摘要：介紹一種便攜式微電腦多參數(shù)重理監(jiān)護(hù)儀的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成及軟、硬件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由二個(gè)Intel-196單片機(jī)構(gòu)成雙CPU系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示，對病人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可采用串行通信的方式將數(shù)據(jù)送給PC機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

前言

多參數(shù)重量監(jiān)護(hù)儀能為醫(yī)學(xué)臨床診斷提供重要的病人信息，可實(shí)時(shí)檢測人體的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對各參數(shù)的監(jiān)督報(bào)警。信息存儲和傳輸，是一種監(jiān)護(hù)病人的重要設(shè)備，但目前國內(nèi)的監(jiān)護(hù)儀一般功能單一，多為CRT顯示，體積較大，移動不方便，存在著不足。

該便攜式微電腦參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀，檢測參數(shù)多，設(shè)計(jì)緊湊，體積小巧，攜帶方便，既可用于病房，也可用于室外，可以定時(shí)、連續(xù)、長時(shí)間地檢測病人的重要生命特征參數(shù)，它在保障病人的生命安全方面具有重要的臨床使用價(jià)值。

工作原理

1.系統(tǒng)工作原理

便攜式微電腦多參數(shù)生理監(jiān)護(hù)儀的主機(jī)由兩個(gè)16位微控制器80C196組成。

系統(tǒng)通過信號檢測與預(yù)處理模塊將生物醫(yī)學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行干擾抑制、信號濾波和放大等預(yù)處理。然后，通過數(shù)據(jù)提取與處理模塊進(jìn)行采樣、量化，并對各參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果與設(shè)定閾值比較，進(jìn)行監(jiān)督報(bào)警，將結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到RAM，并可實(shí)時(shí)傳送至PC機(jī)上，在PC機(jī)上可實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)值。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該監(jiān)護(hù)儀由兩個(gè)單片機(jī)組成雙CPU系統(tǒng)。

    單片機(jī)1完成對體溫、心電波形、脈搏脈形的信號檢測、處理、數(shù)據(jù)存儲，并通過LCD顯示屏對各波形、參數(shù)進(jìn)行定時(shí)顯示、報(bào)警。

單片機(jī)2承擔(dān)其中耗時(shí)較長的血壓測量及血氧飽和度的檢測，使之不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)還承擔(dān)對心率、呼吸頻率的測定。

兩個(gè)單片機(jī)間的信息交換通過1個(gè)8位的并行口進(jìn)行，由2根I/O口實(shí)現(xiàn)通信控制。具體是用P1口，配合兩個(gè)高速輸入、輸出I/O口（HIS.0、HSO.0），用作兩個(gè)單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送。這種雙機(jī)間的連續(xù)方式屬于松耦合的多處理機(jī)系統(tǒng)（參考文獻(xiàn)8），在硬件實(shí)現(xiàn)上較為簡單，只需在軟件編程時(shí)，為其通信方式設(shè)計(jì)必要的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸方式等。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)采用EEPROM 28C64作為程序存儲器；采用一片非易失性靜態(tài)存儲器（NASRAM）作為數(shù)據(jù)存儲器。NASRAM具有靜態(tài)存儲器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有非易失性的特點(diǎn)。非易失性的特點(diǎn)是指存儲芯片在掉電的情況下，能夠正確無誤地保存所有數(shù)據(jù)，保存時(shí)間長達(dá)10年。采用芯片的非易失性的特點(diǎn)可以不用為此芯片提供掉電備用電源，即可實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護(hù)。

（2）液晶顯示模塊

為了對心電波形、脈搏波形及其它生理參數(shù)進(jìn)行顯示，而且對波形顯示具有足夠的分辨率，為此系統(tǒng)采用圖形液晶顯示屏。為了減少儀器的體積，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低成本，功耗小的要求，選用了特別適用于便攜式監(jiān)護(hù)儀的單色LCD顯示屏。

該顯示屏為日立LMG70520XNGR液晶顯示屏，點(diǎn)陣數(shù)為640×200，點(diǎn)尺寸為0.22×0.30，其驅(qū)動電源為+5V和-20～-21V,耗電僅8mW，能滿足本系統(tǒng)的要求。

