用S3C2410實現(xiàn)三導(dǎo)聯(lián)遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)

    摘  要  主要介紹一種基于S3C2410平臺的三導(dǎo)聯(lián)遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠不受時間、空間的限制對心臟病患者進行實時監(jiān)護，從而方便患者與醫(yī)護人員隨時進行溝通。經(jīng)過臨床測試受到醫(yī)療界專家和心臟病患者的高度評價。
    關(guān)鍵詞  ARM，S3C2410，心電監(jiān)護，無線傳輸

1  引  言

    隨著人們生活水平的提高、生活節(jié)奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一。而心電圖則是治療此類疾病的主要依據(jù)，具有診斷可靠，方法簡便，對病人無損害的優(yōu)點，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，變得越來越重要。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動，歷時僅為幾s～1 m，只能獲取少量有關(guān)心臟狀態(tài)的信息，所以在有限時間內(nèi)即使發(fā)生心率失常，被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的。因此有必要通過相應(yīng)的監(jiān)護裝置對患者進行長時間的實時監(jiān)護，記錄患者的心電數(shù)據(jù)。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點，患者不可能長時間地靜臥在醫(yī)院，但又需實時得到醫(yī)護人員的監(jiān)護，所以研發(fā)相應(yīng)的便攜式無線心電監(jiān)護產(chǎn)品就顯得更加重要。
    目前雖說國內(nèi)已有成型的無線心電監(jiān)護產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器（PDA或手機）”，這必然導(dǎo)致其價格昂貴，且PDA或手機的其他功能對于絕大部分患者完全沒有必要，所以到目前為止國內(nèi)實用的無線心電監(jiān)護產(chǎn)品領(lǐng)域還是空白。本文所述的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)是在醫(yī)院的提案基礎(chǔ)之上，進行充分調(diào)研之后設(shè)計的總體方案，主要實現(xiàn)如下功能：

• 三導(dǎo)聯(lián)心電信號采集；
• 無線傳輸緊急情況下40 s的心電數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果；
• 24小時心電圖連續(xù)記錄；
• 通過高速USB上傳心電數(shù)據(jù)至PC機；
• 緊急呼叫。

2  系統(tǒng)總體設(shè)計

    作為便攜式手持遠程移動終端，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮其體積小，功耗低，存儲容量大和處理速度高的要求，因此在CPU的選擇上十分慎重。經(jīng)過資料收集和反復(fù)比較，最終選擇了Samsung公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410處理器，該處理器資料豐富，性價比高。
    采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點：

• 體積小，功耗低，成本低，性能高；
• 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集；
• 大量使用寄存器，使指令執(zhí)行速度更快；
• 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；
• 指令長度固定。

    可以看出基于ARM的嵌入式處理器是便攜式手持終端的最佳選擇，所以在設(shè)計系統(tǒng)方案時首先定位在該系列處理器上。S3C2410處理器基于ARM920T處理器核，采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，最高運行頻率為203 MHz。該處理器具有：獨立的16  KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU、支持TFT的LCD控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路帶PWM的Timer、豐富的I/O口、8路10位ADC、Touch Screen接口、IICBUS接口，以及2個USB主機和1個USB設(shè)備等豐富的外圍設(shè)備。
    S3C2410提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備，且使整個系統(tǒng)的功耗最低，從而免去了添加、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線路板的面積，這也正是本系統(tǒng)選擇該處理器的重要原因。
    系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以S3C2410為核心，外擴了8 MB的NOR FLASH、64 MB的NAND FLASH以及16 MB的SDRAM等存儲芯片，通過GPIO口擴展了鍵盤、LCD和蜂鳴器等人機接口單元，對外提供USB和UART等通信接口，同時連接了Siemens公司的MC35模塊，以實現(xiàn)無線傳輸和緊急呼叫功能。從系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)來看，可將系統(tǒng)劃分為5個模塊：電源模塊、心電數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、圖形用戶界面模塊、數(shù)據(jù)存儲管理模塊。

