基于AVR單片機(jī)的便攜式無(wú)線醫(yī)療點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)

　　引言

　　智能化和便攜式是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，醫(yī)療電子的智能化使得醫(yī)務(wù)人員的操作變得更方便。醫(yī)務(wù)人員可隨身攜帶手持式監(jiān)控儀對(duì)各病房點(diǎn)滴實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)了解相關(guān)情況；如遇突發(fā)情況如點(diǎn)滴低于設(shè)定警戒值，終端監(jiān)控裝置可產(chǎn)生中斷信號(hào)，主控制端則可優(yōu)先進(jìn)行相應(yīng)的處理。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以AT32UC3A0512［1］單片機(jī)為主控制器的便攜式遠(yuǎn)程無(wú)線點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)，可及時(shí)了解點(diǎn)滴狀態(tài)，提高醫(yī)療點(diǎn)滴設(shè)備安全性。

　　1 系統(tǒng)原理介紹

　　本系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：手持式控制端和終端監(jiān)控裝置。手持式控制端主要實(shí)現(xiàn)信息輸入和查詢(xún)界面的操作，通過(guò)輸入待查詢(xún)的病房號(hào)及點(diǎn)滴速度值，以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送給相應(yīng)的病房監(jiān)控終端，實(shí)時(shí)顯示終端傳送來(lái)的點(diǎn)滴狀態(tài)數(shù)據(jù)信息。終端監(jiān)控裝置主要負(fù)責(zé)點(diǎn)滴狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和處理（點(diǎn)滴流速與點(diǎn)滴液位等），以及將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送給主控制端；對(duì)于點(diǎn)滴液位低于設(shè)定值、病人呼叫等緊急事件，按照中斷模式處理，發(fā)出報(bào)警提示，并將事件類(lèi)型以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送至主控制端。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 控制端部分硬件設(shè)計(jì)

　　手持式控制端采用Atmel公司的32位RISC處理器AT32UC3A0512為主控制器［1］。它的功耗低，吞吐量高，內(nèi)部具有512K Flash和64K的SRAM，CPU工作頻率最高可達(dá)66 MHz；在3.3 V電壓下，工作電流約40 mA，待機(jī)電流則僅為30 μA。內(nèi)部高度集成的硬件資源可簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)，如內(nèi)部Flash、USB、ADC、EBI和以太網(wǎng)等外設(shè)接口可供設(shè)計(jì)者使用。

　　2.1.1 觸摸按鍵模塊

　　采用Quantum Research Group公司的電容式觸摸按鍵模塊IC QT1801，［2］具有功耗低，外圍電路簡(jiǎn)單，可同時(shí)支持8個(gè)觸摸按鍵輸入等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)內(nèi)部濾波整形后，在對(duì)應(yīng)的按鍵口輸出邏輯電平，根據(jù)外圍電阻值的不同選擇可以設(shè)置IC QT1801的各種模式?！　」ぷ髂Ｊ降脑O(shè)置如下：在全模式（Full Option Mode）下，需在引腳SNSx（x=0，1，…，7）接1 MΩ電阻；在精簡(jiǎn)模式下，需在引腳SNS6K和SNS7之間串接一個(gè)1 MΩ電阻。按鍵輸出值模式有2種：Oneperkey和Binary Code。當(dāng)有按鍵觸摸時(shí)在24引腳（DETECT）產(chǎn)生觸摸中斷信號(hào)，高電平有效。其中，CS1~CS5為觸摸按鍵輸入，其接口電路如圖2所示。

　　圖2 觸摸按鍵模塊電路圖

　　2.1.2 LCD顯示模塊

　　顯示部分采用EDT公司的LCD顯示模塊ET024006DHU，該LCD模塊內(nèi)部集成了圖形控制驅(qū)動(dòng)器HX8347A，MCU可通過(guò)兩種接口方式對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作來(lái)控制LCD的顯示，分別是并行接口模式和SPI接口模式。并行接口模式下可選擇8/16位數(shù)據(jù)和16/18位RGB數(shù)據(jù)，串行SPI接口模式下可將8/16位數(shù)據(jù)和16/18位RGB數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入內(nèi)部寄存器。

