便攜式微電腦多參數(shù)生理監(jiān)護儀的研制
關鍵詞：便攜式 多參數(shù) 生理監(jiān)護
前言
多參數(shù)重量監(jiān)護儀能為醫(yī)學臨床診斷提供重要的病人信息，可實時檢測人體的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數(shù)，實現(xiàn)對各參數(shù)的監(jiān)督報警。信息存儲和傳輸，是一種監(jiān)護病人的重要設備，但目前國內的監(jiān)護儀一般功能單一，多為CRT顯示，體積較大，移動不方便，存在著不足。
該便攜式微電腦參數(shù)生理監(jiān)護儀，檢測參數(shù)多，設計緊湊，體積小巧，攜帶方便，既可用于病房，也可用于室外，可以定時、連續(xù)、長時間地檢測病人的重要生命特征參數(shù)，它在保障病人的生命安全方面具有重要的臨床使用價值。
工作原理
1.系統(tǒng)工作原理
便攜式微電腦多參數(shù)生理監(jiān)護儀的主機由兩個16位微控制器80C196組成。
系統(tǒng)通過信號檢測與預處理模塊將生物醫(yī)學信號轉換成電信號，并進行干擾抑制、信號濾波和放大等預處理。然后，通過數(shù)據(jù)提取與處理模塊進行采樣、量化，并對各參數(shù)進行計算分析，結果與設定閾值比較，進行監(jiān)督報警，將結果數(shù)據(jù)實時存儲到RAM，并可實時傳送至PC機上，在PC機上可實時顯示各參數(shù)值。
2.系統(tǒng)結構
系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該監(jiān)護儀由兩個單片機組成雙CPU系統(tǒng)。
單片機1完成對體溫、心電波形、脈搏脈形的信號檢測、處理、數(shù)據(jù)存儲，并通過LCD顯示屏對各波形、參數(shù)進行定時顯示、報警。
單片機2承擔其中耗時較長的血壓測量及血氧飽和度的檢測，使之不影響整個系統(tǒng)的正常工作，同時還承擔對心率、呼吸頻率的測定。
兩個單片機間的信息交換通過1個8位的并行口進行，由2根I/O口實現(xiàn)通信控制。具體是用P1口，配合兩個高速輸入、輸出I/O口（HIS.0、HSO.0），用作兩個單片機之間的數(shù)據(jù)傳送。這種雙機間的連續(xù)方式屬于松耦合的多處理機系統(tǒng)（參考文獻8），在硬件實現(xiàn)上較為簡單，只需在軟件編程時，為其通信方式設計必要的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸方式等。
3.系統(tǒng)硬件設計
（1）系統(tǒng)采用EEPROM 28C64作為程序存儲器；采用一片非易失性靜態(tài)存儲器（NASRAM）作為數(shù)據(jù)存儲器。NASRAM具有靜態(tài)存儲器的優(yōu)點，同時具有非易失性的特點。非易失性的特點是指存儲芯片在掉電的情況下，能夠正確無誤地保存所有數(shù)據(jù)，保存時間長達10年。采用芯片的非易失性的特點可以不用為此芯片提供掉電備用電源，即可實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保護。
（2）液晶顯示模塊
為了對心電波形、脈搏波形及其它生理參數(shù)進行顯示，而且對波形顯示具有足夠的分辨率，為此系統(tǒng)采用圖形液晶顯示屏。為了減少儀器的體積，實現(xiàn)系統(tǒng)低成本，功耗小的要求，選用了特別適用于便攜式監(jiān)護儀的單色LCD顯示屏。
該顯示屏為日立LMG70520XNGR液晶顯示屏，點陣數(shù)為640×200，點尺寸為0.22×0.30，其驅動電源為+5V和-20～-21V,耗電僅8mW，能滿足本系統(tǒng)的要求。
為控制該顯示屏的顯示，我們選取了適用于該顯示屏的顯示控制器SED1330。該芯片是用于計算機的指令與數(shù)據(jù)，并產生相應的時序及數(shù)據(jù)控制液晶顯示屏的顯示。該控制器自帶RAM，自行管理顯示緩沖區(qū)，與CPU之間通過8位數(shù)據(jù)并行傳輸，與顯示屏之間是4位數(shù)據(jù)并行傳輸。
（3）鍵盤輸入模塊
系統(tǒng)設計的功能鍵采用中斷方式輸入。當有任一功能鍵按下時，產生鍵盤中斷，CPU執(zhí)行中斷程序，讀取鍵碼，執(zhí)行相應操作；沒有鍵按下時，不占用CPU的運行時間，提高了CPU的運行效率。