圖1  系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1  電源模塊
    系統(tǒng)采用單節(jié)1700 mAh鋰離子可充電電池供電，但隨著電量的釋放，電壓也在不斷降低，變化范圍為4.2~2.75 V。而本系統(tǒng)中分別需要一個4.3 V的MC35工作電壓、一個3.3 V的I/O電壓、一個1.8 V的CPU核電壓和一個1.8 V的CPU職守電壓。為了滿足系統(tǒng)的要求，電源電路中必須同時具備升壓穩(wěn)壓器和低壓差線性穩(wěn)壓器。為了解決該問題系統(tǒng)采用1個開關(guān)型升壓DCDC穩(wěn)壓器、1個3.3 V極低壓差線性穩(wěn)壓器和2個帶有Shutdown引腳的1.8 V低壓差線性穩(wěn)壓器來組成供電系統(tǒng)，供電方案如圖2所示。

圖2  電源模塊方案

2.2  心電數(shù)據(jù)采集
    由于心電圖信號的檢測是屬于強噪聲背景下的超低頻（0.5～100 Hz）微弱（0.1～5 mV）信號檢測，具有微弱性、穩(wěn)定性、低頻特性和隨機性等特點，故要求前置級應(yīng)滿足高輸入阻抗、高共模抑制比（CMRR）、低噪聲、低漂移和高安全性。微弱的心電信號受到來自人體內(nèi)外的多種干擾，其特征被淹沒在復(fù)雜的信號之中，為了使其特征突出，就有必要對其進行預(yù)處理。系統(tǒng)采用的心電信號采集原理如圖3所示。其中前置級采用差動放大電路，其放大倍數(shù)為22.4倍；后級放大電路的放大倍數(shù)為37倍，則總放大倍數(shù)為828.8倍。

圖3  心電信號采集原理

    由于心電信號為低頻信號，因此在模擬電路上，設(shè)計截止頻率為100 Hz的一階低通濾波器來濾除高頻干擾，采用二階VCVS帶阻濾波器來濾除50 Hz工頻干擾。在數(shù)字處理上，為了抑制對心電信號影響較大的工頻干擾和基線漂移，采用2 048點FFT對輸入的一幀心電數(shù)據(jù)進行時域—頻域的變換，然后去除0.5 Hz以下的低頻和50 Hz的工頻；同時為了抑制高頻噪聲和50 Hz倍頻造成的干擾，又濾除了100 Hz以上的頻率，然后再進行IFFT將此組數(shù)據(jù)變換回時域。
2.3  數(shù)據(jù)無線傳輸模塊
    本系統(tǒng)為遠程移動終端，涉及數(shù)據(jù)的無線傳輸，為實現(xiàn)此功能采用了Siemens公司的MC35模塊，并移植了TCPIP協(xié)議棧和PPP協(xié)議，以完成心電數(shù)據(jù)的發(fā)送和診斷結(jié)果的接收。MC35是Siemens公司推出的第一款支持GPRS的GSM/GPRS模塊，它體積小,易于集成到便攜式手持終端中，支持VOICE、DATA、FAX以及SMS等業(yè)務(wù)。處理器S3C2410通過異步串行通信接口與MC35相連，并通過AT命令對該模塊進行控制和數(shù)據(jù)傳輸。
    在發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先，應(yīng)用層將采集到的心電數(shù)據(jù)提交給TCPIP協(xié)議棧；然后，TCPIP協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將該心電數(shù)據(jù)封裝成完整的IP數(shù)據(jù)報，再提交至PPP層；最后，該IP數(shù)據(jù)報經(jīng)PPP層封裝之后，通過串口逐字節(jié)地提交至MC35并發(fā)送。在接收數(shù)據(jù)時，MC35首先將接收的數(shù)據(jù)逐字節(jié)地提交至PPP層；經(jīng)PPP層將分散的各字節(jié)重組成一幀完整的IP數(shù)據(jù)報之后，再提交至TCPIP層進行詳細(xì)的處理，具體流程如圖4所示。
    在開機初始化時要完成MC35的啟動并登錄移動夢網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，建立與服務(wù)提供商的連接。一般在發(fā)送指令之前先要發(fā)送一條測試指令，以檢測MC35的當(dāng)前狀態(tài)，該指令的格式為“AT ”；在入網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及流量控制等參數(shù)通過AT指令設(shè)置完成之后，便可通過服務(wù)編碼99開始呼叫與服務(wù)提供商建立連接，指令格式為ATDT*99***1# 。若在該指令執(zhí)行之后給定的時間內(nèi)返回CONNECT信息，則表明與服務(wù)提供商的連接建立成功；否則，表明撥號失敗，無線傳輸功能無法正常啟動。MC35成功登錄移動夢網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之后，將自動從命令模式切換到數(shù)據(jù)通信模式，且串口通信方式由原來的查詢式變?yōu)橹袛喾绞?。此時由系統(tǒng)主動發(fā)送一幀PPP請求信息，服務(wù)提供商接到該請求信息后主動發(fā)出詢問幀，協(xié)商相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。待服務(wù)參數(shù)及用戶身份驗證成功之后，服務(wù)提供商為系統(tǒng)分配一獨立IP，至此便可認(rèn)為GPRS成功上線。