　　2.1.3 無(wú)線通信模塊nRF24L01［3］

　　無(wú)線通信部分采用單片射頻收發(fā)芯片，其工作頻段為世界通用的ISM頻段（2.4～2.5 GHz），是一款真正的GFSK單收發(fā)芯片。內(nèi)置鏈路層，具有自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能，支持地址及CRC檢驗(yàn)功能。它具有極低的電流消耗，掉電和待機(jī)模式下電流消耗更低；數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2 Mbps，內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口可與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，速率最高可達(dá)8 Mbps；可工作在125個(gè)可選頻道，在接收模式下，可同時(shí)接收工作在同一頻道的6個(gè)數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)，相互通信的收發(fā)器的數(shù)據(jù)通道設(shè)置為同一個(gè)地址。

　　通過(guò)對(duì)nRF24L01內(nèi)部寄存器的讀/寫(xiě)來(lái)控制其工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)的收發(fā)，當(dāng)收發(fā)器數(shù)據(jù)接收/發(fā)送完成或者出現(xiàn)異常時(shí)，IRQ引腳產(chǎn)生中斷信號(hào)，低電平有效，對(duì)STATUS寄存器相應(yīng)位寫(xiě)“1”，清除中斷標(biāo)志。無(wú)線通信模塊硬件連接如圖3所示。

　　2.2 終端監(jiān)控裝置硬件設(shè)計(jì)

　　終端監(jiān)控裝置采用ATmega128單片機(jī)，主要接收控制端發(fā)送的命令數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理發(fā)送給控制端，完成病人呼叫、液面監(jiān)測(cè)、對(duì)點(diǎn)滴速度的檢測(cè)與控制，以及聲音報(bào)警等功能。

　　2.2.1 點(diǎn)滴速度控制模塊

　　點(diǎn)滴速度控制電路采用專(zhuān)用的步進(jìn)電機(jī)控制芯片L297、雙全橋步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298。L297內(nèi)部的PWM斬波器電路在開(kāi)關(guān)模式下可產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)繞組中的電流，從而控制電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)；它產(chǎn)生的4相控制信號(hào)可用于控制兩相雙極性和四相單極性步進(jìn)電機(jī)。L298內(nèi)含HBridge高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，4路驅(qū)動(dòng)電路可驅(qū)動(dòng)46 V、2 A以下的兩相或四相步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。通過(guò)精確控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制點(diǎn)滴裝置的流速夾滾軸的滑動(dòng)，以達(dá)到控制點(diǎn)滴滴落速度的目的。硬件連接圖如圖4所示。

　　圖3 無(wú)線模塊硬件圖

　　圖4 點(diǎn)滴速度控制電路圖

　　2.2.2 點(diǎn)滴速度和液位檢測(cè)模塊

　　利用紅外對(duì)管發(fā)射方法測(cè)量點(diǎn)滴速度。點(diǎn)滴檢測(cè)電路包括紅外發(fā)射、接收、脈沖整形3部分，硬件原理圖如圖5所示。ST1150是單光速直射式紅外光電傳感器，光縫寬度為1.5 mm，光軸中心為2.5 mm，紅外檢測(cè)面積較小。當(dāng)無(wú)液滴通過(guò)時(shí)，接收管（ST1150內(nèi)部的三極管）導(dǎo)通，Vin為低電平；當(dāng)有液滴通過(guò)時(shí)，接收管截止，Vin處產(chǎn)生高電平脈沖，經(jīng)過(guò)斯密特觸發(fā)器整形后在Vout處產(chǎn)生一串規(guī)則的方波脈沖，并送至ATmega128進(jìn)行處理。

　　圖5 點(diǎn)滴速度檢測(cè)電路

　　液位檢測(cè)則采用反射式紅外傳感器，電路檢測(cè)原理電路和點(diǎn)滴速度檢測(cè)電路類(lèi)似。ST198是采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成的反射式光電傳感器，采用非接觸檢測(cè)方式，檢測(cè)距離為2～10 mm時(shí)可用。當(dāng)液位低于設(shè)定值時(shí)，接收管接收到的是電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)反相器倒相后送至單片機(jī)，觸發(fā)中斷。當(dāng)紅外對(duì)射管為ST1150時(shí)用于點(diǎn)滴速度檢測(cè)，為ST198時(shí)用于液位檢測(cè)。

