基于A(yíng)RM9處理器的家用遠程醫療監護終端

　　陷波電路

　　工頻干擾是心電信號的主要干擾，雖然前端電路和前置放大器已對共模干擾具有較強的抑制作用，但有部分工頻于擾是以差模信號進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號頻帶之內，加上電極和輸入回路不穩定等因數，前級電路輸出的心電信號仍然存在較強的工頻干擾，因此必須將其濾除。本設計采用的是無(wú)限增益多路反饋型二階陷波器，電路如圖5。

　　圖5 陷波電路

　　嵌入式Web服務(wù)器模塊

　　考慮本系統定位于家庭使用，且系統需要連續長(cháng)時(shí)間工作，又由于系統需要良好的人機交互環(huán)境、存儲大量數據以及支持網(wǎng)絡(luò )通信，所以要求處理器具有功耗低、成本低、豐富的接口和支持操作系統。本設計選用ARM9處理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持設備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應用上。其 CPU內核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實(shí)現了MMU、AMBA總線(xiàn)和Harvard高速緩存體系結構，該結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB數據 Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V內核供電，3.3V存儲器供電，3.3V外部I/O供電;外部存儲器控制器;LCD控制器提供1通道LCD專(zhuān)用DMA; 8通道10位ADC接口，轉換速率最大為500KSPS(Kilo Sample Per Second，千采樣點(diǎn)每秒);117位通用I/O口和24通道外部中斷源;電源控制模式包括正常、慢速、空閑和掉電4種模式;支持NAND Flash的啟動(dòng)裝載。

　　對心電信號采樣精度的考慮主要出于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化約為0.05mV，因此采樣精度至少為0.025mV。當采用10位 A/D轉換器工作在正極性、滿(mǎn)刻度電壓為2.5V時(shí)，可分辨的最小輸入電壓為2.5mV，而信號調理電路放大倍數為1000倍，則輸入端的最小分辨率約為 0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全滿(mǎn)足系統需求。

　　為了使用戶(hù)能夠直觀(guān)的觀(guān)察心電和便于控制設備，設計采用東華公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人機交互界面。為滿(mǎn)足移植操作系統以及存儲心電信號、網(wǎng)頁(yè)等數據的要求，系統外擴了64M的NAND Flash(使用一片K9F1208UOB)和64M的SDRAM(使用兩片HY57V561620)。為滿(mǎn)足終端聯(lián)網(wǎng)的需求，選用CS8900A用于設計網(wǎng)絡(luò )適配器，CS8900A是一個(gè)真正的單芯片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品，更方便的是在Linux內核中提供有CS8900A適配器的驅動(dòng)程序。

　　電源部分

　　為增加安全性、降低功耗、節省成本，設計采用9V堿性電池供電，通過(guò)電源轉換芯片AS1117-3.3將9V轉換為3.3V可供給放大器芯片和S3C2410使用。

　　軟件設計

　　軟件設計主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)程序的設計，功能程序的設計。

　　圖6 系統軟件框圖

　　Linux的移植

　　本設計采用linux-2.4.18內核。正確進(jìn)行Linux移植的前提是具備一個(gè)與Linux配套、易于使用的BootLoader，它能夠正確完成硬件系統的初始化和Linux的引導。本系統中采用vivi，它是由韓國MIZI公司提供的一款針對S3C2410芯片的BootLoader。

　　Linux內核的目錄/arch中包含了所有與硬件體系結構相關(guān)的內核移植代碼，目錄/arch中的每個(gè)子目錄代表了一種Linux支持的處理器。移植Linux到S3C2410平臺主要是修改/arch/arm目錄及其子目錄下相關(guān)的makefile文件和配置文件。例如：修改內核根目錄下的 Makefile文件，指明要移植的硬件平臺為ARM：ARCH:=arm,指明使用的交叉編譯器CROSS_COMPILE=/opt/host /armv41/bin/armv41-unknown-linux-;修改arm/arm目錄下的config.in文件，配置S3C2410的相關(guān)信息;為初始化處理器，還需在arch/arm/boot/compressed目錄下添加head-s3c2410.s文件。內核修改完成后，用命令 make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令編譯內核，編譯通過(guò)后則在目錄arch/arm/boot下生成zImage內核文件，還需利用工具軟件MKCRAMFS制作 cramfs文件系統。最后，在minicom終端的vivi命令行下利用load命令將內核和文件系統下載到目標系統，至此移植完成。