圖4  GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸流程

    GPRS成功上線后可以認(rèn)為MC35主要處在兩種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，MC35的峰值電流可達400 mA；在空閑狀態(tài)一般為15 mA。另外，在空閑狀態(tài)MC35還支持多種休眠模式?？紤]到系統(tǒng)的功耗問題，啟用了MC35的休眠功能。系統(tǒng)采用了MC35的休眠模式七。在該休眠模式下，電流一般為3 mA左右；MC35無論從串口還是從服務(wù)提供商接收到數(shù)據(jù)，都會立刻將MC35設(shè)置為正常模式，待數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后自動進入休眠模式。該休眠模式的設(shè)置可以通過指令“AT+CFUN=7 ”來完成，且該指令必須在GPRS上線之后執(zhí)行。這樣在空閑狀態(tài)下即可自動將MC35設(shè)置為休眠模式，將電流值從15 mA降到3 mA。在休眠指令執(zhí)行前涉及MC35的狀態(tài)切換，因為在執(zhí)行該指令前MC35處在數(shù)據(jù)通信模式，所以要通過指令“+++”將其切換到命令模式之后再執(zhí)行該休眠指令。在休眠指令執(zhí)行之后還需通過指令“ATO ”將MC35切換到數(shù)據(jù)通信模式；否則MC35會把將要發(fā)送的數(shù)據(jù)也當(dāng)作指令來處理。
2.4  圖形用戶界面
    系統(tǒng)采用深圳蓬遠公司生產(chǎn)的低功耗、128×64點陣液晶模塊MOBI2006來圖形化顯示系統(tǒng)信息。MOBI2006支持并行和串行兩種數(shù)據(jù)通信方式，工作電壓為3.3 V。在本系統(tǒng)應(yīng)用中，使用S3C2410的I/O口模擬LCD的控制時序來實現(xiàn)對液晶的控制。
    在具體實現(xiàn)相關(guān)信息的顯示時采用了Framebuffer技術(shù)。首先預(yù)分配一塊緩沖區(qū)并聲明為二維數(shù)組，數(shù)組的一維長度和二維長度分別與液晶的寬和高相對應(yīng)，這樣數(shù)組的每個元素都代表液晶中的一個點。在系統(tǒng)運行中若要刷新液晶顯示，則首先要更新Framebuffer緩沖區(qū)，再從Framebuffer更新液晶顯示。MOBI2006列向基于點尋址；橫向基于頁尋址，每一頁由8個點組成?；谝壕У奶攸c，如果不采用Framebuffer技術(shù)，刷新屏幕中的一小塊，則會導(dǎo)致整個屏幕的變動，給上層應(yīng)用的開發(fā)帶來很大困難。因此，雖說采用Framebuffer技術(shù)將占用一部分內(nèi)存和刷新時間，但會為后續(xù)的開發(fā)帶來很大方便：在上層具體應(yīng)用中不再受頁尋址的限制，在上層開發(fā)者看來列向、橫向均為點尋址，可以方便靈活地操縱液晶。另外，為了保證Framebuffer與液晶的同步，采用基于事件的方法刷新液晶屏并且是局部刷新，這樣既節(jié)省了液晶的刷新時間又減小了屏幕的抖動。
    例如，應(yīng)用層要顯示一張圖片，只須給出圖片的顯示位置，即對應(yīng)于二維數(shù)組的行列值、圖片的寬和高，以及相應(yīng)的點陣數(shù)據(jù)。首先將圖片的點陣數(shù)據(jù)刷新到Framebuffer緩沖區(qū)，然后再根據(jù)顯示位置確定液晶的刷新區(qū)域，其中緩沖的列值對應(yīng)于液晶的列值，而行值要轉(zhuǎn)換為液晶的頁面值，可通過如下公式轉(zhuǎn)換：
