1 引 言

　　隨著人們生活水平的提高,、生活節(jié)奏的加快,，心血管疾病的發(fā)病率迅速上升,，已成為威脅人類身體健康的主要因素之一,。而心電圖則是治療此類疾病的主要依據(jù),，具有診斷可靠,，方法簡便，對病人無損害的優(yōu)點(diǎn),，在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中,，變得越來越重要。常規(guī)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(nèi)即使發(fā)生心率失常,，被發(fā)現(xiàn)的概率也是很低的,。因此有必要通過相應(yīng)的監(jiān)護(hù)裝置對患者進(jìn)行長時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，記錄患者的心電數(shù)據(jù),。又由于心臟病的發(fā)生具有突發(fā)性的特點(diǎn),，患者不可能長時(shí)間地靜臥在醫(yī)院，但又需實(shí)時(shí)得到醫(yī)護(hù)人員的監(jiān)護(hù),，所以研發(fā)相應(yīng)的便攜式無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品就顯得更加重要,。

　　目前雖說國內(nèi)已有成型的無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品，但其采用的方案大都是“采集器+發(fā)送器(PDA或手機(jī))”,，這必然導(dǎo)致其價(jià)格昂貴,，且PDA或手機(jī)的其他功能對于絕大部分患者完全沒有必要，所以到目前為止國內(nèi)實(shí)用的無線心電監(jiān)護(hù)產(chǎn)品領(lǐng)域還是空白,。本文所述的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是在醫(yī)院的提案基礎(chǔ)之上,，進(jìn)行充分調(diào)研之后設(shè)計(jì)的總體方案，主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

　　三導(dǎo)聯(lián)心電信號采集;

　　無線傳輸緊急情況下40 s的心電數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果;

　　24小時(shí)心電圖連續(xù)記錄;

　　通過高速USB上傳心電數(shù)據(jù)至PC機(jī);

　　緊急呼叫,。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　作為便攜式手持遠(yuǎn)程移動(dòng)終端,，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其體積小，功耗低,，存儲(chǔ)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)過資料收集和反復(fù)比較,，最終選擇了Samsung公司推出的基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410處理器,，該處理器資料豐富，性價(jià)比高,。

　　采用RISC架構(gòu)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(zhí)行速度更快;

　　尋址方式靈活簡單,，執(zhí)行效率高;

　　指令長度固定。

　　可以看出基于ARM的嵌入式處理器是便攜式手持終端的最佳選擇,，所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案時(shí)首先定位在該系列處理器上,。S3C2410處理器基于ARM920T處理器核，采用0.18 μm制造工藝的32位微控制器,，采用五級流水線和哈佛結(jié)構(gòu),，最高運(yùn)行頻率為203 MHz。該處理器具有：獨(dú)立的16 KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)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(jī)和1個(gè)USB設(shè)備等豐富的外圍設(shè)備,。

　　S3C2410提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備，且使整個(gè)系統(tǒng)的功耗最低,，從而免去了添加,、配置附加外圍接口的麻煩，有效地縮小了線路板的面積,，這也正是本系統(tǒng)選擇該處理器的重要原因,。

　　系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，以S3C2410為核心,，外擴(kuò)了8 MB的NOR FLASH,、64 MB的NAND FLASH以及16 MB的SDRAM等存儲(chǔ)芯片，通過GPIO口擴(kuò)展了鍵盤,、LCD和蜂鳴器等人機(jī)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(xiàn)無線傳輸和緊急呼叫功能,。從系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu)來看，可將系統(tǒng)劃分為5個(gè)模塊：電源模塊,、心電數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)無線傳輸模塊,、圖形用戶界面模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊,。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　2.1 電源模塊原文位置

　　系統(tǒng)采用單節(jié)1700 mAh鋰離子可充電電池供電,，但隨著電量的釋放，電壓也在不斷降低,，變化范圍為4.2~2.75 V,。而本系統(tǒng)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。為了滿足系統(tǒng)的要求,，電源電路中必須同時(shí)具備升壓穩(wěn)壓器和低壓差線性穩(wěn)壓器,。為了解決該問題系統(tǒng)采用1個(gè)開關(guān)型升壓DCDC穩(wěn)壓器、1個(gè)3.3 V極低壓差線性穩(wěn)壓器和2個(gè)帶有Shutdown引腳的1.8 V低壓差線性穩(wěn)壓器來組成供電系統(tǒng),，供電方案如圖2所示,。

