基于ARM7的新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀的研制

一、緒論

心血管疾病是目前對人類危害最大的一種疾病，而心電圖是檢查、診斷和預(yù)防該類疾病的主要手段和依據(jù)。由于傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺的心電監(jiān)護(hù)儀，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動且主要集中在大醫(yī)院，而無法實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)患者的病情，給醫(yī)生和病人帶來了很大的不便。近年來，隨著嵌入式和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，我們研制出一種基于ARM7處理器的新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀，它采用Samsung公司的一款ARM7TDMI核的RISC的32位高速處理器S3C44B0X,具有成本低、體積小、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，適用于個(gè)人、中小醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療單位，為家庭保?。℉HC）和遠(yuǎn)程醫(yī)療（Telemedicine）等新興的醫(yī)療途徑提供良好的幫助與支持。

二、系統(tǒng)的工作原理

圖一 新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

心電信號通過專用電極從人的左右臂采集到后，送入信號調(diào)理電路，先經(jīng)過前置放大器初步放大，經(jīng)高通濾波濾除直流信號及低頻基線干擾后，由后級放大器放大，再經(jīng)濾波器進(jìn)一步濾除50HZ的工頻干擾，經(jīng)低通濾波器后得到符合要求的心電信號，由模擬信號輸入端送入ADC，進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換。為了更好的抑制干擾信號和防止導(dǎo)聯(lián)松動及脫落，我們在電路中還引入了右腿驅(qū)動電路和導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路。系統(tǒng)控制核心采用Samsung公司的S3C44BOX,液晶顯示屏（LCD）建立良好的人機(jī)交互界面，采集到的信號可以通過LCD實(shí)時(shí)顯示和回放，數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)基于TCP/ IP(傳輸控制協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議) 順序可靠地傳輸數(shù)據(jù)到心電監(jiān)護(hù)中心,為醫(yī)護(hù)人員及時(shí)準(zhǔn)確的診斷提供參考。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用現(xiàn)在流行的uClinx,管理協(xié)調(diào)各模塊工作，為系統(tǒng)可靠的運(yùn)行提供保證。

三、系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

3．1、信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路主要包括：放大器、帶通濾波器、陷波器等。

圖二 心電前置放大電路

人體心電信號屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號，一般只有0.05-5mV,頻譜范圍為：0.05-100HZ,心電信號正常輸出時(shí)其幅值約為1mV,而A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平要求到達(dá)1V左

右，即心電放大倍數(shù)約為1000倍，由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。我們選用AD620儀表放大器作為系統(tǒng)前置放大器，它具有低噪聲、低漂移、高共模抑制比、高輸入阻抗等特點(diǎn)。它的增益通過1腳和8腳的電阻Rg來調(diào)節(jié)，可達(dá)1－100倍，計(jì)算公式為：G＝49.4 /Rg+1。我設(shè)計(jì)初級放大倍數(shù)在七級左右，選用精度為0.01％，阻值為8.25 的精密線繞電阻，后級選用TL064將信號放大到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電平要求。

圖三 心電后級放大及濾波電路

為抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲，設(shè)計(jì)一個(gè)RC高通濾波器；因心電信號的頻率在100HZ以下，為消除高頻信號和50HZ的工頻干擾，還設(shè)計(jì)了低通濾波和帶阻濾波器。

為防止導(dǎo)聯(lián)松動和脫落，設(shè)計(jì)導(dǎo)聯(lián)檢測電路，電極脫落時(shí)，比較器的輸出電平由正常的高電平變?yōu)榈碗娖?，產(chǎn)生報(bào)警信號，提醒患者檢查導(dǎo)聯(lián)。右腿驅(qū)動電路，人體共模電壓檢測出后，經(jīng)倒相放大反饋到人的右腿上，而沒有直接與放大器的地相聯(lián)，這樣人體的位移電流不流到地，而是流到運(yùn)放的輸出端，對AD620減小了共模電壓的拾取。

3．2、嵌入式處理器及外圍電路

S3C44B0X是Samsung公司為手持設(shè)備和一般類型的應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微處理器解決方案。CPU內(nèi)核采用ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARMTDMI RISC處理器（66HZ），內(nèi)核工作電壓為2.5V，帶有8KB的高速緩存，外部存儲控制器8個(gè)bank,共256MB，8通道10位ADC和支持彩色/黑白顯示LCD控制器，具有普通、慢速、空閑和停止功耗控制模式，精簡出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)適合于低成本和功耗敏感的設(shè)計(jì)。

