǒng)(PSoC)之訊號(hào)處理和資料封包格式轉(zhuǎn)換，再透過(guò)USB介面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)資料至嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上顯示及訊號(hào)分析。不論是在室內(nèi)或室外都能即時(shí)監(jiān)控目前使用者之健康狀況。除此之外，本系統(tǒng)可以成功的在嵌入式平臺(tái)（EDUKIT-III）與Study-ARM9 的嵌入式是單板上連結(jié)并量測(cè)，同時(shí)亦能連接到電腦主機(jī)上來(lái)量測(cè)。將可以提供未來(lái)行動(dòng)裝置一個(gè)生理信號(hào)量測(cè)之介面。

　　前言

　　資訊產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，電腦產(chǎn)業(yè)的興起，資訊和資料之傳輸方式越來(lái)越講求方便、迅速，從最早接觸的UART晶片(RS-232)埠、網(wǎng)際網(wǎng)路(Ethernet)等連線傳輸發(fā)展至現(xiàn)在的USB 傳輸(低速、全速、高速)、無(wú)線技術(shù)(BlueTooth、ZigBee)等無(wú)線傳輸。而應(yīng)用的范圍也概括了個(gè)人、家庭、日常生活等。

　　心電圖常被廣泛運(yùn)用在臨床實(shí)驗(yàn)上，用于量測(cè)心臟和肺部疾病的重要診斷工具。目前心電圖量測(cè)之資料傳輸介面較常應(yīng)用RS-232 介面來(lái)傳輸，其優(yōu)點(diǎn)為：(1)傳輸協(xié)定和傳送封包格式較容易理解。而其缺點(diǎn)為：(1)傳送資料之距離受到限制(2)傳送速度較慢。然而本論文所強(qiáng)調(diào)之重點(diǎn)在于應(yīng)用USB介面?zhèn)鬏攣?lái)傳送心電訊號(hào)，其目的是為了運(yùn)用USB 隨插即用特性，將使用者所量測(cè)到之心電訊號(hào)儲(chǔ)存至硬體電路的儲(chǔ)存裝置上，而心電訊號(hào)之呈現(xiàn)可透過(guò)與嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)之連接，配合裝置驅(qū)動(dòng)程式之掛載，將使用者之心電訊號(hào)在平臺(tái)的觸碰式螢?zāi)?Touch Panel)上顯示。使用者也可將心電圖波形攜帶至醫(yī)院，讓專業(yè)醫(yī)師來(lái)診斷其是否有異常現(xiàn)象。

　　研究方法

　　本論文之系統(tǒng)架構(gòu)由心電訊號(hào)感測(cè)元件(電極貼片)、心電訊號(hào)擷取之硬體電路(前端處理、儲(chǔ)存裝置)、USB 介面?zhèn)鬏攨f(xié)定、系統(tǒng)平臺(tái)(裝置驅(qū)動(dòng)程式掛載)、系統(tǒng)架構(gòu)整合等四大部分整合組成。人體藉由電極貼片擷取微弱訊號(hào)至硬體電路之儀表放大器(AD620)做第一級(jí)放大，透過(guò)可程式系統(tǒng)晶片PSoC 其內(nèi)部的濾波、第二級(jí)放大、A/D 轉(zhuǎn)換等將訊號(hào)轉(zhuǎn)換成USB 封包格式傳送，經(jīng)由USB 介面?zhèn)魉托碾娪嵦?hào)至可攜式行動(dòng)平臺(tái)做訊號(hào)之分析與顯示。其系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖1 所示。
 

圖 1 系統(tǒng)架構(gòu)方塊圖

　　一、心電訊號(hào)感測(cè)元件

　　本系統(tǒng)架構(gòu)主要量測(cè)之生理訊號(hào)為心電圖(Electrocardiogram，ECG)訊號(hào)，透過(guò)心電訊號(hào)感測(cè)元件可量測(cè)使用者(User)心臟電位活動(dòng)之變化并紀(jì)錄，其變化經(jīng)由感測(cè)元件轉(zhuǎn)換成研究者可觀測(cè)之訊號(hào)波形，而後更可依據(jù)波形產(chǎn)生之差異，進(jìn)而得知受測(cè)者心臟方面的訊息(例如：心臟疾病)，此接收到的訊號(hào)屬於類比訊號(hào)。市面上有販?zhǔn)墼S多不同廠牌的心電圖電極貼片(ECG Electrode) ， 我們使用的電極貼片是KENDALL 公司所生產(chǎn)的電極貼片， 其型號(hào)為：31078135。