為控制該顯示屏的顯示，我們選取了適用于該顯示屏的顯示控制器SED1330。該芯片是用于計(jì)算機(jī)的指令與數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序及數(shù)據(jù)控制液晶顯示屏的顯示。該控制器自帶RAM，自行管理顯示緩沖區(qū)，與CPU之間通過8位數(shù)據(jù)并行傳輸，與顯示屏之間是4位數(shù)據(jù)并行傳輸。

（3）鍵盤輸入模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能鍵采用中斷方式輸入。當(dāng)有任一功能鍵按下時(shí)，產(chǎn)生鍵盤中斷，CPU執(zhí)行中斷程序，讀取鍵碼，執(zhí)行相應(yīng)操作；沒有鍵按下時(shí)，不占用CPU的運(yùn)行時(shí)間，提高了CPU的運(yùn)行效率。

鍵盤采用兩片74LS373構(gòu)成矩陣軟件編碼鍵盤，鍵盤部分直接掛在單片機(jī)1的總線上。不占用單片機(jī)I/O口線，也不必為此擴(kuò)展系統(tǒng)I/O口，可減少系統(tǒng)消耗功率。

通過為鍵盤分配相應(yīng)的I/O地址，可采用讀寫該地址的方式獲得鍵碼。硬件實(shí)現(xiàn)簡單，軟件編程方便。

（4）電源系統(tǒng)

基于低功耗和便于攜帶使用的考慮，系統(tǒng)采用電池供電及外接AC-DC變換器件供電的方式。設(shè)計(jì)采用三節(jié)1.5V電池供電。該電壓通過穩(wěn)壓器件提供+5V的電壓給系統(tǒng)工作。同時(shí)采用DC-DC電壓變換器+5V的電壓變換至-18～-24V電壓，以提供給LCD顯示屏工作。

選擇電池作為電源是基于如下考慮：具有高輸出能力、小型結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)尺寸和低價(jià)格。

（5）外圍器件控制

系統(tǒng)各外圍器件的片選信號由74LS373鎖存的地址信號，經(jīng)芯片GAL16V8C譯碼產(chǎn)生。GAL芯片是可編程邏輯陣列，通過對其引腳的編程，將其作為譯碼器，依據(jù)P4口高字節(jié)8位地址進(jìn)行片選，其編程方便，使用靈活。系統(tǒng)除用作譯碼器外，在單片機(jī)2中，還用作控制氣泵和氣閥的開關(guān)。

通過簇已分配給氣泵或氣閥I/O口地址，寫上“0”或“1”，則輸出引腳OUT1、OUT2為低或高電平。該電平將保持，直到再次往同一地址寫“1”或“0”，如此，可定時(shí)控制氣泵或氣閥開關(guān)。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的主要特點(diǎn)是，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為核心，以功能獨(dú)立化、結(jié)構(gòu)模塊化為軟件設(shè)計(jì)模式。系統(tǒng)開發(fā)采用了結(jié)構(gòu)化的，從上到下的模塊劃分及從底到上的硬件功能封裝的軟件開發(fā)設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)采用C96語言進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。

（1）數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集到整個(gè)系統(tǒng)最重要的問題。如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，并且能高效率地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，盡可能少的時(shí)間占用少的系統(tǒng)資源，對于多參數(shù)同時(shí)監(jiān)護(hù)的情況下，是確保系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性的重要因素。

在軟件設(shè)計(jì)中，我們利用硬件定時(shí)器及軟件定時(shí)器，進(jìn)行定時(shí)中斷，進(jìn)行多通道、多采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)。由于人體生理信號的變化較緩慢，采用此種方法已經(jīng)可以確保高精度、實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)采集。

（2）液晶顯示控制

系統(tǒng)顯示功能的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上是對顯示控制器SED1330的編程控制。SED1330控制器具有系統(tǒng)控制、顯示操作、繪制操作、存儲操作等共15條指令。

在進(jìn)行系統(tǒng)顯示模塊的編程時(shí)，我們利用C96語言對SED1330的指令功能進(jìn)行分類組合、封裝，編制了一個(gè)基本的顯示控制圖函數(shù)庫。通過對子函數(shù)的調(diào)用，非常方便地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的子函數(shù)如下：