3.2.1、A/D轉(zhuǎn)換

對心電信號的采用精度的考慮主要是出自于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化為0.05mV已經(jīng)得到公認(rèn)，因此采樣精度至少為0.025mV。根據(jù)美國心臟學(xué)會AHA標(biāo)準(zhǔn)和Nyquist采樣定律，當(dāng)信號采樣頻率等于或大于信號最高頻率的2倍時(shí)，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，我們?nèi)〔蓸宇l率為200HZ，即采樣周期為5ms.S3C44B0X內(nèi)部有一個(gè)逐次逼近型8路模擬信號輸入的10位ADC，輸入滿刻度電壓為2.5V，能分辨出來的輸入電壓變化的最小值為2.5V/2¹⁰=2.5mV，心電采集放大倍數(shù)約為1000倍，輸入端的最小分辨率約為2.5mV/1000=0.0025mV，故完全滿足系統(tǒng)采用要求。

3.2.2、系統(tǒng)程序存儲器Flash ROM和SDRM擴(kuò)展

S3C44B0X自身不具有ROM，因此必須外接ROM器件來存儲掉電后仍需要保存的程序代碼和數(shù)據(jù)。我們采用了SST公司推出的容量為1MB16的CMOS多用途Flash ROM,它具有可靠性好、功耗低、讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)復(fù)位后，首先從0X00000000地址處開始執(zhí)行，系統(tǒng)啟動代碼應(yīng)該以此地址開始存放，所以Flash映射在處理器的Bank0區(qū)域內(nèi)。

采用Linksmart公司的一種容量為8MB的SDRM L43L16064作為系統(tǒng)程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧區(qū)，供系統(tǒng)快速讀寫。它的存儲方式為4Bank1MB16，采用多Bank和管道結(jié)構(gòu)，具有自動刷新、低功耗和掉電模式。其存儲空間映射在S3C44B0X的Bank6上，地址范圍為：0XC000000H-0XCFFFFFFH。

3.2.3、液晶顯示LCD和鍵盤模塊

為了使用戶能夠?qū)Σ杉降男碾娦盘栍幸粋€(gè)直觀的印象和進(jìn)行常識性的觀察，我們采用了EPSON公司的EG1147型FSTN單色液晶顯示模，對時(shí)間、波形、心電參數(shù)和系統(tǒng)菜單進(jìn)行顯示，同時(shí)配合按鍵進(jìn)行儀器控制和設(shè)定。它的顯示器點(diǎn)陣為240320，采用EL背光源，自帶驅(qū)動器，通過對S3C44B0X內(nèi)置LCD控制器編程，將定位在存儲器的顯示緩沖器內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)傳送給外部LCD的驅(qū)動器中，PC口和PD口作為LCD驅(qū)動接口，設(shè)置PC口工作在第三功能狀態(tài)，PD口工作在第二功能狀態(tài)。

3.2.4、以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

S3C44B0X沒有集成網(wǎng)絡(luò)接口控制器NIC（Network Interface Controller），因此我們?yōu)橄到y(tǒng)擴(kuò)展了一個(gè)REALTECK公司的RTL8019AS控制器，它與NE2000兼容，軟件移植好，接口電路簡單。RTL8019AS工作原理：驅(qū)動程序把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照指定格式寫入芯片并啟動發(fā)送命令即可。反之，芯片從物理通道上收到信號會直接根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議把他們轉(zhuǎn)化成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，并發(fā)出中斷，請求CPU讀取數(shù)據(jù)。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)uClinux在S3C44B0X上的移植，心電數(shù)據(jù)的采集和存儲，基于S3C44B0X的嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)等。

4.1、嵌入式uClinux操作系統(tǒng)在S3C44B0X上的移植

uClinux是專門針對無MMU(Memory Management Unit 內(nèi)存管理單元)的處理器而設(shè)計(jì)的一種免費(fèi)開放源代碼的操作系統(tǒng)。支持多任務(wù)，采取模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)移植可分為bootloader和內(nèi)核的移植兩大部分。

Bootloader從本質(zhì)上講它不屬于系統(tǒng)內(nèi)核，在CPU上電啟動后即開始運(yùn)行，創(chuàng)立初始化環(huán)境和引導(dǎo)內(nèi)核。這部分代碼用匯編語言編寫，主要完成硬件初始化，對系統(tǒng)的存儲映射（memory map）進(jìn)行初始化設(shè)置等操作，同時(shí)改變PC值，使得CPU開始從SDRM執(zhí)行操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