　　心電圖主要是紀(jì)錄心臟向量投影至各導(dǎo)程之投影量變化。本論文中，我們應(yīng)用3導(dǎo)程(3-Lead)方式來(lái)量測(cè)和紀(jì)錄我們所需要的心電圖波形，如圖2 所示為使用3 導(dǎo)程電極貼片之放置示意圖。

圖 2 使用3 導(dǎo)程電極貼片之放置示意圖

　　由于送至硬體電路所需之心電訊號(hào)為差動(dòng)訊號(hào)(Differential Signal)，因此我們計(jì)算心電訊號(hào)的方式為：Lead III – Lead II，其求得的值為我們所需要之差動(dòng)生理訊號(hào)。3 導(dǎo)程量測(cè)在靈敏度(接收訊號(hào)之難易度)方面較優(yōu)於其它導(dǎo)程量測(cè)。本文所強(qiáng)調(diào)之重點(diǎn)在于硬體電路和系統(tǒng)平臺(tái)，因此在量測(cè)方面較著重於量測(cè)之容易和便利性。

　　二、訊號(hào)擷取之硬體電路

　　可攜性、體積小是近年來(lái)市面上熱烈討論之話題。USB 裝置隨插即用之便利性也不外乎是消費(fèi)者所熱愛(ài)追求的?；兑陨系挠^點(diǎn)，我們所設(shè)計(jì)之硬體電路朝著體積小攜帶方便，以USB 裝置為傳輸介面等方向來(lái)達(dá)成可攜式USB 傳輸訊號(hào)之目標(biāo)。如圖3-1,3-2所示為硬體電路正反面之實(shí)體圖。

圖 3-1 硬體電路正面實(shí)體圖

圖 3-2 硬體電路反面實(shí)體圖

　　硬體架構(gòu)方面主要可分成四大部分來(lái)分析說(shuō)明，第一部份為：儀表放大器，主要目的是用來(lái)做訊號(hào)處理的第一級(jí)放大，第二部份為：可程式系統(tǒng)晶片PSoC，主要使用之目的是用來(lái)做生理訊號(hào)處理之訊號(hào)濾波、第二級(jí)放大、A/D 轉(zhuǎn)換等，第三部份為：USB介面?zhèn)鬏攨f(xié)定分析。

　　第一部份應(yīng)用儀表放大器之目的與說(shuō)明

　　由於前端感測(cè)元件(電極貼片)所產(chǎn)生之差動(dòng)訊號(hào)為微弱訊號(hào)，其訊號(hào)較不易讓研究者做進(jìn)一步分析觀察，因此使用AD620 儀表放大器先針對(duì)微弱訊號(hào)做約500 倍的增益放大，其輸出訊號(hào)進(jìn)而再送至可程式系統(tǒng)晶片PSoC 做訊號(hào)處理，如圖4 所示為使用者與儀表放大器連接之示意圖。

圖 4 使用者與儀表放大器連接之示意圖

　　連接說(shuō)明：使用者左邊胸部靠近心臟部位之電極貼片需連接至儀表放大器Pin 3 (+ IN)當(dāng)作生理訊號(hào)源正端輸入。使用者右邊胸部與左邊貼片對(duì)稱之部位需連接至儀表放大器Pin 2 (-IN)當(dāng)作生理訊號(hào)源負(fù)端輸入。使用者左腳接地部位需連接至Pin 5(VREF)當(dāng)作參考接地。RG 阻值大小可隨意改變，變更其放大增益。Pin 7、4 需正確接上電源，才得以驅(qū)動(dòng)儀表放大IC 晶片，最後輸出訊號(hào)透過(guò)Pin 6 輸出至下一級(jí)做訊號(hào)處理。

　　第二部份可程式系統(tǒng)晶片PSoC

　　經(jīng)由儀表放大器放大波形至一定增益大小，其波形需再透過(guò)濾波器濾除雜訊、第二級(jí)放大、A/D 轉(zhuǎn)換、資料型態(tài)轉(zhuǎn)換等步驟後，才能將訊號(hào)資料送至系統(tǒng)平臺(tái)做訊號(hào)處理或儲(chǔ)存的動(dòng)作。

　　可程式系統(tǒng)晶片(PSoC)所概括的訊號(hào)處理有：(1)類比訊號(hào)處理(2)數(shù)位訊號(hào)處理。在設(shè)計(jì)環(huán)境中，可以任意配置使用者所需之類比、數(shù)位區(qū)塊模組。如圖5-1,5-2 所示為類比、數(shù)位區(qū)塊模組配置示意圖。

