基于S3C2410設計三導聯(lián)遠程心電監護

　　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。

　　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)。

　　圖4 GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸流程

　　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。