鍵盤采用兩片74LS373構成矩陣軟件編碼鍵盤，鍵盤部分直接掛在單片機1的總線上。不占用單片機I/O口線，也不必為此擴展系統(tǒng)I/O口，可減少系統(tǒng)消耗功率。
通過為鍵盤分配相應的I/O地址，可采用讀寫該地址的方式獲得鍵碼。硬件實現(xiàn)簡單，軟件編程方便。
（4）電源系統(tǒng)
基于低功耗和便于攜帶使用的考慮，系統(tǒng)采用電池供電及外接AC-DC變換器件供電的方式。設計采用三節(jié)1.5V電池供電。該電壓通過穩(wěn)壓器件提供+5V的電壓給系統(tǒng)工作。同時采用DC-DC電壓變換器+5V的電壓變換至-18～-24V電壓，以提供給LCD顯示屏工作。
選擇電池作為電源是基于如下考慮：具有高輸出能力、小型結構、標準尺寸和低價格。
（5）外圍器件控制
系統(tǒng)各外圍器件的片選信號由74LS373鎖存的地址信號，經芯片GAL16V8C譯碼產生。GAL芯片是可編程邏輯陣列，通過對其引腳的編程，將其作為譯碼器，依據(jù)P4口高字節(jié)8位地址進行片選，其編程方便，使用靈活。系統(tǒng)除用作譯碼器外，在單片機2中，還用作控制氣泵和氣閥的開關。
通過簇已分配給氣泵或氣閥I/O口地址，寫上“0”或“1”，則輸出引腳OUT1、OUT2為低或高電平。該電平將保持，直到再次往同一地址寫“1”或“0”，如此，可定時控制氣泵或氣閥開關。
4.系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件的主要特點是，以實時數(shù)據(jù)為核心，以功能獨立化、結構模塊化為軟件設計模式。系統(tǒng)開發(fā)采用了結構化的，從上到下的模塊劃分及從底到上的硬件功能封裝的軟件開發(fā)設計方法。本系統(tǒng)采用C96語言進行軟件系統(tǒng)開發(fā)。
（1）數(shù)據(jù)采集程序
數(shù)據(jù)采集到整個系統(tǒng)最重要的問題。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，保證數(shù)據(jù)采集的實時性，并且能高效率地進行數(shù)據(jù)采集，盡可能少的時間占用少的系統(tǒng)資源，對于多參數(shù)同時監(jiān)護的情況下，是確保系統(tǒng)處理的實時性的重要因素。
在軟件設計中，我們利用硬件定時器及軟件定時器，進行定時中斷，進行多通道、多采樣點的數(shù)據(jù)采集流程設計。由于人體生理信號的變化較緩慢，采用此種方法已經可以確保高精度、實時性的數(shù)據(jù)采集。
（2）液晶顯示控制
系統(tǒng)顯示功能的實現(xiàn)，實際上是對顯示控制器SED1330的編程控制。SED1330控制器具有系統(tǒng)控制、顯示操作、繪制操作、存儲操作等共15條指令。
在進行系統(tǒng)顯示模塊的編程時，我們利用C96語言對SED1330的指令功能進行分類組合、封裝，編制了一個基本的顯示控制圖函數(shù)庫。通過對子函數(shù)的調用，非常方便地實現(xiàn)了復雜的人機界面程序設計。
設計的子函數(shù)如下：
lnitCD(); /*初始化SED1330*/
ClearDispBufffer(); /*對顯示緩存區(qū)清零*/
ChooseScreen(screen); /*選擇顯示緩存區(qū)*/
SetCsrAbsAddr(addr); /*設置光標絕對位置*/
SetCsrDir(dir); /*設置光標移動方向*/
PutChar16xy(x,y,data); /*顯示點陣為16×16的字體*/
SetPutPixel(x,y)； /*在顯示屏上顯示一點*/
H_line(x1,x2,y,linestyle); /*畫水平線*/
V_line(x1,y1,x2,y2); /*畫垂直線*/
lnvert(x1,y1,x2,y2); /*對矩形區(qū)域反顯*/
Clear(left,top,right,bottom); /*清除矩形區(qū)域*/
部分液晶顯示子程序示例如下：
# include "80c196.h"
# include “data.dat”
# include "init.c"
# define UP 0x4e
# define DOWN 0x4f
# define LEFT 0x4d
# define RIGHT 0x4c
# define AP 80
# define SA1 0
# define SAD2 0x3e80
# define Max_X 640
# define Max_Y 200
# define ECQ_Y 128
# define PLUSE_Y 50
# define NORMAL ox4f
# define DOT_1 0xaa
# define DOT_2 0x66
unsigned char * comm_reg;