圖 5-1 類比區(qū)塊配置示意圖

　圖 5-2 數(shù)位區(qū)塊配置示意圖

　　本系統(tǒng)采用型號(hào)為CY8C24794 之PSoC 晶片，經(jīng)由儀表放大器放大後之波形輸入至PSoC 內(nèi)部做訊號(hào)處理和轉(zhuǎn)換。波形先經(jīng)過(guò)低通濾波器(Low Pass Filter)將20Hz 以下之雜訊濾除，再通過(guò)高通濾波器(HighPass Filter)將180Hz 以上之雜訊濾除，由於會(huì)跨過(guò)電源頻率60Hz，因此還需要使用陷波器將其雜訊濾除。濾除過(guò)後之訊號(hào)再透過(guò)放大器(PGA)做二級(jí)放大。處理過(guò)後之波形訊號(hào)透過(guò)ADCINC(A/D 轉(zhuǎn)換模組)將類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號(hào)。選用此顆PSoC 晶片主要之目的是為了運(yùn)用其USB 模組，透過(guò)USB 通訊協(xié)定設(shè)定，將心電訊號(hào)數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)換成USB 封包格式，利用USB介面?zhèn)鬏敯褦?shù)據(jù)資料傳送到系統(tǒng)平臺(tái)或儲(chǔ)存到儲(chǔ)存裝置。如圖6 所示為運(yùn)用USB 介面?zhèn)鬏斮Y料之示意圖。

圖6 運(yùn)用USB 介面?zhèn)鬏斮Y料之示意圖

　　第三部份 USB 介面?zhèn)鬏攨f(xié)定分析

　　應(yīng)用CY8C24794 晶片設(shè)計(jì)本系統(tǒng)之硬體架構(gòu)，它提供了USB2.0 的傳輸速度。此顆IC 在USB 模組方面設(shè)計(jì)了USB Setup wizard 選單，使用者能新增移除選單上預(yù)設(shè)的描述元符號(hào)(Descriptor)、字串/語(yǔ)言特性(String/LANGID)和人機(jī)介面裝置回報(bào)描述符號(hào)(HIDReport Descriptor)，如圖7 所示為USB Setup wizard 設(shè)計(jì)介面。

圖 7 USB Setup wizard 設(shè)計(jì)介面

　　USB 的傳輸方式可分為：控制、中斷、等時(shí)和巨量等四種不同傳輸型態(tài)。資料傳輸可細(xì)分三大交易階層：設(shè)置(Setup)、資料(Data)、狀態(tài)(State)等。每個(gè)階層可分類成三種封包型態(tài)：執(zhí)照(Token)、資料(Data)、交握(Handshake)等。如圖8 所示為USB 資料傳輸之樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。在自制板與主機(jī)端之間的傳輸中，當(dāng)主機(jī)在設(shè)置階層時(shí)，是以控制傳輸方式來(lái)達(dá)成。當(dāng)主機(jī)與裝置在進(jìn)行資料交易時(shí)，是以中斷傳輸方式來(lái)達(dá)成。

圖 8 USB 資料傳輸之樹(shù)狀結(jié)構(gòu)

　　如圖9 所示，USB 資料傳輸型式是由主機(jī)端與裝置端之間相互溝通，當(dāng)裝置(Device)連接主機(jī) (Host)時(shí)，主機(jī)會(huì)先以預(yù)設(shè)位址0 (Addr )和端點(diǎn)0 (EP)向裝置詢問(wèn)其為何種描述字元、裝置型態(tài)和重新設(shè)定新的傳送位址和端點(diǎn)，往後的資料傳送都依據(jù)新的位址和端點(diǎn)來(lái)發(fā)送。確定好位址後，裝置會(huì)將其列舉資訊與HID 報(bào)告回報(bào)給主機(jī)端，當(dāng)雙方在傳輸協(xié)定上達(dá)成協(xié)議時(shí)，資料才能開(kāi)始進(jìn)行傳送的動(dòng)作。

圖 9 裝置連結(jié)主機(jī)相互溝通之方塊圖

　　主機(jī)端(PC、系統(tǒng)平臺(tái))傳送訊息至裝置端(自制板)是透過(guò)位址3 和端點(diǎn)4 來(lái)傳輸和要求資料。裝置端是透過(guò)位址3 和端點(diǎn)3 來(lái)向主機(jī)傳輸和要求資料。我們?cè)O(shè)置訊框輪詢時(shí)間(Interval)時(shí)間為5msec，而所量測(cè)的心電訊號(hào)經(jīng)由PSoC 轉(zhuǎn)換成USB 封包格式傳送，每次傳送2Bytes 心電訊號(hào)資料。心電訊號(hào)的取樣率為240(sps)：每一秒取樣240 個(gè)取樣點(diǎn)。

