基于S3C2410A處理器和嵌入式Linux實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程醫(yī)療是網(wǎng)絡(luò)科技與醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及進(jìn)入老齡化社會(huì)的需要，發(fā)展遠(yuǎn)程醫(yī)療已成為一種必然趨勢(shì)。遠(yuǎn)程醫(yī)療從使用對(duì)象上可分為：面向醫(yī)院的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)和面向家庭的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)。面向家庭的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的功能包括：遠(yuǎn)程“看醫(yī)生”、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)信息查詢(xún) /咨詢(xún)等。

國(guó)外的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療更加注重遠(yuǎn)程“看醫(yī)生”，個(gè)人/ 患者在家中就可與醫(yī)生進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音、圖像信息交流，可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)人體生理信號(hào)并給出診斷。這種系統(tǒng)是以視頻會(huì)議系統(tǒng)為核心，但目前還難以在我國(guó)普及，原因一是該系統(tǒng)的價(jià)格太貴，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道帶寬的限制，國(guó)外一般使用綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN），而我國(guó)現(xiàn)在普及到家庭的是普通電話系統(tǒng)（POTS），盡管通過(guò)這也可實(shí)現(xiàn)雙向視頻傳輸，但在圖像分辨率、每秒傳輸圖像楨數(shù)等方面，難以達(dá)到遠(yuǎn)程醫(yī)療的要求。作為遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要內(nèi)容之一的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，其傳輸?shù)闹皇侨梭w生理信號(hào)，其所需的通信速度通過(guò)普通電話線就可以滿(mǎn)足。因此，考慮到我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，發(fā)展遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)更加符合我國(guó)國(guó)情。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器）模式設(shè)計(jì)，使用該模式的最大好處是減少開(kāi)發(fā)工作量、運(yùn)行維護(hù)比較簡(jiǎn)便。將B/S模式引入嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，改變了過(guò)去需要同時(shí)開(kāi)發(fā)上位機(jī)和下位機(jī)軟硬件的做法，現(xiàn)在只需要在下位機(jī)（服務(wù)器端）的嵌入式設(shè)備中集成一個(gè)微型服務(wù)器，利用 HTML（超文本標(biāo)記語(yǔ)言）設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)模塊，就可在上位機(jī)（瀏覽器端）使用IE等瀏覽器接收和解析此模板，從而為用戶(hù)提供一個(gè)視覺(jué)效果好、操作方便的工作界面。

首先基于ARM9處理器S3C2410A和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出支持嵌入式Web Server的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，再通過(guò)移植嵌入式Web Server—boa，配合數(shù)據(jù)采集和處理等模塊，構(gòu)造一套適用于家庭的便攜式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)終端。在監(jiān)護(hù)終端，利用生物電引導(dǎo)電極采用標(biāo)準(zhǔn)三導(dǎo)聯(lián)方式將人體心電信號(hào)拾取出，經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)理模塊，經(jīng)該模塊的濾波、放大后得到初級(jí)的生物電信號(hào)，再經(jīng)由S3C2410自帶的ADC引腳送入Web服務(wù)器模塊，心電信號(hào)在此模塊中經(jīng)過(guò)各種運(yùn)算分析后得到反映心臟特征的信號(hào)， LCD上實(shí)時(shí)的顯示心電波形和病人的個(gè)人信息，同時(shí)將心電信號(hào)存儲(chǔ)于片外Flash ROM中，終端通過(guò)以太網(wǎng)口接入以太網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程交互。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

硬件電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路模塊

心電信號(hào)的檢測(cè)是屬于強(qiáng)噪聲背景下的微弱信號(hào)檢測(cè)，信號(hào)具有微弱、低頻、高阻抗、不穩(wěn)定和隨機(jī)等特點(diǎn)。此信號(hào)的主要頻率范圍為0.05~100Hz， 幅值范圍為0.5~5mV。微弱的心電信號(hào)還受到多種干擾，其特征被淹沒(méi)在復(fù)雜的信號(hào)之中。又由于生物電引導(dǎo)電極在拾取人體電信號(hào)時(shí)與人體接觸會(huì)產(chǎn)生極化電壓。因此，為了滿(mǎn)足檢測(cè)要求，信號(hào)調(diào)理電路必須要較好的抑制各種干擾、不失真的放大心電信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)調(diào)理電路模塊主要包括前端電路、信號(hào)放大電路和陷波電路。電路框圖如圖2。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路框圖

