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越講求方便、迅速，從最早接觸的UART(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)、無線技術(shù)(BlueTooth、ZigBee)等無線傳輸。而應(yīng)用的范圍也概括了個人、家庭、日常生活等。
心電圖常被廣泛運用在臨床實驗上，用于量測心臟和肺部疾病的重要診斷工具。目前心電圖量測之資料傳輸介面較常應(yīng)用RS-232 介面來傳輸，其優(yōu)點為：(1)傳輸協(xié)定和傳送封包格式較容易理解。而其缺點為：(1)傳送資料之距離受到限制(2)傳送速度較慢。然而本論文所強調(diào)之重點在于應(yīng)用USB介面?zhèn)鬏攣韨魉托碾娪嵦?，其目的是為了運用USB 隨插即用特性，將使用者所量測到之心電訊號儲存至硬體電路的儲存裝置上，而心電訊號之呈現(xiàn)可透過與嵌入式開發(fā)平臺之連接，配合裝置驅(qū)動程式之掛載，將使用者之心電訊號在平臺的觸碰式螢?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)師來診斷其是否有異?，F(xiàn)象。
研究方法
本論文之系統(tǒng)架構(gòu)由心電訊號感測元件(電極貼片)、心電訊號擷取之硬體電路(前端處理、儲存裝置)、USB 介面?zhèn)鬏攨f(xié)定、系統(tǒng)平臺(裝置驅(qū)動程式掛載)、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至硬體電路之儀表放大器(AD620)做第一級放大，透過可程式系統(tǒng)晶片PSoC 其內(nèi)部的濾波、第二級放大、A/D 轉(zhuǎn)換等將訊號轉(zhuǎn)換成USB 封包格式傳送，經(jīng)由USB 介面?zhèn)魉托碾娪嵦栔量蓴y式行動平臺做訊號之分析與顯示。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、心電訊號感測元件
本系統(tǒng)架構(gòu)主要量測之生理訊號為心電圖(Electrocardiogram，ECG)訊號，透過心電訊號感測元件可量測使用者(User)心臟電位活動之變化并紀(jì)錄，其變化經(jīng)由感測元件轉(zhuǎn)換成研究者可觀測之訊號波形，而後更可依據(jù)波形產(chǎn)生之差異，進(jìn)而得知受測者心臟方面的訊息(例如：心臟疾病)，此接收到的訊號屬於類比訊號。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)方式來量測和紀(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為差動訊號(Differential Signal)，因此我們計算心電訊號的方式為：Lead III – Lead II，其求得的值為我們所需要之差動生理訊號。3 導(dǎo)程量測在靈敏度(接收訊號之難易度)方面較優(yōu)於其它導(dǎo)程量測。本文所強調(diào)之重點在于硬體電路和系統(tǒng)平臺，因此在量測方面較著重於量測之容易和便利性。
二、訊號擷取之硬體電路
可攜性、體積小是近年來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者所熱愛追求的?；兑陨系挠^點，我們所設(shè)計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達(dá)成可攜式USB 傳輸訊號之目標(biāo)。如圖3-1,3-2所示為硬體電路正反面之實體圖。
圖 3-1 硬體電路正面實體圖
圖 3-2 硬體電路反面實體圖
硬體架構(gòu)方面主要可分成四大部分來分析說明，第一部份為：儀表放大器，主要目的是用來做訊號處理的第一級放大，第二部份為：可程式系統(tǒng)晶片PSoC，主要使用之目的是用來做生理訊號處理之訊號濾波、第二級放大、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明
由於前端感測元件(電極貼片)所產(chǎn)生之差動訊號為微弱訊號，其訊號較不易讓研究者做進(jìn)一步分析觀察，因此使用AD620 儀表放大器先針對微弱訊號做約500 倍的增益放大，其輸出訊號進(jìn)而再送至可程式系統(tǒng)晶片PSoC 做訊號處理，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)作生理訊號源正端輸入。使用者右邊胸部與左邊貼片對稱之部位需連接至儀表放大器Pin 2 (-IN)當(dāng)作生理訊號源負(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)動儀表放大IC 晶片，最後輸出訊號透過Pin 6 輸出至下一級做訊號處理。
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，其波形需再透過濾波器濾除雜訊、第二級放大、A/D 轉(zhuǎn)換、資料型態(tài)轉(zhuǎn)換等步驟後，才能將訊號資料送至系統(tǒng)平臺做訊號處理或儲存的動作。
可程式系統(tǒng)晶片(PSoC)所概括的訊號處理有：(1)類比訊號處理(2)數(shù)位訊號處理。在設(shè)計環(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)部做訊號處理和轉(zhuǎn)換。波形先經(jīng)過低通濾波器(Low Pass Filter)將20Hz 以下之雜訊濾除，再通過高通濾波器(HighPass Filter)將180Hz 以上之雜訊濾除，由於會跨過電源頻率60Hz，因此還需要使用陷波器將其雜訊濾除。濾除過後之訊號再透過放大器(PGA)做二級放大。處理過後之波形訊號透過ADCINC(A/D 轉(zhuǎn)換模組)將類比訊號轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號。選用此顆PSoC 晶片主要之目的是為了運用其USB 模組，透過USB 通訊協(xié)定設(shè)定，將心電訊號數(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)平臺或儲存到儲存裝置。如圖6 所示為運用USB 介面?zhèn)鬏斮Y料之示意圖。