　　3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　?。?） 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

　　定義一個(gè)通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)來(lái)管理控制端與設(shè)備間的通信，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀的解析，主/從設(shè)備可以高效率地完成數(shù)據(jù)處理。按照通信傳輸?shù)南群箜樞?，?shù)據(jù)幀的格式為：命令（1字節(jié)）+設(shè)備ID（1字節(jié)）+事件類(lèi)型（1字節(jié)）+數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度（1字節(jié)）+數(shù)據(jù)域（n字節(jié)）+校驗(yàn)和（2字節(jié)）。

　?。?） μC/OSII的移植

　　μC/OSII是一種開(kāi)源、結(jié)構(gòu)可裁剪的可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的RTOS，其大部分代碼都是C語(yǔ)言，可移植性較強(qiáng)，已在多種系列的CPU上進(jìn)行了移植。AVR Studio 5內(nèi)部集成了Software Framework軟件包，包含Atmel MCU接口驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在AVR Studio 5環(huán)境下，移植μC/OSII到AT32UC3A0512 MCU上，需要在Micrium官方移植實(shí)例中進(jìn)行以下修改：

　?、?修改exception.S文件中的內(nèi)容，修改如下：

　　_handle_Supervisor_Call：

　　lddpcpc，__OSCtxSw

　　__OSCtxSw：。

　　longOSCtxSw

　?、?修改cpu.h內(nèi)容如下：

　　#define CPU_CRITICAL_ENTER（）

　　{cpu_sr = CPU_SR_Save（）;}

　　#define CPU_CRITICAL_EXIT（）

　　{CPU_SR_Restore（cpu_sr）;}

　　#define CPU_SR_Save（）cpu_irq_save（）

　　#define CPU_SR_Restore（cpu_sr）

　　cpu_irq_restore（cpu_sr）

　　#define CPU_IntDis（）Enable_global_interrupt（）

　　#define CPU_IntEn（）Disable_global_interrupt（）

　　#define CPU_ExceptDis（）Disable_global_exception（）

　　#define CPU_ExceptEn（）Enable_global_exception（）

　　#define CPU_Reset（）Reset_CPU（）

　　圖6 主控制端的軟件結(jié)構(gòu)圖

　?。?） 控制器部分軟件設(shè)計(jì)

　　在μC/OSII系統(tǒng)下的軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

　　主控制端主要通過(guò)LCD界面來(lái)完成用戶的操作，5個(gè)觸摸鍵為界面操作按鍵，數(shù)字鍵盤(pán)用軟件實(shí)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)字鍵盤(pán)輸入要查詢(xún)的病房號(hào)，確認(rèn)后即可查詢(xún)到該病房中點(diǎn)滴的速度、余量等狀態(tài)。

　　界面菜單的切換關(guān)系通過(guò)定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)體定義為：

　　typedef struct MenuItem{

　　U8 MenuNum;//當(dāng)層菜單項(xiàng)目數(shù)

　　U8 *DispStr; //顯示字符串

　　struct MenuItem *ChildrenMenus;//子菜單節(jié)點(diǎn)

　　struct MenuItem *ParentMenus; //父菜單節(jié)點(diǎn)

　　} Menu;

　?。?） 終端監(jiān)控部分軟件設(shè)計(jì)

　　終端接收到控制端發(fā)來(lái)的命令數(shù)據(jù)包，解析出命令，實(shí)施相應(yīng)的處理，并將數(shù)據(jù)處理后打包發(fā)送給控制端。終端控制部分的軟件流程如圖7所示。

　　圖7 終端主程序

　　結(jié)語(yǔ)

　　基于AVR32MCU和μC/OSII的嵌入式系統(tǒng)，利用無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建增強(qiáng)了系統(tǒng)的可移動(dòng)性。本文提出的一種基于AVR32的便攜式點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將醫(yī)療點(diǎn)滴監(jiān)控裝置小型化，近距離范圍內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定。由于資源有限，關(guān)于遠(yuǎn)距離控制的網(wǎng)絡(luò)組建還在進(jìn)一步探索。