WPAN脈搏血氧飽和度檢測儀設計

1 系統的組成及功能

基于WPAN的脈搏血氧飽和度檢測儀的系統結構如圖1所示。

檢測儀移動(dòng)采集終端的功能:檢測人體的血氧飽和度、脈搏和脈搏強度,并通過(guò)WPAN通信模塊將數據傳送給檢測系統主站。檢測儀移動(dòng)采集終端分為檢測探頭、血氧飽和度監測模塊、電源和WPAN通信模塊等部分。檢 測探頭和血氧飽和度檢測模塊為外購的OEM模塊,是美國B(niǎo)CI公司的產(chǎn)品,它利用光電法和比爾定理,從而實(shí)現無(wú)創(chuàng )檢測。檢測儀移動(dòng)采集終端還支持一種獨立工作方式,這種工作方式適合于連續非實(shí)時(shí)工作的情況。

檢測儀主站的功能:通過(guò)WPAN接口接收并存儲檢測儀移動(dòng)采集終端發(fā)出的信息;按操作者的指令在顯示屏上顯示移動(dòng)終端傳來(lái)的實(shí)時(shí)信息或歷史數據;當檢測參數超出門(mén)限值時(shí)發(fā)出報警信號;可根據需要通過(guò)快速以太網(wǎng)接口與后臺的支持管理系統通信,以完成更復雜的管理功能。一個(gè)檢測儀主站可連接多個(gè)檢測儀移動(dòng)采集終端,不僅增加了使用的方便性,而且提高了主站的利用率并降低了系統的使用成本。除檢測探頭和血氧飽和度檢測模塊外,系統其余部分全部為自行設計,下面分別予以介紹。

2 檢測儀移動(dòng)采集終端的設計與實(shí)現

檢測儀移動(dòng)采集終端WPAN通信模塊的功能:經(jīng)WPAN通信模塊接收檢測儀主站的命令,對命令解析后通過(guò)RS2232接口向血氧飽和度檢測模塊發(fā)出控制命令;接收血氧飽和度監測模塊的采集數據和反饋控制信息,經(jīng)預處理和打包后經(jīng)WPAN通信模塊發(fā)送給檢測儀主站。

2.1　檢測儀移動(dòng)采集終端通信模塊硬件設計

檢測儀移動(dòng)采集終端WPAN通信模塊的硬件組成如圖2所示。

(1)MCU部分功能和實(shí)現

MCU部分是WPAN通信模塊的核心,完成通信模塊各組成部分的控制、協(xié)調和數據的加工。具體功能:通過(guò)RS232接口與血氧飽和度檢測模塊通信,實(shí)現對它的控制和配置,并接收檢測數據;通過(guò)SPI接口和狀態(tài)指示接口實(shí)現對RF收發(fā)器的配置和檢測,并完成發(fā)射和接收的數據交換;通過(guò)USART接口與數據存儲器連接,完成數據存儲器的讀寫(xiě)操作;通過(guò)電源檢測和狀態(tài)指示部分,監測電源電壓情況,并能通過(guò)狀態(tài)指示產(chǎn)生報警提示。

(2)RF收發(fā)器的功能和實(shí)現

RF收發(fā)器的功能是實(shí)現要傳輸數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)。具體功能包括:通過(guò)SPI接口完成與MCU部分的數據交換,數據內容包括要傳輸的數據和來(lái)自MCU部分的控制和配置信息;根據來(lái)自MCU的控制和配置信息調整相關(guān)的RF參數;通過(guò)狀態(tài)和指示接口將傳輸狀態(tài)反饋給MCU;通過(guò)天線(xiàn)完成數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送和接收;完成WPAN的物理層功能,實(shí)現物理層的協(xié)議處理。該部分采用Chipcon公司CC2420實(shí)現。

(3)數據存儲器的功能和實(shí)現

數據存儲器的功能是緩沖血氧飽和度檢測模塊的采集數據。數據的緩沖主要應用在無(wú)線(xiàn)連接不可靠的情況。數據存儲器在無(wú)線(xiàn)連接不通暢、無(wú)法完成采集數據的及時(shí)傳送時(shí)緩沖積聚的數據,以便在數據通路恢復時(shí)傳送這些數據;數據存儲器的另一個(gè)功能是在移動(dòng)采集終端離線(xiàn)使用時(shí)存儲采集數據,這適合對監測對象的長(cháng)期非實(shí)時(shí)的狀態(tài)跟蹤。

數據存儲器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041實(shí)現。當移動(dòng)采集終端工作在離線(xiàn)狀態(tài)時(shí),采集數據存儲在該存儲器中,數據存儲可持續時(shí)間大于48h,如采用壓縮技術(shù)存儲數據,數據存儲持續時(shí)間大于168h。

2.2檢測儀移動(dòng)采集終端的軟件實(shí)現

檢測儀移動(dòng)終端的軟件是基于Webit510操作系統開(kāi)發(fā)的。Webit510具有如下特點(diǎn):面向8/16位低成本微控制器;完全搶占式事件驅動(dòng)的固定優(yōu)先級調度程序;支持256個(gè)優(yōu)先級,相同優(yōu)先級任務(wù)遵循FIFO調度策略;采用信號量機制實(shí)現同步或互斥共享;定時(shí)器管理支持一次性和周期性定時(shí);精簡(jiǎn)、高效的動(dòng)態(tài)內存管理策略;流設備管理;支持多級目錄的文件系統;內置TCP/IP協(xié)議棧;支持運行任務(wù)的單步調試。

