基于A(yíng)VR單片機的便攜式無(wú)線(xiàn)醫療點(diǎn)滴監控系統

　　引言

　　智能化和便攜式是現代電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，醫療電子的智能化使得醫務(wù)人員的操作變得更方便。醫務(wù)人員可隨身攜帶手持式監控儀對各病房點(diǎn)滴實(shí)時(shí)監控，及時(shí)了解相關(guān)情況；如遇突發(fā)情況如點(diǎn)滴低于設定警戒值，終端監控裝置可產(chǎn)生中斷信號，主控制端則可優(yōu)先進(jìn)行相應的處理。本設計實(shí)現了一種以AT32UC3A0512［1］單片機為主控制器的便攜式遠程無(wú)線(xiàn)點(diǎn)滴監控系統，可及時(shí)了解點(diǎn)滴狀態(tài)，提高醫療點(diǎn)滴設備安全性。

　　1 系統原理介紹

　　本系統主要包括兩個(gè)部分：手持式控制端和終端監控裝置。手持式控制端主要實(shí)現信息輸入和查詢(xún)界面的操作，通過(guò)輸入待查詢(xún)的病房號及點(diǎn)滴速度值，以數據包形式發(fā)送給相應的病房監控終端，實(shí)時(shí)顯示終端傳送來(lái)的點(diǎn)滴狀態(tài)數據信息。終端監控裝置主要負責點(diǎn)滴狀態(tài)的數據采集和處理（點(diǎn)滴流速與點(diǎn)滴液位等），以及將處理好的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式發(fā)送給主控制端；對于點(diǎn)滴液位低于設定值、病人呼叫等緊急事件，按照中斷模式處理，發(fā)出報警提示，并將事件類(lèi)型以數據包形式發(fā)送至主控制端。系統的結構框圖如圖1所示。

　　圖1 系統結構框圖

　　2 系統硬件設計

　　2.1 控制端部分硬件設計

　　手持式控制端采用Atmel公司的32位RISC處理器AT32UC3A0512為主控制器［1］。它的功耗低，吞吐量高，內部具有512K Flash和64K的SRAM，CPU工作頻率最高可達66 MHz；在3.3 V電壓下，工作電流約40 mA，待機電流則僅為30 μA。內部高度集成的硬件資源可簡(jiǎn)化外圍電路的設計，如內部Flash、USB、ADC、EBI和以太網(wǎng)等外設接口可供設計者使用。

　　2.1.1 觸摸按鍵模塊

　　采用Quantum Research Group公司的電容式觸摸按鍵模塊IC QT1801，［2］具有功耗低，外圍電路簡(jiǎn)單，可同時(shí)支持8個(gè)觸摸按鍵輸入等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)內部濾波整形后，在對應的按鍵口輸出邏輯電平，根據外圍電阻值的不同選擇可以設置IC QT1801的各種模式?！　」ぷ髂Ｊ降脑O置如下：在全模式（Full Option Mode）下，需在引腳SNSx（x=0，1，…，7）接1 MΩ電阻；在精簡(jiǎn)模式下，需在引腳SNS6K和SNS7之間串接一個(gè)1 MΩ電阻。按鍵輸出值模式有2種：Oneperkey和Binary Code。當有按鍵觸摸時(shí)在24引腳（DETECT）產(chǎn)生觸摸中斷信號，高電平有效。其中，CS1~CS5為觸摸按鍵輸入，其接口電路如圖2所示。

　　圖2 觸摸按鍵模塊電路圖

　　2.1.2 LCD顯示模塊

　　顯示部分采用EDT公司的LCD顯示模塊ET024006DHU，該LCD模塊內部集成了圖形控制驅動(dòng)器HX8347A，MCU可通過(guò)兩種接口方式對其內部寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作來(lái)控制LCD的顯示，分別是并行接口模式和SPI接口模式。并行接口模式下可選擇8/16位數據和16/18位RGB數據，串行SPI接口模式下可將8/16位數據和16/18位RGB數據直接寫(xiě)入內部寄存器。