　　圖2 電源模塊方案

　　2.2 心電數(shù)據(jù)采集原文位置

　　由于心電圖信號的檢測是屬于強(qiáng)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(wěn)定性,、低頻特性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，故要求前置級應(yīng)滿足高輸入阻抗,、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自人體內(nèi)外的多種干擾,，其特征被淹沒在復(fù)雜的信號之中，為了使其特征突出,，就有必要對其進(jìn)行預(yù)處理,。系統(tǒng)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(shù)為22.4倍;后級放大電路的放大倍數(shù)為37倍,，則總放大倍數(shù)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(shè)計(jì)截止頻率為100 Hz的一階低通濾波器來濾除高頻干擾，采用二階VCVS帶阻濾波器來濾除50 Hz工頻干擾,。在數(shù)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漂移，采用2 048點(diǎn)FFT對輸入的一幀心電數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)變換回時(shí)域。

　　2.3 數(shù)據(jù)無線傳輸模塊原文位置

　　本系統(tǒng)為遠(yuǎn)程移動(dòng)終端,，涉及數(shù)據(jù)的無線傳輸,，為實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)的發(fā)送和診斷結(jié)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通過異步串行通信接口與MC35相連,，并通過AT命令對該模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸。

　　在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),，首先,，應(yīng)用層將采集到的心電數(shù)據(jù)提交給TCPIP協(xié)議棧;然后，TCPIP協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將該心電數(shù)據(jù)封裝成完整的IP數(shù)據(jù)報(bào),，再提交至PPP層;最后,，該IP數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)PPP層封裝之后，通過串口逐字節(jié)地提交至MC35并發(fā)送,。在接收數(shù)據(jù)時(shí),，MC35首先將接收的數(shù)據(jù)逐字節(jié)地提交至PPP層;經(jīng)PPP層將分散的各字節(jié)重組成一幀完整的IP數(shù)據(jù)報(bào)之后，再提交至TCPIP層進(jìn)行詳細(xì)的處理,，具體流程如圖4所示,。

　　在開機(jī)初始化時(shí)要完成MC35的啟動(dòng)并登錄移動(dòng)夢網(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(dāng)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(shù)通過AT指令設(shè)置完成之后,，便可通過服務(wù)編碼99開始呼叫與服務(wù)提供商建立連接,，指令格式為ATDT*99***1#rn。若在該指令執(zhí)行之后給定的時(shí)間內(nèi)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，無線傳輸功能無法正常啟動(dòng),。MC35成功登錄移動(dòng)夢網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之后,，將自動(dòng)從命令模式切換到數(shù)據(jù)通信模式，且串口通信方式由原來的查詢式變?yōu)橹袛喾绞?。此時(shí)由系統(tǒng)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)出詢問幀,，協(xié)商相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。待服務(wù)參數(shù)及用戶身份驗(yàn)證成功之后,，服務(wù)提供商為系統(tǒng)分配一獨(dú)立IP,，至此便可認(rèn)為GPRS成功上線。

　　圖4 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸流程

　　GPRS成功上線后可以認(rèn)為MC35主要處在兩種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài),。在數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài),，MC35的峰值電流可達(dá)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,。考慮到系統(tǒng)的功耗問題,，啟用了MC35的休眠功能,。系統(tǒng)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無論從串口還是從服務(wù)提供商接收到數(shù)據(jù),，都會(huì)立刻將MC35設(shè)置為正常模式,，待數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式,。該休眠模式的設(shè)置可以通過指令“AT+CFUN=7rn”來完成，且該指令必須在GPRS上線之后執(zhí)行,。這樣在空閑狀態(tài)下即可自動(dòng)將MC35設(shè)置為休眠模式,，將電流值從15 mA降到3 mA。在休眠指令執(zhí)行前涉及MC35的狀態(tài)切換,，因?yàn)樵趫?zhí)行該指令前MC35處在數(shù)據(jù)通信模式,，所以要通過指令“+++”將其切換到命令模式之后再執(zhí)行該休眠指令。在休眠指令執(zhí)行之后還需通過指令“ATOr”將MC35切換到數(shù)據(jù)通信模式;否則MC35會(huì)把將要發(fā)送的數(shù)據(jù)也當(dāng)作指令來處理,。

