心電圖(ECG)是心臟疾病診斷的重要手段。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由醫(yī)院的心電圖儀記錄的短時間心電活動,由于心臟病發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性,所以在非發(fā)作期做常規(guī)心電圖檢查獲取疾病信息的幾率很低。
因此,將心電監(jiān)護從病床邊、醫(yī)院內擴展到家中,實現(xiàn)實時遠程監(jiān)護具有重要的現(xiàn)實意義。
互聯(lián)網(wǎng)尤其是無線網(wǎng)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(jiān)護對心臟病診斷的重要性也使得遠程監(jiān)護也具有現(xiàn)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(jiān)護系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以隨時隨地將患者的心電信號通過GPRS網(wǎng)絡無線發(fā)送到設在醫(yī)院的PC機上,或者將心電數(shù)據(jù)先存儲在本系統(tǒng)中,然后再通過USB實現(xiàn)高速回放。
系統(tǒng)的總體設計
本文所設計的便攜式移動心電監(jiān)護系統(tǒng)由心電監(jiān)護儀、通信網(wǎng)絡和監(jiān)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(jiān)護系統(tǒng)總體框圖
心電監(jiān)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(shù)據(jù),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(shù)據(jù)后,可以通過GPRS無線上網(wǎng),利用無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給位于監(jiān)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(jiān)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(jīng)過反復地分析比較,最終決定采用Z-World公司的工業(yè)級控制芯片Rabbit3000微處理器作為心電監(jiān)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(zhí)行速度。
系統(tǒng)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(shù)據(jù)的無線傳送。為實現(xiàn)此功能,本系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(tài)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)的本地高速回放,它提供了另一種數(shù)據(jù)傳輸手段。通常的串口RS-232只是利用一條線進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的傳輸,充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴1鞠到y(tǒng)采用恩智浦公司的PDIUSBD12實現(xiàn)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(guī)范。是在USB1.1協(xié)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(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸是通過8位數(shù)據(jù)線來實現(xiàn)的,即D12的并口數(shù)據(jù)線D0-D7與Rabbit3000的數(shù)據(jù)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(fā)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(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉12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(fā)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(shù)據(jù)總線方式:多路地址/數(shù)據(jù)總線方式和單地址數(shù)據(jù)總線方式。本系統(tǒng)采用單地址數(shù)據(jù)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(fā)命令;當A0=0時,CPU向D12寫數(shù)據(jù)或從D12讀數(shù)據(jù)。因此,地址0xE001為發(fā)送命令地址,地址0xE000為讀寫數(shù)據(jù)地址。
系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)送AT指令,進行撥號、設置等操作。
MC35與網(wǎng)關的通信協(xié)議為PPP協(xié)議(Point-to-Point Protocol),PPP協(xié)議是一種基于TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,是為在兩個對等實體間傳輸數(shù)據(jù)包,建立簡單連接而設計的,主要用于廣域網(wǎng)的連接,但在局域網(wǎng)的撥號連接中同樣可以采用。MC35本身不支持PPP協(xié)議,要通過MC35撥號上網(wǎng)必須編寫程序實現(xiàn)PPP協(xié)議,同時還要實現(xiàn)TCP/IP協(xié)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(wǎng)網(wǎng)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(tài):數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài)。MC35在空閑狀態(tài)下的電流一般為15mA,而且在空閑狀態(tài)下,MC35還支持多種休眠模式。為降低功耗,本系統(tǒng)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(jiān)護系統(tǒng)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(fā)者角度來看,最大的缺點就是協(xié)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(xié)議規(guī)定任何傳輸過程都是由主機端發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)傳輸了。
本系統(tǒng)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(fā),Rabbit3000的中斷為上升沿或下降沿觸發(fā)。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(tǒng)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(tǒng)采用VB編寫上位機應用程序。它主要負責實現(xiàn)利用USB接口從心電監(jiān)護儀中讀取心電數(shù)據(jù),并把心電數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中,同時在PC機屏幕上繪制心電波形。
本文小結
本文所研制的便攜式移動心電監(jiān)護儀,能夠在計算機屏幕上準確地描繪出心電波形,經(jīng)中國醫(yī)科大學附屬二院的醫(yī)生認定,可作為臨床診斷依據(jù);本系統(tǒng)實用性強,且體積小、經(jīng)濟方便?;颊呖呻S時隨地對心臟進行實時監(jiān)護,而不受時間和空間限制;本系統(tǒng)所具有的無線傳輸功能,可以實時地把心電數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)院供醫(yī)生診斷,極大地提高了急救效率。
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