ARM9的無線多床位心電監(jiān)護儀的設計

1 引言

　　隨著社會生活節(jié)奏加快、人口逐漸老齡化，心血管疾病已經成為同前威脅人類生命的豐要疾病之一，此類疾病往往具有突發(fā)性、短暫性和危險性的特點，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并進行治療將會產生非常嚴重的后果。心電圖是檢查．診斷和預防該類疾病的主要手段和依據，對于心肌梗塞、心律失常等癥狀，心電監(jiān)護儀的使用貫穿于治療、康復的整個過程。由于傳統(tǒng)的基于PC機平臺的心電躲護儀，價格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫(yī)院，給醫(yī)生和病人帶來了很大的不便。因此，為了降低成本、縮小體積，本文設計了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位遙測心電監(jiān)護儀。該監(jiān)護儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內核的16／32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統(tǒng)控制核心，利用nRF401無線收發(fā)芯片發(fā)送和接收心電數據，具有功耗低、體積小、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)結構

　　該遙測心電監(jiān)護儀可同時監(jiān)護1～12個床位．系統(tǒng)結構框圖如圖1所示．其中與PC機相連的S3C2410A作為中心躲護端．其功能是傳遞由PC機發(fā)出的命令，與監(jiān)護各個床位的監(jiān)護終端進行通信，將各個臨護終端所采集到的數據匯總到中心監(jiān)護端，并通過USB口傳遞給Pc機。監(jiān)護一個床位的便攜式心電監(jiān)護終端作為終端節(jié)點，功能是采集心電信號，對采集到的數據進行必要的處理，同時當收到中心監(jiān)護端的命令時，做出回應。

圖1 系統(tǒng)結構框圖?

3 系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件設計包括中心監(jiān)護端的硬件設計和監(jiān)護一個床位的各個心電監(jiān)護終端的硬件設計兩大部分。中心監(jiān)護端的硬件設計包括S3C2410A與PC機的連接和nRF401與S3C2410A的連接。由于S3C2410A具有USB設備控制器，因此可通過USB口與PC機相連，并得到5V的T作電壓。無線收發(fā)芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。圖2為監(jiān)護一個床位的心電監(jiān)護終端硬件電路的結構框圖，包括ARM微處理器S3C2410A、心電放大及采集電路、外部擴展的Nand FLash存儲器、電源、LCD顯示、鍵盤和nRF401尤線數傳模塊等。

3．1心電采集電路

　　心電采集電路包括放大器、低通濾波器、50Hz陷波器等。該電路的放大器由差動放大電路和放大級電路兩級放大電路組成。導聯(lián)系統(tǒng)采用通用的二電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極．右腹下電極為右腿驅動電極。由于采集的心電信號是籌模信號，采用三運放籌動放大電路作為第一級放大電路，增益約為22，再經第二級放大電路，總增益接近1000。由于心電信號屬于低頻信號，因此，為消除高頻信號，本設計了采用了一階濾波電路的低通濾波器，截止頻率為100Hz。為抑制50Hz的工頻干擾，還設計了二階壓控電壓源帶阻濾波器，即50Hz陷波器。

圖2 監(jiān)護1個床位的硬件電路結構框圖

3．2 ARM微處理器模塊

　　S3C2410A是二星公司推出的一款基于ARM920T處理器構架的嵌入式CPUS3C2410，它提供8通道的10位模數轉換器，轉換器以2．5MHz MD轉換時鐘將模擬輸入信號以最大500ksps轉換率轉換為lO位二進制數字編碼。根據美困心臟學會AHA標準[3]和Nyquist采樣定律，當信號采樣頻率等于或大干信號最高頻率的2倍時，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0．05~100Hz，中心頻率在17Hz左右，故取采樣頻率取200Hz，即采樣周期為5ms即可滿足要求。采集到的信號經通道1送入S3C2410A微處理器。經分析處理后在液晶屏上顯示心電波形和分析結果。