　　2.4 圖形用戶界面原文位置

　　系統(tǒng)采用深圳蓬遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的低功耗,、128×64點(diǎn)陣液晶模塊MOBI2006來圖形化顯示系統(tǒng)信息。MOBI2006支持并行和串行兩種數(shù)據(jù)通信方式,，工作電壓為3.3 V,。在本系統(tǒng)應(yīng)用中，使用S3C2410的I/O口模擬LCD的控制時(shí)序來實(shí)現(xiàn)對液晶的控制,。

　　在具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的顯示時(shí)采用了Framebuffer技術(shù),。首先預(yù)分配一塊緩沖區(qū)并聲明為二維數(shù)組，數(shù)組的一維長度和二維長度分別與液晶的寬和高相對應(yīng),，這樣數(shù)組的每個(gè)元素都代表液晶中的一個(gè)點(diǎn),。在系統(tǒng)運(yùn)行中若要刷新液晶顯示，則首先要更新Framebuffer緩沖區(qū),，再從Framebuffer更新液晶顯示,。MOBI2006列向基于點(diǎn)尋址;橫向基于頁尋址,，每一頁由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(dǎo)致整個(gè)屏幕的變動(dòng),，給上層應(yīng)用的開發(fā)帶來很大困難。因此,，雖說采用Framebuffer技術(shù)將占用一部分內(nèi)存和刷新時(shí)間,，但會(huì)為后續(xù)的開發(fā)帶來很大方便：在上層具體應(yīng)用中不再受頁尋址的限制，在上層開發(fā)者看來列向,、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(jié)省了液晶的刷新時(shí)間又減小了屏幕的抖動(dòng),。

　　例如,，應(yīng)用層要顯示一張圖片，只須給出圖片的顯示位置,，即對應(yīng)于二維數(shù)組的行列值,、圖片的寬和高，以及相應(yīng)的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),。首先將圖片的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)刷新到Framebuffer緩沖區(qū),，然后再根據(jù)顯示位置確定液晶的刷新區(qū)域，其中緩沖的列值對應(yīng)于液晶的列值,，而行值要轉(zhuǎn)換為液晶的頁面值,，可通過如下公式轉(zhuǎn)換：

　　Page_end=(row+high-1)/8

　　其中：Page_start和Page_end分別對應(yīng)于液晶的起始、終止頁面值;row對應(yīng)于圖片顯示位置的橫坐標(biāo);high對應(yīng)于圖片的高度,。計(jì)算出相應(yīng)的頁面值之后便可通過如下過程刷新液晶的指定區(qū)域,，完成預(yù)期圖片的顯示。

　　for(page=p_s;pagel_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(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理原文位置

　　在S3C2410 的BANK0中擴(kuò)展了1片4M×16位的NOR FLASH;在BANK6中擴(kuò)展了一片8M×16位的SDRAM,，并且利用S3C2410的NAND FLASH控制器擴(kuò)展了一片64M×8位的NAND FLASH,。NOR FLASH主要用來存儲(chǔ)程序代碼;NAND FLASH主要用來存儲(chǔ)采集的心電數(shù)據(jù)以及部分程序代碼。S3C2410支持從NOR和NAND兩種方式啟動(dòng),，可以通過配置S3C2410的OM[1:0]來選擇CPU的啟動(dòng)方式,。

　　系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全天24小時(shí)無間斷心電數(shù)據(jù)采集，這樣必將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),。為了將大量心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)中供醫(yī)護(hù)人員分析,、診斷,，系統(tǒng)采用了通用的USB端口。S3C2410內(nèi)部集成了USB Device控制器,，因此只須設(shè)計(jì)簡單的外圍電路,，即可實(shí)現(xiàn)此功能。該USB Device控制器完全兼容USB1.1協(xié)議規(guī)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?shù)亩它c(diǎn)提供DMA接口并且支持掛起和遠(yuǎn)程喚醒功能,。

　　3 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以對心臟病患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù),。由于本系統(tǒng)具有無線傳輸功能,，因而患者可以不受時(shí)間和空間的限制使用本系統(tǒng)，無論在家中還是在野外都能對心臟進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù),。系統(tǒng)的24小時(shí)無間斷心電圖記錄功能,，足以捕捉突發(fā)性的異常心電數(shù)據(jù)，為醫(yī)護(hù)人員提供有力的診斷依據(jù),。本系統(tǒng)研制成功后受到醫(yī)療界專家的高度評價(jià),，在臨床測試過程中也受到患者和醫(yī)護(hù)人員的一致好評。