前端電路

前端電路作為信號(hào)調(diào)理電路的第一級(jí)，其功能主要是為了抑制環(huán)境中的干擾噪聲、提高前置放大器的共模抑制能力。緩沖放大器一般采用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)，其緩沖隔離作用減小了生物信號(hào)源對(duì)放大器的過(guò)高要求，提高了電路的輸入阻抗，減少心電信號(hào)衰減和匹配失真。使用屏蔽層驅(qū)動(dòng)電路可以較好的去除導(dǎo)聯(lián)線屏蔽層分布電容的不等量衰減造成對(duì)放大器總CMRR（共模抑制比）的影響。由于人體本身可通過(guò)各種渠道從環(huán)境中拾取工頻50Hz交流電壓，在心電測(cè)量中形成交流共模干擾，這種干擾常在幾伏以上，采用右腿驅(qū)動(dòng)電路后能夠使50Hz共模干擾電壓降到1%以下。電路圖如圖3。

圖3 前端電路

信號(hào)放大電路

信號(hào)放大電路采用兩級(jí)放大，如圖4，差動(dòng)放大U805為前置級(jí)，同相放大U809構(gòu)成第二級(jí)。根據(jù)心電信號(hào)檢測(cè)的特點(diǎn)，通常要求放大器具有高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移、非線性度小、合適的頻帶和動(dòng)態(tài)范圍的性能。前置放大器的輸入電阻一般要求》2兆歐，輸入電阻越大，因電極接觸電阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于極化電壓的存在， 為防止前置放大器工作于飽和或截止區(qū)，前置級(jí)的增益不能太高，實(shí)驗(yàn)表明放大10倍左右效果較好。因此選用儀表放大器MAX4196，該芯片可采用單電源供電，其功耗最低達(dá)到8mA，共模抑制比為115dB，輸入偏移電壓為50mV，-3dB帶寬可達(dá)250kHz，輸入阻抗為1000MW，增益固定為 10（V/V）。

圖4 兩極放大和濾波電路

前置放大器部分總的共模抑制比為：

公式放大器閉環(huán)差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：運(yùn)放本身的值;CMRRR：外電路電阻匹配精度限定的CMRR，d：電阻精度。因此在電路中，要精確匹配外電路電阻R812=R813，以使共模輸出變得更小。

主放大器采用MAX4197（特性與MAX4196一樣），其增益固定為100（V/V）。信號(hào)調(diào)理電路的總放大倍數(shù)為1000倍。在圖4中，電容C805具有去除極化電壓功能，并與電阻R820構(gòu)成高通濾波電路，用于抑制直流漂移和放大器通帶外的低頻噪聲。

陷波電路

工頻干擾是心電信號(hào)的主要干擾，雖然前端電路和前置放大器已對(duì)共模干擾具有較強(qiáng)的抑制作用，但有部分工頻于擾是以差模信號(hào)進(jìn)入電路的，且頻率處于心電信號(hào)頻帶之內(nèi)，加上電極和輸入回路不穩(wěn)定等因數(shù)，前級(jí)電路輸出的心電信號(hào)仍然存在較強(qiáng)的工頻干擾，因此必須將其濾除。本設(shè)計(jì)采用的是無(wú)限增益多路反饋型二階陷波器，電路如圖5。