3．3無線收發(fā)模塊

　　無線收發(fā)模塊采用Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片nRF401，該芯片工作在433MHzISM(Industrial，scientific and Medical)瀕段。該頻段無需申請許可證。并采用FSK調制解調技術，抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術，頻牢穩(wěn)定性好，數據傳輸速率可達20kbDs，傳輸距離可達1000m，完全滿足本設計所需要的通信距離要求。不同于其他的RF單片芯片，nRF401通過單片機串口直接于MCU通信，而無需對數據進行曼徹斯特編碼，這使的nRF401的外圍元件很少，只包括一個基準晶振和幾個無源器件，具有成本低、一致性好等特點。本設計中，nRF401直接與S3C2410A的串口1連接。

3．4存儲、顯示和鍵盤模塊

　　為了實現(xiàn)大容量的數據存儲，利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器擴展了一片16Mx8位的Nand Flash存儲器，可存儲12小時的心電數據。為了使用戶能夠對采集到的心電信號有一個直觀的印象和進行常識性的觀察，利用S3C2410A自帶的LCD控制器，設計了LCD顯示屏的接口，并選用了一塊240x128的LCD顯示屏，用于顯示所采集的心電信號及一些基本參數。系統(tǒng)還設計了一個4x4的鍵盤模塊，用戶可通過鍵盤實現(xiàn)一些基本功能的切換。

4 系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)的軟件設計是基于Windows CE操作系統(tǒng)的。Windows CE是為各種嵌入式系統(tǒng)和產品設計的一種壓縮的、具有高效的、可升級的操作系統(tǒng)，具有多線性、多仟務、全優(yōu)先的操作系統(tǒng)環(huán)境。由于Window CE操作系統(tǒng)本身沒有自帶獨立的開發(fā)環(huán)境，因此，需要在PC機(宿主機)上完成應用程序的開發(fā)，實現(xiàn)仿真．并針對ARM嵌入式設備(目標機)進行交叉編譯，使其與目標機的CPU體系結構相匹配，使操作系統(tǒng)和應用軟件在目標機上也能正常運行。然后再移植到各目標機上。在Windows CE操作系統(tǒng)構建起來之后，就是上層應用程序的實現(xiàn)問題。

4．1中心監(jiān)護端程序設計

　　Windows CE是一個多任務、多線程的操作系統(tǒng)[6]。圖為中心監(jiān)護端的功能不只是單一的網絡通信，還要進行數據分析和處理，所以不在主線程中直接進行通信。而是在主線程中創(chuàng)建一個單獨的子線程負責等待PC機的命令，收到命令后，為其創(chuàng)建一個單獨的通信子線程與相應的終端節(jié)點進行通信．等待子線程繼續(xù)等待PC機的命令。通信子線程接收數據并進行校驗，并通過USB口傳遞到PC機。

　　由于多個通信子線程可能會同時對共享資源nRF401進行訪問，形成線程沖突，因此需要協(xié)調好各個線程之間的同步問題?；コ鈱ο?Mutex)是Windows CE操作系統(tǒng)所提供的實現(xiàn)線程同步的方法之一，主要用于協(xié)調多個線程對共享資源的訪問，其原理是只有擁有互斥對象的線程才具有訪問共享資源的權限。由于互斥對象只有一個，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會同時被多個線程所訪問。首先，利用API所提供的函數CreateMutex()創(chuàng)建一個互斥對象，初始化為FALSE狀態(tài)以標識該互斥對象處于未被任何線程占有狀態(tài)。通信子線程通過waitForSingleobiect()來請求占用該互斥對象，若此時該互斥對象被占用，則該線程需等待直到前一線程釋放后才能成功占用；若此時該互斥對象未被占用，則可以實現(xiàn)對共享資源nRF401的訪問。例如負責與床位號為n的監(jiān)護終端通信的子線程獲得對nRF401的訪問權后，該子線程會發(fā)送一個1字節(jié)的同步信號“n”，床位號為n的監(jiān)護終端接收到命令后，返回“n”作為應答，該通信子線程收到應答，核對正確后，雙方開始數據傳輸，監(jiān)護終端將數據及其校驗和以數據包的形式傳送給中心監(jiān)護端。該子線程接收完畢后，結束通信，用ReleaseMutex()來釋放對互斥對象的擁有權，完成對于共享資源nRF401的訪問，從而其它線程可有機會獲取對nRF401的訪問權。然后對所接收的數據進行校驗，再次提出占用互斥對象請求。這樣，每個通信子線程訪問nRF401的機會均等，子線程問相互獨立，避免了程序死鎖在一個連接上，提高了系統(tǒng)的整體響應速度。