　　2.1.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊nRF24L01［3］

　　無(wú)線(xiàn)通信部分采用單片射頻收發(fā)芯片，其工作頻段為世界通用的ISM頻段（2.4～2.5 GHz），是一款真正的GFSK單收發(fā)芯片。內置鏈路層，具有自動(dòng)應答及自動(dòng)重發(fā)功能，支持地址及CRC檢驗功能。它具有極低的電流消耗，掉電和待機模式下電流消耗更低；數據傳輸速率最高可達2 Mbps，內置標準的SPI接口可與MCU進(jìn)行數據傳輸，速率最高可達8 Mbps；可工作在125個(gè)可選頻道，在接收模式下，可同時(shí)接收工作在同一頻道的6個(gè)數據通道的數據，相互通信的收發(fā)器的數據通道設置為同一個(gè)地址。

　　通過(guò)對nRF24L01內部寄存器的讀/寫(xiě)來(lái)控制其工作狀態(tài)的轉換及數據的收發(fā)，當收發(fā)器數據接收/發(fā)送完成或者出現異常時(shí)，IRQ引腳產(chǎn)生中斷信號，低電平有效，對STATUS寄存器相應位寫(xiě)“1”，清除中斷標志。無(wú)線(xiàn)通信模塊硬件連接如圖3所示。

　　2.2 終端監控裝置硬件設計

　　終端監控裝置采用ATmega128單片機，主要接收控制端發(fā)送的命令數據，并將采集的數據進(jìn)行處理發(fā)送給控制端，完成病人呼叫、液面監測、對點(diǎn)滴速度的檢測與控制，以及聲音報警等功能。

　　2.2.1 點(diǎn)滴速度控制模塊

　　點(diǎn)滴速度控制電路采用專(zhuān)用的步進(jìn)電機控制芯片L297、雙全橋步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片L298。L297內部的PWM斬波器電路在開(kāi)關(guān)模式下可產(chǎn)生PWM波，控制電機繞組中的電流，從而控制電機的精確轉動(dòng)；它產(chǎn)生的4相控制信號可用于控制兩相雙極性和四相單極性步進(jìn)電機。L298內含HBridge高電壓、大電流雙全橋式驅動(dòng)器，4路驅動(dòng)電路可驅動(dòng)46 V、2 A以下的兩相或四相步進(jìn)電機，可實(shí)現步進(jìn)電機的正反轉。通過(guò)精確控制電機的正反轉來(lái)控制點(diǎn)滴裝置的流速夾滾軸的滑動(dòng)，以達到控制點(diǎn)滴滴落速度的目的。硬件連接圖如圖4所示。

　　圖3 無(wú)線(xiàn)模塊硬件圖

　　圖4 點(diǎn)滴速度控制電路圖

　　2.2.2 點(diǎn)滴速度和液位檢測模塊

　　利用紅外對管發(fā)射方法測量點(diǎn)滴速度。點(diǎn)滴檢測電路包括紅外發(fā)射、接收、脈沖整形3部分，硬件原理圖如圖5所示。ST1150是單光速直射式紅外光電傳感器，光縫寬度為1.5 mm，光軸中心為2.5 mm，紅外檢測面積較小。當無(wú)液滴通過(guò)時(shí)，接收管（ST1150內部的三極管）導通，Vin為低電平；當有液滴通過(guò)時(shí)，接收管截止，Vin處產(chǎn)生高電平脈沖，經(jīng)過(guò)斯密特觸發(fā)器整形后在Vout處產(chǎn)生一串規則的方波脈沖，并送至ATmega128進(jìn)行處理。

　　圖5 點(diǎn)滴速度檢測電路

　　液位檢測則采用反射式紅外傳感器，電路檢測原理電路和點(diǎn)滴速度檢測電路類(lèi)似。ST198是采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的反射式光電傳感器，采用非接觸檢測方式，檢測距離為2～10 mm時(shí)可用。當液位低于設定值時(shí)，接收管接收到的是電平信號，經(jīng)過(guò)反相器倒相后送至單片機，觸發(fā)中斷。當紅外對射管為ST1150時(shí)用于點(diǎn)滴速度檢測，為ST198時(shí)用于液位檢測。