lnitCD(); /*初始化SED1330*/

ClearDispBufffer(); /*對顯示緩存區(qū)清零*/

ChooseScreen(screen); /*選擇顯示緩存區(qū)*/

SetCsrAbsAddr(addr); /*設(shè)置光標(biāo)絕對位置*/

SetCsrDir(dir); /*設(shè)置光標(biāo)移動方向*/

PutChar16xy(x,y,data); /*顯示點(diǎn)陣為16×16的字體*/

SetPutPixel(x,y)； /*在顯示屏上顯示一點(diǎn)*/

H_line(x1,x2,y,linestyle); /*畫水平線*/

V_line(x1,y1,x2,y2); /*畫垂直線*/

lnvert(x1,y1,x2,y2); /*對矩形區(qū)域反顯*/

Clear(left,top,right,bottom); /*清除矩形區(qū)域*/

部分液晶顯示子程序示例如下：

# include "80c196.h"

# include “data.dat”

# include "init.c"

# define UP 0x4e

# define DOWN 0x4f

# define LEFT 0x4d

# define RIGHT 0x4c

# define AP 80

# define SA1 0

# define SAD2 0x3e80

# define Max_X 640

# define Max_Y 200

# define ECQ_Y 128

# define PLUSE_Y 50

# define NORMAL ox4f

# define DOT_1 0xaa

# define DOT_2 0x66

unsigned char * comm_reg;

unsigned char * pram_reg;

unsigned int_sad;

/************************/

/* var screensvalue is:1 or 2.*/

ChooseScreen(screen)

Unsigned char screen;

{

switch(screen){

case 1:

_sad=SAD1;break;

case 2:

_sad=SAD2;break;

defaulf:

_sad=SAD1;}

}

/*************************/

lnitl_CD()

{

* comm_reg=0x40; /*SYSTEM SET */

* pram_reg=0x34;/P1 CGRAM font dot array(now is:8x16)*/

* pram_reg=0x87; /*P2 */

* pram_reg=0x07;

* pram_reg=80;

* pram_reg=93; /*P5 93 */

* pram_reg=200;

* pram_reg=80; /*P7 */

* pram_reg=0; /*P8 */

* comm_reg=0x44; /*SetSooll() */

/*set SAD1 */

* pram_reg=0x0; /*P1 */

* pram_reg=200; /*P3 */

/* set SAD2 */

* pram_reg=0x80; /*P4 */

* pram_reg=0x3e;

* pram_reg=200; /*P6 */

/*set SAD3 */

* pram_reg=0x00; /*P7 */

* pram_reg=0x7d; /*P8 */

/*set SAD4 */

┆

* comm_reg=0xf58; /*Set Display(OFF)*/

/* *pram_reg=0; */

* comm_reg=0x5d; /*SetCsrForm()*/

* pram_reg=6;

* pram_reg=0x86;

* comm_reg=0x5a; /*set HDOT SCR*/

* pram_reg=0; /*must be clear*/

* comm_reg=0x4c; /*set csr dis is:RIGHT*/

* comm_reg=0x5b; /*SetOvlay */

* pram_reg=0x1c; /*three graphics display zone*/

* comm_reg=0x5c; /*SetCGRAM(addr)*/

* pram_reg=0xf0; /*turn off the CGAM */

* pram_reg=0;

* comm_reg=0x59; /*SetDisplay(ON)*/

* pram_reg=0x16;

ClearDispBuffer();

}

………………

利用LCD顯示屏進(jìn)行顯示時(shí)，需要解決的問題是清除圖形間斷現(xiàn)象。模擬波形是連續(xù)圖形，但顯示屏是以離散點(diǎn)加以顯示的，這樣會造成波形快速升降沿間斷的現(xiàn)象。

為此，我們設(shè)計(jì)了一比較子程序。當(dāng)相鄰兩列的點(diǎn)的幅值差大于2時(shí)，就將兩點(diǎn)間的所有點(diǎn)“點(diǎn)亮”，使顯示的圖形連續(xù)。

（3）中斷系統(tǒng)的應(yīng)用

本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，主要由中斷程序程序?qū)崿F(xiàn)。如采用鍵盤輸入中斷、數(shù)據(jù)采集中斷、雙機(jī)通信、上下位機(jī)間的通信等中斷服務(wù)。中斷服務(wù)在整個(gè)系統(tǒng)軟件中起著不可缺少的作用。

本系統(tǒng)還利用PC機(jī)功能強(qiáng)，處理信息量大的特點(diǎn)，把監(jiān)護(hù)儀采集到的數(shù)據(jù)通過RS-232串行口傳送到PC機(jī)。由PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理，并采用各種圖表等形式顯示參數(shù)、趨勢圖畫面，為操作者提供了非常友好的軟件界面。