4．2監(jiān)護終端程序設計

　　監(jiān)護一個床位的各監(jiān)護終端的程序設計同樣采用多線程的結構，在主線程中對心電信號進行A/D轉換、必要的處理和存儲、顯示等。另創(chuàng)建一個子線程，置nRF401為接收狀態(tài)，等待接收中心監(jiān)護端的命令，收到命令并檢驗合法后，置nRF401為發(fā)送狀態(tài)發(fā)送回應，并從存儲器巾讀取數據打包發(fā)送，若收到中心監(jiān)護端校驗錯誤信息，則重發(fā)數據包。

4．3 QRS波的檢測

　　在心電分析中，要進行參數測量和波形分析，計算R-R間隔和心率，首先要進行QRS波的檢測。本文采用四點平均濾波器法首先對心電信號進行濾波，濾除電源工頻干擾、基線漂移，肌電噪聲、運動偽跡等所帶來的干擾。其解析式為：

　　其對心電信號的中心頻率(17Hz)影響較小，同時可抑制高頻噪聲和50Hz的工頻干擾。再對經過濾波后的心電信號的一、二階差分值進行平滑處理，利用心電信號的二階差分值極小值和一階差分過零點在較短的時間窗內實現(xiàn)QRS波精確定位。即對四點濾波后的心電信號y(n)進行一階和二階差分，通過不應期判別、幅值判別等方法找到R波對應的二階差分的極小值的位置。再根據啊二階差分與x(n)、y(n)的時延關系，求出濾波信號和原心電信號中R波的位置。在心電信號的一階差分信號中，R波和與其對應的Q,S波的位置關系為：如果R波在一階差分信號中為QRS波群所對應的向下過零點(其值為負)，則Q波應為R波所在位置前面的第1個向上過零點(其值為正)；S波為R波所在位置后面的第1個向上過零點(其值為正)。這樣，由已知的R波的位置即可檢測出 Q,S在一階差分中的位置，再根據時延關系就而可以求出R-R問期、心率等參數。由于籌分會增加部分高頻噪音，上述計算是在一階和二階差分經平滑移動處理后進行的。該算法能抑止多種噪聲對心電信號的影響，經過臨床測試，在靜息和慢走情況下．算法對動態(tài)心電的檢測準確率非常高；即使在做體操和慢跑的情況下，其正確率還是在99．8％以上。

5 實驗結果

　　使用此監(jiān)護儀分別對12名志愿者進行了心電數據采集。實驗表明，該監(jiān)護儀能同時監(jiān)護12個病人，也能獨立監(jiān)護1個病人，實時性良好．心電波形顯示清晰，對心電數據分析準確，心律失常時，會自動報警，并對其進行存儲和回放。佩戴者可在半徑100米范圍內活動得到較好的監(jiān)護，采用2節(jié)5號電池供電，可連續(xù)監(jiān)測20小時。

6 結論

　　本文設計了一種基于ARM9微處理器的新型便攜式多床位無線遙測心電監(jiān)護儀，該監(jiān)護儀硬件集成度高，體積小，功耗低，便于患者隨身攜帶，在不影響患者日?；顒拥耐瑫r使患者得糾較好的監(jiān)護。本文的創(chuàng)新之處是采用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺，具有易定制、可擴展、高穩(wěn)定性等優(yōu)點。采用多線程編程，可同時監(jiān)護多個床位，各線程之間相對獨立，避免了波形顯示停滯，或死鎖在一個連接上，提高了系統(tǒng)的整體響應速度，使系統(tǒng)實時性更好。在Windows CE環(huán)境下，還可以通過中間驅動程序為S3C2410A擴展串口通信，實現(xiàn)更多床位的實時集中監(jiān)護。

　　項目經濟效益：3000萬元。