內(nèi)核移植時(shí)首先RedHat Linux環(huán)境下下載源代碼文件包建立交叉編譯環(huán)境，接著進(jìn)入uClinux-dist文件夾進(jìn)行內(nèi)核配置，系統(tǒng)配置主要由三部分組成：Makefile、配置文件（config.in）和配置工具（在/script目錄下）。運(yùn)行make menuconfig命令，會現(xiàn)頂層菜單，選擇硬件系統(tǒng)、內(nèi)核版本和C庫的選擇，我們在這里vendors選Samsung的S3C44B0X，內(nèi)核版本為Linux-2.4-x,C庫選uClibc。接著要修改源代碼，對應(yīng)于各個(gè)硬件的子目錄中，例如在uClinux-dist/linux-2.4-x/drivers/修改或增加驅(qū)動程序；保存設(shè)置退出后運(yùn)行再執(zhí)行make dep和make lib_only命令,生成C庫；運(yùn)行make user_only生成應(yīng)用程序；接著運(yùn)行make romfs和make image,生成rom文件系統(tǒng)，拷貝內(nèi)核文件到uClinux-dist/images中；最后運(yùn)行make,生成可供嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)核文件，這時(shí)可以在uClinux-dist/images中出現(xiàn)三個(gè)文件:含“rom”是壓縮內(nèi)核，含“ram”是直接運(yùn)行的內(nèi)核，romfs.img是uClinux的文件系統(tǒng)?！皉am”和“rom”文件可以通過超級終端從PC串口下載到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存中直接運(yùn)行，這時(shí)超級終端上也將顯示uClinux的啟動信息。

4.2、基于S3C44B0X的嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)

屏幕驅(qū)動的程序設(shè)計(jì)主要是PSD（Pointer to Screen Device）的結(jié)構(gòu)指針，指針?biāo)赶虻慕Y(jié)構(gòu)中記錄了有關(guān)的一切屬性，根據(jù)顯示屬性判斷選擇那個(gè)子函數(shù)來提供有關(guān)的顯示函數(shù)。圖形引擎調(diào)用PSD完成矩形，圓形等作圖函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用底層的屏幕驅(qū)動基本作圖函數(shù)來完成圖形顯示。

4.3、RTL8019AS驅(qū)動程序在uClinux下的實(shí)現(xiàn)

在uClinux中，網(wǎng)絡(luò)接口被看作是一個(gè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的實(shí)體，用一個(gè)net_device的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義對網(wǎng)絡(luò)接口的各種操作。程序我們是在uClinux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動文件的基礎(chǔ)上修改而成，主要修改在/drivers/net下的兩個(gè)文件：ne.c和8390.c，包括芯片的初始化、收包、網(wǎng)絡(luò)注冊等大部分工作。內(nèi)核在初始化時(shí)會自動調(diào)用函數(shù)ne_probe()，讀取RTL8019AS標(biāo)識寄存器，檢測設(shè)備是否存在以決定是否啟動驅(qū)動程序，配置和初始化硬件，然后初始化net_device結(jié)構(gòu)中的變量，再調(diào)用Rtl8019as_init()對RTL8019AS做寄存器的相關(guān)設(shè)置，最后根據(jù)starp的值來啟動和關(guān)閉RTL8019AS。

五、結(jié)束語

針對心電信號ECG極其微弱和極易受到外界干擾的特點(diǎn)，本文的創(chuàng)新點(diǎn)為采用具有低漂移、共模抑制比的儀表放大器AD620對信號進(jìn)行初級放大，并設(shè)計(jì)右腿驅(qū)動電路以增強(qiáng)信號的抗干擾能力； LCD的引入給人直觀的印象和常識性的判斷；采集到的數(shù)據(jù)可通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，供專家分析和診斷；嵌入式uClinux的引入保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行；小型化的設(shè)計(jì)，更有利于患者的攜帶。隨著心血管疾病的發(fā)病率不斷地逐年上升，這種便攜式心電監(jiān)護(hù)儀具有很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張華 和衛(wèi)星 徐棟君 陳相朝 基于S3C44B0X的便攜式心電監(jiān)測儀的研制 2006
[2] 楊崎 劉大茂 一種用于心電信號采集接口的調(diào)理方法 福州大學(xué)學(xué)報(bào) 2003
[3] 唐鴻華,羅貴娥，呂揚(yáng)生. 基于S3C44B0X的智能儀表以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì).電子質(zhì)量.2004.6
[4] 張州 基于ARM7的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀及心電分析的研究 廣東工業(yè)大學(xué) 2005
[5] 唐懷武 基于ARM處理器的儀器網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用與研究浙江大學(xué) 2005
[6] ANALOG DEVICES INC． AD620 DATA SHEETS. 2005
[7] 毛德操 胡希明 Linux內(nèi)核源代碼情景分析 浙江大學(xué)出版社
[8] 吳旭 移植uClinux到嵌入式系統(tǒng)的方法有線電視技術(shù) 2005.14[9] 楊亮 楊宜民 陳波 基于uClinux平臺的程序設(shè)計(jì)《微計(jì)算機(jī)信息》 2004