　　3 系統軟件結構

　?。?） 數據幀結構

　　定義一個(gè)通信數據幀結構來(lái)管理控制端與設備間的通信，通過(guò)對數據幀的解析，主/從設備可以高效率地完成數據處理。按照通信傳輸的先后順序，數據幀的格式為：命令（1字節）+設備ID（1字節）+事件類(lèi)型（1字節）+數據域長(cháng)度（1字節）+數據域（n字節）+校驗和（2字節）。

　?。?） μC/OSII的移植

　　μC/OSII是一種開(kāi)源、結構可裁剪的可剝奪實(shí)時(shí)內核的RTOS，其大部分代碼都是C語(yǔ)言，可移植性較強，已在多種系列的CPU上進(jìn)行了移植。AVR Studio 5內部集成了Software Framework軟件包，包含Atmel MCU接口驅動(dòng)函數，在A(yíng)VR Studio 5環(huán)境下，移植μC/OSII到AT32UC3A0512 MCU上，需要在Micrium官方移植實(shí)例中進(jìn)行以下修改：

　?、?修改exception.S文件中的內容，修改如下：

　　_handle_Supervisor_Call：

　　lddpcpc，__OSCtxSw

　　__OSCtxSw：。

　　longOSCtxSw

　?、?修改cpu.h內容如下：

　　#define CPU_CRITICAL_ENTER（）

　　{cpu_sr = CPU_SR_Save（）;}

　　#define CPU_CRITICAL_EXIT（）

　　{CPU_SR_Restore（cpu_sr）;}

　　#define CPU_SR_Save（）cpu_irq_save（）

　　#define CPU_SR_Restore（cpu_sr）

　　cpu_irq_restore（cpu_sr）

　　#define CPU_IntDis（）Enable_global_interrupt（）

　　#define CPU_IntEn（）Disable_global_interrupt（）

　　#define CPU_ExceptDis（）Disable_global_exception（）

　　#define CPU_ExceptEn（）Enable_global_exception（）

　　#define CPU_Reset（）Reset_CPU（）

　　圖6 主控制端的軟件結構圖

　?。?） 控制器部分軟件設計

　　在μC/OSII系統下的軟件結構如圖6所示。

　　主控制端主要通過(guò)LCD界面來(lái)完成用戶(hù)的操作，5個(gè)觸摸鍵為界面操作按鍵，數字鍵盤(pán)用軟件實(shí)現。通過(guò)數字鍵盤(pán)輸入要查詢(xún)的病房號，確認后即可查詢(xún)到該病房中點(diǎn)滴的速度、余量等狀態(tài)。

　　界面菜單的切換關(guān)系通過(guò)定義一個(gè)結構體來(lái)實(shí)現，結構體定義為：

　　typedef struct MenuItem{

　　U8 MenuNum;//當層菜單項目數

　　U8 *DispStr; //顯示字符串

　　struct MenuItem *ChildrenMenus;//子菜單節點(diǎn)

　　struct MenuItem *ParentMenus; //父菜單節點(diǎn)

　　} Menu;

　?。?） 終端監控部分軟件設計

　　終端接收到控制端發(fā)來(lái)的命令數據包，解析出命令，實(shí)施相應的處理，并將數據處理后打包發(fā)送給控制端。終端控制部分的軟件流程如圖7所示。

　　圖7 終端主程序

　　結語(yǔ)

　　基于A(yíng)VR32MCU和μC/OSII的嵌入式系統，利用無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現遠程在線(xiàn)監控，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組建增強了系統的可移動(dòng)性。本文提出的一種基于A(yíng)VR32的便攜式點(diǎn)滴監控系統的設計，將醫療點(diǎn)滴監控裝置小型化，近距離范圍內系統穩定。由于資源有限，關(guān)于遠距離控制的網(wǎng)絡(luò )組建還在進(jìn)一步探索。