　　三、系統(tǒng)平臺(tái)

　　本文中的系統(tǒng)架構(gòu)是以EDUKIT III Embest ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)架構(gòu)，再基礎(chǔ)架構(gòu)上整合開(kāi)發(fā)心電圖訊號(hào)量測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)核心為S3C2410X ARM920T，在程式設(shè)計(jì)方面以Embedded Linux 來(lái)開(kāi)發(fā)程式。然而如果要將心電圖量測(cè)裝置掛載至系統(tǒng)平臺(tái)，需要撰寫(xiě)適合硬體裝置之驅(qū)動(dòng)程式才得以驅(qū)動(dòng)運(yùn)作。嵌入式Linux 下之設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式，是介於作業(yè)系統(tǒng)核心和硬體之間的介面，從應(yīng)用程式層面來(lái)看硬體設(shè)備，其就像是一個(gè)設(shè)備檔案，應(yīng)用程式如要針對(duì)設(shè)備檔案進(jìn)行操作，只要像一般檔案一樣的操作方式即可達(dá)到讀寫(xiě)和控制之目的。

圖 10 驅(qū)動(dòng)程式設(shè)計(jì)之流程

　　如圖10 所示，當(dāng)裝置掛載至系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，其設(shè)計(jì)流程可分為以下幾個(gè)步驟：(1)透過(guò)Insmod 指令將kernel module 載入到kernel 的address space(2)對(duì)裝置做初始化的動(dòng)作(3)裝置向主機(jī)注冊(cè)成為裝置節(jié)點(diǎn)(4)應(yīng)用程式可透過(guò)驅(qū)動(dòng)程式所提供的入口點(diǎn)(open、read、write、close、ioctl)詢問(wèn)主機(jī)是否可讀取資料或裝置是否可寫(xiě)入資料(5)裝置向主機(jī)取消注冊(cè)(6)清除裝置(7)透過(guò)rmmod 指令卸載核心模組。以上說(shuō)明為驅(qū)動(dòng)程式設(shè)計(jì)之流程。
　　四、系統(tǒng)架構(gòu)整合

　　如圖11 為本論文之系統(tǒng)架構(gòu)之整合。

如圖11 系統(tǒng)架構(gòu)整合圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　心電圖訊號(hào)透過(guò)感測(cè)元件的擷取，再經(jīng)由硬體裝置的訊號(hào)轉(zhuǎn)換，利用USB 介面?zhèn)鬏斢嵦?hào)至電腦PC 上顯示。如圖12 所示為量測(cè)到的心電圖訊號(hào)。

圖 12 心電圖訊號(hào)呈現(xiàn)

　　PQRST 特性說(shuō)明：

　　P 波：心房去極化。QRS 波前會(huì)出現(xiàn)，P-P 心房之速率。

　　PR 區(qū)間：從心房去極化傳到心室去極化。

　　QRS 波：心室的去極化。

　　ST 區(qū)間 (代表時(shí)間)：從QRS 的末端至T 波的開(kāi)始。

　　T 波：心室的再極化。

　　QT 區(qū)間(代表時(shí)間)：從QRS 的開(kāi)始至T 波的結(jié)束。

　　所量測(cè)之心電訊號(hào)能夠在行動(dòng)平臺(tái)上呈現(xiàn)其結(jié)果，如圖13（a）是連接到PC 端接收的軟體執(zhí)行結(jié)果，圖13（b）是連接到嵌入式平臺(tái)上應(yīng)用軟體執(zhí)行結(jié)果。

圖 13 心電訊號(hào)量測(cè)呈現(xiàn)於PC端軟體介面與行動(dòng)平臺(tái)

　　結(jié)論

　　本論文提供使用者一套隨身攜帶的心電圖量測(cè)系統(tǒng)裝置，整合了電極貼片、硬體電路(儀表放大器AD620、可程式系統(tǒng)晶片PSoC)、USB介面?zhèn)鬏敗?strong>嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)(或電腦)等。其主要目的是為了將心電圖量測(cè)之應(yīng)用擴(kuò)展成為可攜式行動(dòng)平臺(tái)(可針對(duì)運(yùn)動(dòng)者實(shí)施心跳的即時(shí)監(jiān)控、針對(duì)老人做即時(shí)之健康照護(hù))，希望對(duì)於使用者之健康狀況能有多一份的保障。