圖5 陷波電路

嵌入式Web服務(wù)器模塊

考慮本系統(tǒng)定位于家庭使用，且系統(tǒng)需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，又由于系統(tǒng)需要良好的人機(jī)交互環(huán)境、存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)以及支持網(wǎng)絡(luò)通信，所以要求處理器具有功耗低、成本低、豐富的接口和支持操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用ARM9處理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持設(shè)備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應(yīng)用上。其 CPU內(nèi)核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線和Harvard高速緩存體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù) Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V內(nèi)核供電，3.3V存儲(chǔ)器供電，3.3V外部I/O供電;外部存儲(chǔ)器控制器;LCD控制器提供1通道LCD專(zhuān)用DMA; 8通道10位ADC接口，轉(zhuǎn)換速率最大為500KSPS（Kilo Sample Per Second，千采樣點(diǎn)每秒）;117位通用I/O口和24通道外部中斷源;電源控制模式包括正常、慢速、空閑和掉電4種模式;支持NAND Flash的啟動(dòng)裝載。

對(duì)心電信號(hào)采樣精度的考慮主要出于對(duì)ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化約為0.05mV，因此采樣精度至少為0.025mV。當(dāng)采用10位 A/D轉(zhuǎn)換器工作在正極性、滿(mǎn)刻度電壓為2.5V時(shí)，可分辨的最小輸入電壓為2.5mV，而信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù)為1000倍，則輸入端的最小分辨率約為 0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

為了使用戶(hù)能夠直觀的觀察心電和便于控制設(shè)備，設(shè)計(jì)采用東華公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人機(jī)交互界面。為滿(mǎn)足移植操作系統(tǒng)以及存儲(chǔ)心電信號(hào)、網(wǎng)頁(yè)等數(shù)據(jù)的要求，系統(tǒng)外擴(kuò)了64M的NAND Flash（使用一片K9F1208UOB）和64M的SDRAM（使用兩片HY57V561620）。為滿(mǎn)足終端聯(lián)網(wǎng)的需求，選用CS8900A用于設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)適配器，CS8900A是一個(gè)真正的單芯片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品，更方便的是在Linux內(nèi)核中提供有CS8900A適配器的驅(qū)動(dòng)程序。

電源部分

為增加安全性、降低功耗、節(jié)省成本，設(shè)計(jì)采用9V堿性電池供電，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片AS1117-3.3將9V轉(zhuǎn)換為3.3V可供給放大器芯片和S3C2410使用。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）程序的設(shè)計(jì)，功能程序的設(shè)計(jì)。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖

Linux的移植

本設(shè)計(jì)采用linux-2.4.18內(nèi)核。正確進(jìn)行Linux移植的前提是具備一個(gè)與Linux配套、易于使用的BootLoader，它能夠正確完成硬件系統(tǒng)的初始化和Linux的引導(dǎo)。本系統(tǒng)中采用vivi，它是由韓國(guó)MIZI公司提供的一款針對(duì)S3C2410芯片的BootLoader。

Linux內(nèi)核的目錄/arch中包含了所有與硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)核移植代碼，目錄/arch中的每個(gè)子目錄代表了一種Linux支持的處理器。移植Linux到S3C2410平臺(tái)主要是修改/arch/arm目錄及其子目錄下相關(guān)的makefile文件和配置文件。例如：修改內(nèi)核根目錄下的 Makefile文件，指明要移植的硬件平臺(tái)為ARM：ARCH：=arm，指明使用的交叉編譯器CROSS_COMPILE=/opt/host /armv41/bin/armv41-unknown-linux-;修改arm/arm目錄下的config.in文件，配置S3C2410的相關(guān)信息;為初始化處理器，還需在arch/arm/boot/compressed目錄下添加head-s3c2410.s文件。內(nèi)核修改完成后，用命令 make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令編譯內(nèi)核，編譯通過(guò)后則在目錄arch/arm/boot下生成zImage內(nèi)核文件，還需利用工具軟件MKCRAMFS制作 cramfs文件系統(tǒng)。最后，在minicom終端的vivi命令行下利用load命令將內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)系統(tǒng)，至此移植完成。

Boa的移植和CGI程序設(shè)計(jì)