    Page_start=row/8
    Page_end=(row+high-1)/8
    其中：Page_start和Page_end分別對應(yīng)于液晶的起始、終止頁面值；row對應(yīng)于圖片顯示位置的橫坐標(biāo)；high對應(yīng)于圖片的高度。計算出相應(yīng)的頁面值之后便可通過如下過程刷新液晶的指定區(qū)域，完成預(yù)期圖片的顯示。 
    for(page=p_s;page<=p_e;page++) 
    {
        fc=column;
          for(lc=l_c_b;lc>l_c_e;lc--) //2
          {
              GUI_Lcd_SetALL((u8_t)page,(u8_t)lc);
              for(f_bit=7;f_bit>=0;f_bit--)
              {
                    if(!(Frame_Buffer[page*LCD_PAGE+f_bit][fc]))
                          GUI_Lcd_SendData(0);
                    else
                          GUI_Lcd_SendData(1);
              }
              Delay(10);
              fc++;
          }
     }
2.5  數(shù)據(jù)存儲管理
    在S3C2410 的BANK0中擴展了1片4M×16位的NOR FLASH；在BANK6中擴展了一片8M×16位的SDRAM，并且利用S3C2410的NAND FLASH控制器擴展了一片64M×8位的NAND FLASH。NOR FLASH主要用來存儲程序代碼；NAND FLASH主要用來存儲采集的心電數(shù)據(jù)以及部分程序代碼。S3C2410支持從NOR和NAND兩種方式啟動，可以通過配置S3C2410的OM[1:0]來選擇CPU的啟動方式。
    系統(tǒng)可以實現(xiàn)全天24小時無間斷心電數(shù)據(jù)采集，這樣必將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。為了將大量心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機中供醫(yī)護人員分析、診斷，系統(tǒng)采用了通用的USB端口。S3C2410內(nèi)部集成了USB Device控制器，因此只須設(shè)計簡單的外圍電路，即可實現(xiàn)此功能。該USB Device控制器完全兼容USB1.1協(xié)議規(guī)范，集成了USB傳輸器，支持控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸；5個具有FIFO的端點，為批量傳輸?shù)亩它c提供DMA接口并且支持掛起和遠程喚醒功能。

3  結(jié)束語

    本系統(tǒng)具有很強的實用性，可以對心臟病患者進行實時監(jiān)護。由于本系統(tǒng)具有無線傳輸功能，因而患者可以不受時間和空間的限制使用本系統(tǒng)，無論在家中還是在野外都能對心臟進行實時監(jiān)護。系統(tǒng)的24小時無間斷心電圖記錄功能，足以捕捉突發(fā)性的異常心電數(shù)據(jù)，為醫(yī)護人員提供有力的診斷依據(jù)。本系統(tǒng)研制成功后受到醫(yī)療界專家的高度評價，在臨床測試過程中也受到患者和醫(yī)護人員的一致好評。