基于S3C2410的三導聯(lián)遠程心電監護

1 引 言

隨著(zhù)人們生活水平的提高、生活節奏的加快，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升，已成為威脅人類(lèi)身體健康的主要因素之一。而心電圖則是治療此類(lèi)疾病的主要依據，具有診斷可靠，方法簡(jiǎn)便，對病人無(wú)損害的優(yōu)點(diǎn)，在現代醫學(xué)中，變得越來(lái)越重要。常規心電圖是病人在靜臥情況下由心電圖儀記錄的心電活動(dòng)，歷時(shí)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(shí)間內即使發(fā)生心率失常，被發(fā)現的概率也是很低的。因此有必要通過(guò)相應的監護裝置對患者進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監護，記錄患者的心電數據。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點(diǎn)，患者不可能長(cháng)時(shí)間地靜臥在醫院，但又需實(shí)時(shí)得到醫護人員的監護，所以研發(fā)相應的便攜式無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品就顯得更加重要。

目前雖說(shuō)國內已有成型的無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器（PDA或手機）”，這必然導致其價(jià)格昂貴，且PDA或手機的其他功能對于絕大部分患者完全沒(méi)有必要，所以到目前為止國內實(shí)用的無(wú)線(xiàn)心電監護產(chǎn)品領(lǐng)域還是空白。本文所述的遠程心電監護系統是在醫院的提案基礎之上，進(jìn)行充分調研之后設計的總體方案，主要實(shí)現如下功能：

三導聯(lián)心電信號采集；

無(wú)線(xiàn)傳輸緊急情況下40 s的心電數據及診斷結果；
24小時(shí)心電圖連續記錄；
通過(guò)高速USB上傳心電數據至PC機；
緊急呼叫。

2 系統總體設計

作為便攜式手持遠程移動(dòng)終端，在設計時(shí)應充分考慮其體積小，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(guò)資料收集和反復比較，最終選擇了Samsung公司推出的基于A(yíng)RM920T內核的S3C2410處理器，該處理器資料豐富，性?xún)r(jià)比高。

采用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：

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，使指令執行速度更快；
尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執行效率高；
指令長(cháng)度固定。

可以看出基于A(yíng)RM的嵌入式處理器是便攜式手持終端的最佳選擇，所以在設計系統方案時(shí)首先定位在該系列處理器上。S3C2410處理器基于A(yíng)RM920T 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(xiàn)和哈佛結構，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數據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(gè)USB主機和1個(gè)USB設備等豐富的外圍設備。

S3C2410提供了一套較完整的通用外圍設備，且使整個(gè)系統的功耗最低，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(xiàn)路板的面積，這也正是本系統選擇該處理器的重要原因。

系統的整體結構如圖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(guò)GPIO口擴展了鍵盤(pán)、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(shí)連接了Siemens 公司的MC35模塊，以實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸和緊急呼叫功能。從系統的總體功能結構來(lái)看，可將系統劃分為5個(gè)模塊：電源模塊、心電數據采集模塊、數據無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、圖形用戶(hù)界面模塊、數據存儲管理模塊。

圖1 系統總體結構

2.1 電源模塊原文位置

系統采用單節1700 mAh鋰離子可充電電池供電，但隨著(zhù)電量的釋放，電壓也在不斷降低，變化范圍為4.2~2.75 V。而本系統中分別需要一個(gè)4.3 V的MC35工作電壓、一個(gè)3.3 V的I/O電壓、一個(gè)1.8 V的CPU核電壓和一個(gè)1.8 V的CPU職守電壓。為了滿(mǎn)足系統的要求，電源電路中必須同時(shí)具備升壓穩壓器和低壓差線(xiàn)性穩壓器。為了解決該問(wèn)題系統采用1個(gè)開(kāi)關(guān)型升壓DCDC穩壓器、 1個(gè)3.3 V極低壓差線(xiàn)性穩壓器和2個(gè)帶有Shutdown引腳的1.8 V低壓差線(xiàn)性穩壓器來(lái)組成供電系統，供電方案如圖2所示。