由于嵌入式設(shè)備資源有限，并且不需要同時(shí)響應(yīng)多用戶(hù)請(qǐng)求，因此一般使用一些專(zhuān)門(mén)的Web服務(wù)器用于嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。Boa是單任務(wù)web服務(wù)器，源代碼開(kāi)放，性能高，支持CGI，能為CGI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度和安全，可執(zhí)行代碼只有約60KB。移植Boa的過(guò)程如下：從 sourceforge.net上下載 boa-0.94.13，在其解壓目錄下生成并修改makefile文件，然后運(yùn)行make得到可執(zhí)行程序，利用命令armv4l-unknown- linux-strip將調(diào)試信息剝?nèi)?，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的運(yùn)行。最后將生成的可執(zhí)行程序Boa掛載到目標(biāo)系統(tǒng)，若能成功訪問(wèn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)和運(yùn)行測(cè)試用的CGI程序，則表明配置成功。

通用網(wǎng)關(guān)接口CGI可將Web服務(wù)器連接到外部應(yīng)用程序，它主要完成兩件事情：一是收集從Web瀏覽器發(fā)送給Web服務(wù)器的信息，并將這些信息提供給外部程序利用;二是對(duì)提出請(qǐng)求的Web瀏覽器發(fā)送程序的輸出。CGI具有平臺(tái)獨(dú)立性、語(yǔ)言獨(dú)立性和層次感等優(yōu)點(diǎn)。利用CGI程序則可以實(shí)時(shí)執(zhí)行并輸出動(dòng)態(tài)信息，且其占用資源少。CGI程序的執(zhí)行過(guò)程為：瀏覽器將表單數(shù)據(jù)以POST方法提交給Web服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)收到的數(shù)據(jù)設(shè)置環(huán)境變量，并新開(kāi)一子進(jìn)程來(lái)執(zhí)行CGI程序，CGI程序從環(huán)境變量中讀取所需要的數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用用戶(hù)自定義的外部功能函數(shù)完成數(shù)據(jù)處理后，再讀取相應(yīng)的HTML模板文件，根據(jù)注釋標(biāo)記將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)填充到HTML文件中，生成新的HTML頁(yè)面經(jīng)Web服務(wù)器返回給瀏覽器。

為快速開(kāi)發(fā)符合應(yīng)用要求的CGI程序，在設(shè)計(jì)時(shí)添加了CGIC庫(kù)和gd庫(kù)。CGIC是一個(gè)功能強(qiáng)大的支持CGI開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)。 Thomas Boutell編寫(xiě)的gd庫(kù)是標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言庫(kù)，具有基本的繪圖等功能。為實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上動(dòng)態(tài)顯示心電波形，將每次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)功能程序處理后存儲(chǔ)的同時(shí)送給CGI程序，利用gd庫(kù)提供的函數(shù)來(lái)創(chuàng)建圖像。通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)模塊上設(shè)定刷新時(shí)間（使用HTML語(yǔ)言的META標(biāo)記），從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上心電波形的動(dòng)態(tài)顯示。

主程序設(shè)計(jì)

主程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，然后阻塞監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)接口是否有連接請(qǐng)求，一旦客戶(hù)端發(fā)出連接請(qǐng)求，則在服務(wù)器端產(chǎn)生中斷;讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，這一步主要是解析HTTP協(xié)議，需要判斷連接請(qǐng)求是否符合服務(wù)器規(guī)定的請(qǐng)求格式，判斷是連接請(qǐng)求的請(qǐng)求方法，判斷請(qǐng)求的文件是否存在服務(wù)器上，判斷認(rèn)證信息是否正確等等;在處理A/D采集的數(shù)據(jù)這一過(guò)程中，首先要將采集后的心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，主要是抑制心電信號(hào)中的50Hz工頻干擾，再完成濾波后，將數(shù)據(jù)送到本地的LCD上顯示，同時(shí)將當(dāng)前的數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)的格式發(fā)送到網(wǎng)口。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位于家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)，通過(guò)在用于生理特征信息監(jiān)測(cè)的嵌入式系統(tǒng)中集成Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)Internet的接入，從而實(shí)現(xiàn)用于遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。其意義在于：設(shè)計(jì)出一套價(jià)格低且易于推廣的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，改變目前我國(guó)家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)落后的狀況;有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的監(jiān)護(hù)水平，有利于提高中老年人群突發(fā)疾病患者的整體救治率;為醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供大量有價(jià)值的我國(guó)中老年人群疾病的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科研工作。

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