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心電圖(ECG)是心臟疾病診斷的重要手段。常規心電圖是病人在靜臥情況下由醫院的心電圖儀記錄的短時間心電活動，由于心臟病發作帶有很大的偶然性和突發性，所以在非發作期做常規心電圖檢查獲取疾病信息的幾率很低。因此，將心電監護從病床邊、醫院內擴展到家中，實現實時遠程監護具有重要的現實意義。 互聯網尤其是無線網絡的迅速普及促使嵌入式技術應用的條件日趨成熟，此外，心電監護對心臟病診斷的重要性也使得遠程監護也具有現實的可能性。 本文主要研究并設計了一套實用的便攜式移動心電監護系統。通過該系統可以隨時隨地將患者的心電信號通過GPRS網絡無線發送到設在醫院的PC機上，或者將心電數據先存儲在本系統中，然后再通過USB實現高速回放。 一、系統的總體設計 本文所設計的便攜式移動心電監護系統由心電監護儀、通信網絡和監護中心三部分組成(如圖1所示)。其工作過程如下： 圖1：便攜式心電監護系統總體框圖。 心電監護儀由患者隨身攜帶，通過粘貼式電極可隨時采集用戶的心電數據，并進行放大、濾波、A/D轉換，然后存儲到串行閃存中。當存儲一定時間的心電數據后，可以通過GPRS無線上網，利用無線網絡將數據傳送給位于監護中心的上位機。也可通過USB直接連接到上位機，進行本地高速回放。 本文將重點介紹心電監護儀的設計。由于是便攜式設備，所以設計時必須考慮盡量降低功耗、體積和成本。經過反復地分析比較，最終決定采用Z-World公司的工業級控制芯片Rabbit3000微處理器作為心電監護儀的主芯片。 盡管Rabbit3000是8位微處理器，但其內存空間可達1M，主頻可達22M。它具有豐富的接口資源，共有40條并行I/O口線(與串行口共用)。此外，該器件的功耗非常低，處理器時鐘可由32.768KHz振蕩器驅動，并將主振蕩器斷電。此時電流約為100μA，而處理器仍能保持每秒10,000條指令的執行速度。 二、系統硬件設計 在進行總體硬件設計時，以Rabbit3000高性能微處理器為核心，利用外部接口擴展了512K的并行Flash和512K的SRAM，存儲空間達到 1M，并擴展了USB接口。利用串行接口擴展了串行Flash、A/D轉換和無線模塊MC35。以下重點介紹無線模塊和USB模塊的硬件設計。 1. 無線模塊MC35硬件設計 無線模塊負責完成心電數據的無線傳送。為實現此功能，本系統采用了西門子公司的MC35模塊。這是西門子公司首款支持GPRS的GSM/GPRS模塊，體積小巧，易于集成到便攜式終端中。通過串行口連接，使用AT命令對該模塊進行控制和數據傳送。 西門子公司的MC35模塊具有一個40腳的零插入力連接器，該連接器中提供了串行接口、音頻接口、SIM接口、狀態引腳、電源接口等接口，通過這些接口與 SIM卡座、天線以及主控制器相連。MC35的串行接口TXD0和RXD0與Rabbit3000的串口B，即引腳TXB和RXB(PC4和PC5)相連，以實現與MC35之間的通信。MC35的IGT引腳為其啟動引腳，需要開漏極驅動器驅動。而Rabbit3000的端口E具有很強的驅動能力，因此選用PE5作為MC35的啟動控制線。在MC35的電源接口中有電源輸入引腳、電源輸出引腳和充電引腳，其中充電引腳可用來給電池充電。本系統采用電池供電或外部充電。如圖2所示。 設計時需注意的兩點是：本系統使用電池供電，由于MC35在上行傳輸需提供2A的峰值電流，這會引起電壓突然下降，因此設計電路時要加足夠大的電容，以防電壓突然下降；在SIM卡電路設計時，需要注意電磁兼容性的問題，否則會影響MC35的通信效果，甚至導致MC35無法正常工作。 圖2：MC35模塊硬件連接圖。 2. USB模塊硬件設計 USB模塊負責完成心電數據的本地高速回放，它提供了另一種數據傳輸手段。通常的串口RS-232只是利用一條線進行數據傳輸，而USB傳輸是利用D+和 D-線上的差分信號，與主機進行數據的傳輸，充分保證了數據傳輸的可靠性。本系統采用恩智浦公司的PDIUSBD12實現USB傳輸。 PDIUSBD12(以下簡稱D12)是恩智浦公司的一款性價比很高的USB芯片，完全符合USB1.l版的規范。是在USB1.1協議設備端使用最多的芯片之一，是一種純粹的USB接口芯片，需要外部微處理器控制。 本系統利用Rabbit3000微處理器控制USB芯片D12來完成USB傳輸，此時D12就是單片機的一個外設。D12與Rabbit3000之間的數據傳輸是通過8位數據線來實現的，即D12的并口數據線D0-D7與Rabbit3000的數據線D0-D7直接相連。 D12的INT_N引腳與Rabbit3000復用引腳INT0A相連，作為Rabbit3000的外部中斷輸入。