圖2 電源模塊方案

2.2 心電數據采集原文位置

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、穩定性、低頻特性和隨機性等特點(diǎn)，故要求前置級應滿(mǎn)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(lái)自人體內外的多種干擾，其特征被淹沒(méi)在復雜的信號之中，為了使其特征突出，就有必要對其進(jìn)行預處理。系統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(dòng)放大電路，其放大倍數為22.4倍；后級放大電路的放大倍數為37倍，則總放大倍數為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，設計截止頻率為100 Hz的一階低通濾波器來(lái)濾除高頻干擾，采用二階VCVS帶阻濾波器來(lái)濾除50 Hz工頻干擾。在數字處理上，為了抑制對心電信號影響較大的工頻干擾和基線(xiàn)漂移，采用2 048點(diǎn)FFT對輸入的一幀心電數據進(jìn)行時(shí)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(shí)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(jìn)行IFFT將此組數據變換回時(shí)域。

2.3 數據無(wú)線(xiàn)傳輸模塊原文位置

本系統為遠程移動(dòng)終端，涉及數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，為實(shí)現此功能采用了Siemens公司的MC35模塊，并移植了TCPIP協(xié)議棧和PPP協(xié)議，以完成心電數據的發(fā)送和診斷結果的接收。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(guò)異步串行通信接口與MC35相連，并通過(guò)AT命令對該模塊進(jìn)行控制和數據傳輸。

在發(fā)送數據時(shí)，首先，應用層將采集到的心電數據提交給TCPIP協(xié)議棧；然后，TCPIP協(xié)議棧根據目的地址和端口將該心電數據封裝成完整的IP數據報，再提交至PPP層；最后，該IP數據報經(jīng)PPP層封裝之后，通過(guò)串口逐字節地提交至MC35并發(fā)送。在接收數據時(shí)，MC35首先將接收的數據逐字節地提交至PPP層；經(jīng)PPP層將分散的各字節重組成一幀完整的IP數據報之后，再提交至TCPIP層進(jìn)行詳細的處理，具體流程如圖4所示。

圖4 GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸流程

在開(kāi)機初始化時(shí)要完成MC35的啟動(dòng)并登錄移動(dòng)夢(mèng)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的當前狀態(tài)，該指令的格式為“ATr”；在入網(wǎng)網(wǎng)關(guān)及流量控制等參數通過(guò)AT指令設置完成之后，便可通過(guò)服務(wù)編碼99開(kāi)始呼叫與服務(wù)提供商建立連接，指令格式為 ATDT*99***1#rn。若在該指令執行之后給定的時(shí)間內返回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(wú)線(xiàn)傳輸功能無(wú)法正常啟動(dòng)。MC35成功登錄移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之后，將自動(dòng)從命令模式切換到數據通信模式，且串口通信方式由原來(lái)的查詢(xún)式變?yōu)橹袛喾绞?。此時(shí)由系統主動(dòng)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(dòng)發(fā)出詢(xún)問(wèn)幀，協(xié)商相關(guān)參數的設置。待服務(wù)參數及用戶(hù)身份驗證成功之后，服務(wù)提供商為系統分配一獨立IP，至此便可認為GPRS成功上線(xiàn)。

GPRS成功上線(xiàn)后可以認為MC35主要處在兩種工作狀態(tài)：數據傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。在數據傳輸狀態(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]到系統的功耗問(wèn)題，啟用了MC35的休眠功能。系統采用了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(wú)論從串口還是從服務(wù)提供商接收到數據，都會(huì )立刻將MC35設置為正常模式，待數據傳輸結束之后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。該休眠模式的設置可以通過(guò)指令“AT+CFUN=7rn”來(lái)完成，且該指令必須在GPRS上線(xiàn)之后執行。這樣在空閑狀態(tài)下即可自動(dòng)將MC35設置為休眠模式，將電流值從15 mA降到3 mA。在休眠指令執行前涉及MC35的狀態(tài)切換，因為在執行該指令前MC35處在數據通信模式，所以要通過(guò)指令“+++”將其切換到命令模式之后再執行該休眠指令。在休眠指令執行之后還需通過(guò)指令“ATOr”將MC35切換到數據通信模式；否則MC35會(huì )把將要發(fā)送的數據也當作指令來(lái)處理。