檢測儀移動(dòng)終端的軟件的結構如圖3所示。

3 檢測儀主站的設計與實(shí)現

檢測儀主站的主要功能:經(jīng)WPAN接口與移動(dòng)采集終端通信,實(shí)現對移動(dòng)采集終端的控制,并接受來(lái)自移動(dòng)采集終端的采集數據;通過(guò)顯示器模塊以字符或圖形方式顯示采集的歷史數據或實(shí)時(shí)數據;通過(guò)觸摸屏以菜單形式完成控制或查詢(xún)命令的輸入;按用戶(hù)要求實(shí)現對歷史數據的管理和挖掘,存儲采集的歷史數據并具備歷史數據的自動(dòng)清除和鎖定功能;具備快速以太網(wǎng)接口,通過(guò)該接口可實(shí)現與后臺管理系統的連接。

3.1 檢測儀主站的硬件設計

檢測儀主站的硬件結構如圖4所示。下面分別介紹各主要部分的組成及其功能。

(1)CPU部分的功能和實(shí)現

CPU部分完成主站各組成部分的控制、協(xié)調和數據的加工。具體功能:通過(guò)系統總線(xiàn)與存儲器相連,完成相關(guān)數據的加工、處理和存儲;通過(guò)LCD接口與彩色液晶顯示器相連,實(shí)現信息的顯示,以實(shí)現人機交互;通過(guò)觸摸屏接口與觸摸屏相連,實(shí)現控制命令的輸入;通過(guò)總線(xiàn)接口與以太網(wǎng)控制器相連,可將檢測儀接入后臺支持網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現系統信息的集中化管理和與后臺管理系統的融合;通過(guò)SPI接口和狀態(tài)指示接口實(shí)現對RF收發(fā)器的配置和檢測,并完成發(fā)射和接收的數據交換,實(shí)現與檢測儀移動(dòng)終端的通信;通過(guò)電源和外圍電路,實(shí)現對系統的供電。

(2)檢測儀主站存儲器的功能和實(shí)現

存儲器的功能是存儲系統程序和應用程序,存儲移動(dòng)采集終端采集的歷史數據并提供程序運行的存儲器空間。

(3)快速以太網(wǎng)接口的功能和實(shí)現

為實(shí)現與后臺管理系統的協(xié)作,檢測儀主站提供一個(gè)快速以太網(wǎng)接口。通過(guò)該接口,可方便主站與醫院的病歷管理系統、計費系統、或其他應用單位的后臺業(yè)務(wù)支持系統的連接。

(4)人機交互界面的設計

一些專(zhuān)家指出:對于用戶(hù),人機界面就是系統本身。因此人機界面在系統中占有重要地位。本系統中,人機界面的硬件部分由彩屏LCD顯示器和觸摸屏組成,觸摸屏用于輸入各種控制/查詢(xún)命令和各種初始數據,LCD顯示器用于返回各種命令的操作結果和顯示各種監測數據或監測曲線(xiàn)。顯示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02[10]實(shí)現,該屏為具有配套觸摸屏的彩色LCD。

(5)WPAN接口

WPAN接口實(shí)現檢測儀移動(dòng)終端與檢測儀主站的通信,與檢測儀移動(dòng)終端的RF收發(fā)器部分基本相同。

3.2 檢測儀主站的軟件實(shí)現

檢測儀主站的軟件是基于A(yíng)RMLinux開(kāi)發(fā)的。自20世紀80年代末以來(lái),陸續出現了一些嵌入式操作系統,但其高昂的價(jià)格令人望而卻步,且源代碼的封閉性也大大限制了開(kāi)發(fā)者的積極性。因此,結合國內外具體情況,選擇了ARMLinux操作系統作為開(kāi)發(fā)平臺。檢測儀主站的軟件結構如圖5所示。

ARMLinux內核主要由5個(gè)子系統組成:進(jìn)程調度、內存管理、虛擬文件系統、網(wǎng)絡(luò )接口和進(jìn)程間通信。進(jìn)程調度控制進(jìn)程對CPU的訪(fǎng)問(wèn);內存管理允許多個(gè)進(jìn)程安全共享主內存區域;虛擬文件系統隱藏了各種硬件的具體細節,為所有的設備提供了統一的接口;網(wǎng)絡(luò )接口提供了對各種網(wǎng)絡(luò )標準的存取和各種網(wǎng)絡(luò )硬件的支持;進(jìn)程間通訊(IPC)支持進(jìn)程間各種通信機制。

顯示處理模塊和觸摸屏處理模塊共同完成人機交互。顯示處理模塊完成采集數據的圖形或字符顯示,并根據用戶(hù)操作顯示各級菜單;觸摸屏處理模塊與顯示處理模塊配合完成各種控制或命令信息的輸入。

嵌入式數據庫實(shí)現歷史數據的管理、查詢(xún)和維護等操作。

4 實(shí)現結果

基于WPAN的血氧飽和度檢測儀的原型機已開(kāi)發(fā)成功并通過(guò)測試。

測試結果如下:各參數的測量精度與所選擇的血氧飽和度監測模塊完全相同;一個(gè)檢測儀主站最多可同時(shí)與64個(gè)檢測儀移動(dòng)采集終端通信,并保證傳輸和顯示的正確性和實(shí)時(shí)性;無(wú)線(xiàn)傳輸速率為250kb/s;無(wú)線(xiàn)傳輸距離可達75m(根據使用條件的變化會(huì )有所改變)。

測試結果表明,檢測儀完全達到了預期的設計指標,具有廣闊的市場(chǎng)前景。

5 結論

基于WPAN的血氧飽和度檢測儀的研制,大大擴展了設備的適用范圍,在設備的實(shí)用性、方便性、可管理性及適用范圍等方面有了極大提高;由于一個(gè)主站可連接多個(gè)移動(dòng)采集終端,大大降低了使用成本。