當D12需要進行操作時，就利用 INT_N引腳發出一個中斷請求，Rabbit3000立即響應中斷，對其進行操作。D12的RD_N和WR_N分別與Rabbit3000的IORD和 IOWR相連，以控制數據傳輸的方向。D12的RESET_N與Rabbit3000的復用引腳PE4相連，Rabbit3000可以利用這個引腳向 D12發出一個低電平，RESET_N被置為低電平后，D12便自動復位了。D12的CS_N與Rabbit3000的復用引腳PE7相連，可以通過這個引腳來控制片選。如圖3所示。 圖3：PDIUSBD12模塊硬件連接圖。 D12有兩種數據總線方式：多路地址/數據總線方式和單地址數據總線方式。本系統采用單地址數據總線方式，將D12的ALE接地，A0與 Rabbit3000的地址總線A0相連，在片選信號有效的前提下(即PE7=0)，當A0=1時，CPU給D12發命令；當A0=0時，CPU向D12 寫數據或從D12讀數據。因此，地址0xE001為發送命令地址，地址0xE000為讀寫數據地址。 三、系統軟件設計 軟件設計借鑒了軟件工程的設計思想。采用了分層和模塊化的設計思路，為代碼的組織、維護和升級都提供了便利。而且，即使以后更換硬件系統平臺，也能夠保證大部分代碼可重用。軟件總體結構如圖4所示。下面重點介紹無線模塊和USB模塊的軟件設計。 1. 無線模塊軟件設計 無線模塊MC35與Rabbit3000的串口B相連，并通過串口向MC35發送AT指令，進行撥號、設置等操作。 MC35與網關的通信協議為PPP協議(Point-to-Point Protocol)，PPP協議是一種基于TCP/IP協議棧的數據鏈路層協議，是為在兩個對等實體間傳輸數據包，建立簡單連接而設計的，主要用于廣域網的連接，但在局域網的撥號連接中同樣可以采用。MC35本身不支持PPP協議，要通過MC35撥號上網必須編寫程序實現PPP協議，同時還要實現 TCP/IP協議。 開機后首先初始化MC35模塊，這里要注意的是初始化MC35模塊時，需要給IGT引腳一個低電平，并保持120"140ms，才能完成初始化操作。然后啟動MC35并登陸移動夢網網關，建立與服務提供商的連接。 登陸成功后，MC35具有兩種工作狀態：數據傳輸狀態和空閑狀態。MC35在空閑狀態下的電流一般為15mA，而且在空閑狀態下，MC35還支持多種休眠模式。為降低功耗，本系統啟用了MC35的休眠功能，設置為休眠模式7。在該休眠模式下，電流可以降到3mA左右。 圖4：心電監護系統軟件總體結構。 2. USB模塊軟件設計 USB接口對于使用者來說十分簡單方便，但從開發者角度來看，最大的缺點就是協議的復雜性增加了，因此也就導致了USB設計的復雜性。USB軟件設計包括三個方面：固件(firmware)設計、驅動程序設計和主機端應用程序的設計。 a. 固件設計 固件是固化在單片機中的程序代碼，可采用匯編語言或C語言設計。它運行在微處理器上，用來響應主機的請求。即它與USB控制器一起完成枚舉過程和主機通信。USB協議規定任何傳輸過程都是由主機端發起并控制的，在枚舉過程中，主機通過USB控制器的端點0的默認管道建立控制傳輸過程，D12響應主機的要求，主要是發送特定的描述符(如設備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符和廠商描述符)給主機。主機從獲得的描述符來了解該設備的配置和能力，并完成對USB設備的配置。枚舉過程結束后，主機就可以與D12進行數據傳輸了。 本系統的固件編程采用標準C語言來編寫，設計固件程序時需要注意的是：D12的中斷輸出為電平觸發，Rabbit3000的中斷為上升沿或下降沿觸發。在設計程序時，使用下降沿加延時，可使低電平保持一段時間，從而達到同樣的效果。 b. 驅動程序設計 在Windows系統下，與USB外設的任何通信都必須通過設備驅動，設備驅動使應用程序訪問硬件設備成為可能。USB驅動程序的編寫與硬件相關，屬于核心模式。微軟的DDK在這方面提供了較為詳細的說明。 c. 應用程序的設計 本系統采用VB編寫上位機應用程序。它主要負責實現利用USB接口從心電監護儀中讀取心電數據，并把心電數據保存到數據庫中，同時在PC機屏幕上繪制心電波形。 四、本文小結 本文所研制的便攜式移動心電監護儀，能夠在計算機屏幕上準確地描繪出心電波形，經中國醫科大學附屬二院的醫生認定，可作為臨床診斷依據；本系統實用性強，且體積小、經濟方便。患者可隨時隨地對心臟進行實時監護，而不受時間和空間限制；本系統所具有的無線傳輸功能，可以實時地把心電數據傳送給醫院供醫生診斷，極大地提高了急救效率。 |