2.4 圖形用戶(hù)界面原文位置

系統采用深圳蓬遠公司生產(chǎn)的低功耗、128×64點(diǎn)陣液晶模塊MOBI2006來(lái)圖形化顯示系統信息。MOBI2006支持并行和串行兩種數據通信方式，工作電壓為3.3 V。在本系統應用中，使用S3C2410的I/O口模擬LCD的控制時(shí)序來(lái)實(shí)現對液晶的控制。

在具體實(shí)現相關(guān)信息的顯示時(shí)采用了Framebuffer技術(shù)。首先預分配一塊緩沖區并聲明為二維數組，數組的一維長(cháng)度和二維長(cháng)度分別與液晶的寬和高相對應，這樣數組的每個(gè)元素都代表液晶中的一個(gè)點(diǎn)。在系統運行中若要刷新液晶顯示，則首先要更新Framebuffer緩沖區，再從Framebuffer更新液晶顯示。MOBI2006列向基于點(diǎn)尋址；橫向基于頁(yè)尋址，每一頁(yè)由8個(gè)點(diǎn)組成?；谝壕У奶攸c(diǎn)，如果不采用Framebuffer技術(shù)，刷新屏幕中的一小塊，則會(huì )導致整個(gè)屏幕的變動(dòng)，給上層應用的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大困難。因此，雖說(shuō)采用Framebuffer技術(shù)將占用一部分內存和刷新時(shí)間，但會(huì )為后續的開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大方便：在上層具體應用中不再受頁(yè)尋址的限制，在上層開(kāi)發(fā)者看來(lái)列向、橫向均為點(diǎn)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，這樣既節省了液晶的刷新時(shí)間又減小了屏幕的抖動(dòng)。

例如，應用層要顯示一張圖片，只須給出圖片的顯示位置，即對應于二維數組的行列值、圖片的寬和高，以及相應的點(diǎn)陣數據。首先將圖片的點(diǎn)陣數據刷新到 Framebuffer緩沖區，然后再根據顯示位置確定液晶的刷新區域，其中緩沖的列值對應于液晶的列值，而行值要轉換為液晶的頁(yè)面值，可通過(guò)如下公式轉換：
Page_end=(row+high-1)/8

其中：Page_start和Page_end分別對應于液晶的起始、終止頁(yè)面值；row對應于圖片顯示位置的橫坐標；high對應于圖片的高度。計算出相應的頁(yè)面值之后便可通過(guò)如下過(guò)程刷新液晶的指定區域，完成預期圖片的顯示。

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 數據存儲管理原文位置

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(lái)存儲程序代碼；NAND FLASH主要用來(lái)存儲采集的心電數據以及部分程序代碼。S3C2410支持從NOR和NAND兩種方式啟動(dòng)，可以通過(guò)配置S3C2410的 OM[1:0]來(lái)選擇CPU的啟動(dòng)方式。

系統可以實(shí)現全天24小時(shí)無(wú)間斷心電數據采集，這樣必將產(chǎn)生大量數據。為了將大量心電數據傳輸到PC機中供醫護人員分析、診斷，系統采用了通用的USB端口。S3C2410內部集成了USB Device控制器，因此只須設計簡(jiǎn)單的外圍電路，即可實(shí)現此功能。該USB Device控制器完全兼容USB1.1協(xié)議規范，集成了USB傳輸器，支持控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸；5個(gè)具有FIFO的端點(diǎn)，為批量傳輸的端點(diǎn)提供DMA接口并且支持掛起和遠程喚醒功能。

3 結束語(yǔ)

本系統具有很強的實(shí)用性，可以對心臟病患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監護。由于本系統具有無(wú)線(xiàn)傳輸功能，因而患者可以不受時(shí)間和空間的限制使用本系統，無(wú)論在家中還是在野外都能對心臟進(jìn)行實(shí)時(shí)監護。系統的24小時(shí)無(wú)間斷心電圖記錄功能，足以捕捉突發(fā)性的異常心電數據，為醫護人員提供有力的診斷依據。本系統研制成功后受到醫療界專(zhuān)家的高度評價(jià)，在臨床測試過(guò)程中也受到患者和醫護人員的一致好評。