unsigned char * pram_reg;
unsigned int_sad;
/************************/
/* var screensvalue is:1 or 2.*/
ChooseScreen(screen)
Unsigned char screen;
{
switch(screen){
case 1:
_sad=SAD1;break;
case 2:
_sad=SAD2;break;
defaulf:
_sad=SAD1;}
}
/*************************/
lnitl_CD()
{
* comm_reg=0x40; /*SYSTEM SET */
* pram_reg=0x34;/P1 CGRAM font dot array(now is:8x16)*/
* pram_reg=0x87; /*P2 */
* pram_reg=0x07;
* pram_reg=80;
* pram_reg=93; /*P5 93 */
* pram_reg=200;
* pram_reg=80; /*P7 */
* pram_reg=0; /*P8 */
* comm_reg=0x44; /*SetSooll() */
/*set SAD1 */
* pram_reg=0x0; /*P1 */
* pram_reg=200; /*P3 */
/* set SAD2 */
* pram_reg=0x80; /*P4 */
* pram_reg=0x3e;
* pram_reg=200; /*P6 */
/*set SAD3 */
* pram_reg=0x00; /*P7 */
* pram_reg=0x7d; /*P8 */
/*set SAD4 */
┆
* comm_reg=0xf58; /*Set Display(OFF)*/
/* *pram_reg=0; */
* comm_reg=0x5d; /*SetCsrForm()*/
* pram_reg=6;
* pram_reg=0x86;
* comm_reg=0x5a; /*set HDOT SCR*/
* pram_reg=0; /*must be clear*/
* comm_reg=0x4c; /*set csr dis is:RIGHT*/
* comm_reg=0x5b; /*SetOvlay */
* pram_reg=0x1c; /*three graphics display zone*/
* comm_reg=0x5c; /*SetCGRAM(addr)*/
* pram_reg=0xf0; /*turn off the CGAM */
* pram_reg=0;
* comm_reg=0x59; /*SetDisplay(ON)*/
* pram_reg=0x16;
ClearDispBuffer();
}
………………
利用LCD顯示屏進行顯示時，需要解決的問題是清除圖形間斷現(xiàn)象。模擬波形是連續(xù)圖形，但顯示屏是以離散點加以顯示的，這樣會造成波形快速升降沿間斷的現(xiàn)象。
為此，我們設計了一比較子程序。當相鄰兩列的點的幅值差大于2時，就將兩點間的所有點“點亮”，使顯示的圖形連續(xù)。
（3）中斷系統(tǒng)的應用
本系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，主要由中斷程序程序實現(xiàn)。如采用鍵盤輸入中斷、數(shù)據(jù)采集中斷、雙機通信、上下位機間的通信等中斷服務。中斷服務在整個系統(tǒng)軟件中起著不可缺少的作用。
本系統(tǒng)還利用PC機功能強，處理信息量大的特點，把監(jiān)護儀采集到的數(shù)據(jù)通過RS-232串行口傳送到PC機。由PC機進行數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的進一步處理，并采用各種圖表等形式顯示參數(shù)、趨勢圖畫面，為操作者提供了非常友好的軟件界面
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