圖6 運用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(Descriptor)、字串/語言特性(String/LANGID)和人機介面裝置回報描述符號 (HIDReport Descriptor)，如圖7 所示為USB Setup wizard 設(shè)計介面。
圖 7 USB Setup wizard 設(shè)計介面
USB 的傳輸方式可分為：控制、中斷、等時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 資料傳輸之樹狀結(jié)構(gòu)。在自制板與主機端之間的傳輸中，當(dāng)主機在設(shè)置階層時，是以控制傳輸方式來達(dá)成。當(dāng)主機與裝置在進(jìn)行資料交易時，是以中斷傳輸方式來達(dá)成。
圖 8 USB 資料傳輸之樹狀結(jié)構(gòu)
如圖9 所示，USB 資料傳輸型式是由主機端與裝置端之間相互溝通，當(dāng)裝置(Device)連接主機 (Host)時，主機會先以預(yù)設(shè)位址0 (Addr )和端點0 (EP)向裝置詢問其為何種描述字元、裝置型態(tài)和重新設(shè)定新的傳送位址和端點，往後的資料傳送都依據(jù)新的位址和端點來發(fā)送。確定好位址後，裝置會將其列舉資訊與HID 報告回報給主機端，當(dāng)雙方在傳輸協(xié)定上達(dá)成協(xié)議時，資料才能開始進(jìn)行傳送的動作。
圖 9 裝置連結(jié)主機相互溝通之方塊圖
主機端(PC、系統(tǒng)平臺)傳送訊息至裝置端(自制板)是透過位址3 和端點4 來傳輸和要求資料。裝置端是透過位址3 和端點3 來向主機傳輸和要求資料。我們設(shè)置訊框輪詢時間(Interval)時間為5msec，而所量測的心電訊號經(jīng)由PSoC 轉(zhuǎn)換成USB 封包格式傳送，每次傳送2Bytes 心電訊號資料。心電訊號的取樣率為240(sps)：每一秒取樣240 個取樣點。
三、系統(tǒng)平臺
本文中的系統(tǒng)架構(gòu)是以EDUKIT III Embest ARM開發(fā)平臺為基礎(chǔ)架構(gòu)，再基礎(chǔ)架構(gòu)上整合開發(fā)心電圖訊號量測系統(tǒng)。系統(tǒng)核心為S3C2410X ARM920T，在程式設(shè)計方面以Embedded Linux 來開發(fā)程式。然而如果要將心電圖量測裝置掛載至系統(tǒng)平臺，需要撰寫適合硬體裝置之驅(qū)動程式才得以驅(qū)動運作。嵌入式Linux 下之設(shè)備驅(qū)動程式，是介於作業(yè)系統(tǒng)核心和硬體之間的介面，從應(yīng)用程式層面來看硬體設(shè)備，其就像是一個設(shè)備檔案，應(yīng)用程式如要針對設(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)到讀寫和控制之目的。
圖 10 驅(qū)動程式設(shè)計之流程
如圖10 所示，當(dāng)裝置掛載至系統(tǒng)平臺時，其設(shè)計流程可分為以下幾個步驟：(1)透過Insmod 指令將kernel module 載入到kernel 的address space(2)對裝置做初始化的動作(3)裝置向主機注冊成為裝置節(jié)點(4)應(yīng)用程式可透過驅(qū)動程式所提供的入口點(open、read、write、 close、ioctl)詢問主機是否可讀取資料或裝置是否可寫入資料(5)裝置向主機取消注冊(6)清除裝置(7)透過rmmod 指令卸載核心模組。以上說明為驅(qū)動程式設(shè)計之流程。
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
實驗結(jié)果
心電圖訊號透過感測元件的擷取，再經(jīng)由硬體裝置的訊號轉(zhuǎn)換，利用USB 介面?zhèn)鬏斢嵦栔岭娔XPC 上顯示。如圖12 所示為量測到的心電圖訊號。
圖 12 心電圖訊號呈現(xiàn)
PQRST 特性說明：
P 波：心房去極化。QRS 波前會出現(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 (代表時間)：從QRS 的末端至T 波的開始。
T 波：心室的再極化。
QT 區(qū)間(代表時間)：從QRS 的開始至T 波的結(jié)束。
所量測之心電訊號能夠在行動平臺上呈現(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上應(yīng)用軟體執(zhí)行結(jié)果。
圖 13 心電訊號量測呈現(xiàn)於PC端軟體介面與行動平臺
結(jié)論
本論文提供使用者一套隨身攜帶的心電圖量測系統(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(或電腦)等。其主要目的是為了將心電圖量測之應(yīng)用擴展成為可攜式行動平臺(可針對運動者實施心跳的即時監(jiān)控、針對老人做即時之健康照護(hù))，希望對於使用者之健康狀況能有多一份的保障。
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