　　Boa的移植和CGI程序設計

　　由于嵌入式設備資源有限，并且不需要同時(shí)響應多用戶(hù)請求，因此一般使用一些專(zhuān)門(mén)的Web服務(wù)器用于嵌入式應用設計。Boa是單任務(wù)web服務(wù)器，源代碼開(kāi)放，性能高，支持CGI，能為CGI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執行，其設計目標是速度和安全，可執行代碼只有約60KB。移植Boa的過(guò)程如下：從 sourceforge.net上下載 boa-0.94.13，在其解壓目錄下生成并修改makefile文件，然后運行make得到可執行程序，利用命令armv4l-unknown- linux-strip將調試信息剝去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的運行。最后將生成的可執行程序Boa掛載到目標系統，若能成功訪(fǎng)問(wèn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)和運行測試用的CGI程序，則表明配置成功。

　　通用網(wǎng)關(guān)接口CGI可將Web服務(wù)器連接到外部應用程序，它主要完成兩件事情：一是收集從Web瀏覽器發(fā)送給Web服務(wù)器的信息，并將這些信息提供給外部程序利用;二是對提出請求的Web瀏覽器發(fā)送程序的輸出。CGI具有平臺獨立性、語(yǔ)言獨立性和層次感等優(yōu)點(diǎn)。利用CGI程序則可以實(shí)時(shí)執行并輸出動(dòng)態(tài)信息，且其占用資源少。CGI程序的執行過(guò)程為：瀏覽器將表單數據以POST方法提交給Web服務(wù)器，服務(wù)器根據收到的數據設置環(huán)境變量，并新開(kāi)一子進(jìn)程來(lái)執行CGI程序，CGI程序從環(huán)境變量中讀取所需要的數據，通過(guò)調用用戶(hù)自定義的外部功能函數完成數據處理后，再讀取相應的HTML模板文件，根據注釋標記將對應的數據填充到HTML文件中，生成新的HTML頁(yè)面經(jīng)Web服務(wù)器返回給瀏覽器。

　　為快速開(kāi)發(fā)符合應用要求的CGI程序，在設計時(shí)添加了CGIC庫和gd庫。CGIC是一個(gè)功能強大的支持CGI開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的標準C庫。 Thomas Boutell編寫(xiě)的gd庫是標準的C語(yǔ)言庫，具有基本的繪圖等功能。為實(shí)現在網(wǎng)頁(yè)上動(dòng)態(tài)顯示心電波形，將每次采集的數據經(jīng)過(guò)功能程序處理后存儲的同時(shí)送給CGI程序，利用gd庫提供的函數來(lái)創(chuàng )建圖像。通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)模塊上設定刷新時(shí)間(使用HTML語(yǔ)言的META標記)，從而實(shí)現在網(wǎng)頁(yè)上心電波形的動(dòng)態(tài)顯示。

　　主程序設計

　　主程序首先完成對系統的初始化，然后阻塞監聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )接口是否有連接請求，一旦客戶(hù)端發(fā)出連接請求，則在服務(wù)器端產(chǎn)生中斷;讀取網(wǎng)絡(luò )數據，然后對網(wǎng)絡(luò )數據進(jìn)行解析，這一步主要是解析HTTP協(xié)議，需要判斷連接請求是否符合服務(wù)器規定的請求格式，判斷是連接請求的請求方法，判斷請求的文件是否存在服務(wù)器上，判斷認證信息是否正確等等;在處理A/D采集的數據這一過(guò)程中，首先要將采集后的心電信號進(jìn)行濾波處理，主要是抑制心電信號中的50Hz工頻干擾，再完成濾波后，將數據送到本地的LCD上顯示，同時(shí)將當前的數據以網(wǎng)頁(yè)數據的格式發(fā)送到網(wǎng)口。

　　結語(yǔ)

　　本系統的設計定位于家庭醫療監護，通過(guò)在用于生理特征信息監測的嵌入式系統中集成Web服務(wù)器實(shí)現Internet的接入，從而實(shí)現用于遠程家庭醫療的監護系統。其意義在于：設計出一套價(jià)格低且易于推廣的遠程家庭醫療監護系統，改變目前我國家庭醫療監護落后的狀況;有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的監護水平，有利于提高中老年人群突發(fā)疾病患者的整體救治率;為醫療機構提供大量有價(jià)值的我國中老年人群疾病的原始數據進(jìn)行科研工作。