健康伴侶—完整整移動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)數(shù)字化管理解決方案

 1.前言

過去，在我國各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)中采用的還是基于紙質(zhì)醫(yī)療管理模式，其繁瑣的就診過程大大降低醫(yī)療資源的應(yīng)用效率，已經(jīng)不能滿足人們輕松看病的需求。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，特別是電子信息化的發(fā)展，為醫(yī)療資源的電子化的發(fā)展提供良好的條件，其中醫(yī)療設(shè)備的移動(dòng)化是核心，有利于整個(gè)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

目前醫(yī)療行業(yè)存在兩大問題：一是繁雜的紙張化數(shù)據(jù)管理，二是醫(yī)院之間存在的有形無形的就醫(yī)屏障。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)紙張化數(shù)據(jù)保存和處理方式存在的問題主要有以下幾點(diǎn):

紙張保存著病人的重要信息，需要長期保存。管理難度與紙張膠片數(shù)量同步增長，將耗費(fèi)大量財(cái)力、物力和空間。紙張庫手工管理效率低下，查詢速度慢，醫(yī)學(xué)影像的傳遞需要大量時(shí)問。紙張的丟失、損壞更是一個(gè)難以解決的問題。

病人在不同的醫(yī)院就醫(yī)屏障表現(xiàn)在：病人在一家醫(yī)院就醫(yī)后已經(jīng)經(jīng)過了一系列的身體檢查，可是當(dāng)病人由于種種原因不得不到其他的醫(yī)院就診時(shí)，以前做過的檢查大多作廢，還要花費(fèi)不少的費(fèi)用，經(jīng)受重復(fù)的檢查化驗(yàn)。這就給病人看病帶來了經(jīng)濟(jì)和身體精神上的巨大壓力。

電子醫(yī)療設(shè)備品種繁多，但這些設(shè)備功能過于單一，缺乏功能的整合。采用這樣的設(shè)備要構(gòu)建一套完整的移動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)，往往需要購置多臺(tái)設(shè)備，不僅造成成本的上升，而且隨著設(shè)備數(shù)目的增多，設(shè)備的移動(dòng)性也大打折扣。正是基于成本和移動(dòng)性的考慮，為醫(yī)院數(shù)據(jù)的數(shù)字化信息管理提供解決方案，力圖使醫(yī)療過程實(shí)現(xiàn)無紙化。加快醫(yī)療行業(yè)信息共享進(jìn)程。我們?cè)O(shè)計(jì)出的健康伴侶，其功能較為系統(tǒng)，主要包括心電圖、體溫，血糖，血壓等功能，同時(shí)為了更好的實(shí)現(xiàn)移動(dòng)醫(yī)療服務(wù)，輔助功能包括遠(yuǎn)程控制、人性化操作、緊急呼救、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)備份等功能。

2. 硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)綜述及系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)硬件集成鋰電池充電管理、DCDC穩(wěn)壓，不僅給系統(tǒng)穩(wěn)定的工作電壓，更使系統(tǒng)便于攜帶。功能上實(shí)現(xiàn)了心電、體溫、血壓和血糖精準(zhǔn)測量，并且集成GSM模塊，遇到緊急情況可以一鍵呼叫。系統(tǒng)設(shè)有3.2寸電阻觸摸屏，具有很好的人機(jī)交互界面，并且配備一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)一鍵待機(jī)關(guān)屏，減少功耗。對(duì)于常用數(shù)據(jù)，如手機(jī)號(hào)，電阻屏校準(zhǔn)值，配備廉價(jià)E2PROM儲(chǔ)存器儲(chǔ)存。而采集到生理數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送給PC機(jī)，也可以保存到系統(tǒng)帶有的SD卡中。

整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2電源電路設(shè)計(jì)

統(tǒng)集成多項(xiàng)功能，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，一個(gè)良好的電源是十分必要的。為了增加系統(tǒng)的便攜性，方便用戶使用，系統(tǒng)采用電源適配器和鋰電池雙路供電。當(dāng)沒有市電可用時(shí)，采用鋰電池供電;有市電時(shí)，采用電源適配器供電，同時(shí)給鋰電池充電。

電池采用1380mAh雙芯鋰電池，具有高輸出電流、無記憶效應(yīng)、自放電小可長時(shí)間存放、壽命長等特點(diǎn)。為了保護(hù)鋰電池，本系統(tǒng)鋰電池設(shè)有保護(hù)板，鋰電池的飽和電壓為8.4V，放電終止電壓為6.0V。保護(hù)板連接電路如下圖所示：

圖2 保護(hù)板連接電路

為了給鋰電池充電，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有鋰電池充電管理電路。管理芯片采用Maxim公司的低成本多電池充電控制器MAX846A。此芯片支持單/雙芯鋰電池、鎳氫電池和鎳鎘電池。充電電路如下圖所示：

圖3 鋰電池充電電路

其中C6和R9按經(jīng)驗(yàn)值采取0.01uF電容和660

電阻，C7、C8、R12按芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)取值。R11(in K

)= 1.65V/

=10，

取165mV。

，當(dāng)

取0.4

時(shí)，

，即充電電流為400mA。二極管采用肖特基二極管1N5817，具有低導(dǎo)阻的特點(diǎn)。PMOS管采用AO3415，此型號(hào)具有40m

的低導(dǎo)阻，可以降低開關(guān)管損耗，提高效率，1450pF的小輸入電容，可以用MAX846內(nèi)部集成三極管直接驅(qū)動(dòng)，節(jié)省成本。

在電源設(shè)計(jì)中，為了防止電源適配器和鋰電池供電沖突，出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，特加入電子開關(guān)電路。電路圖如下所示：

圖4 電子開關(guān)電路圖

電路中兩個(gè)NMOS采用二極管接法，可以等效為兩個(gè)二極管，這樣不僅可以有效的防止電流倒灌，也比用肖特基二極管具有更低的導(dǎo)通電阻，降低功耗。

在整個(gè)系統(tǒng)的用到+5V、-5V、3.3V和3.6V電源。為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，系統(tǒng)全局采用+5V電源，再由局部反轉(zhuǎn)穩(wěn)壓為-5V和3.3V、3.6V。+5V電源采用LM2576-5V開關(guān)型DCDC穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生，電路如下圖所示：

圖5 5V開關(guān)穩(wěn)壓電路

電路中L1按芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的表格計(jì)算得。此款芯片具有3A的大電流輸出，以及75%以上的高效率。

對(duì)于GSM模塊和血壓計(jì)的氣泵、磁閥需要較大的電流，局部采用AMS1117-3.3V線性穩(wěn)壓電源供電。電路圖如下所示：

圖6 GSM電源電路圖

圖7 氣泵磁閥電源電路圖

2.3 心電測量電路設(shè)計(jì)

2.3.1采集原理

心電(ECG)是在心臟有規(guī)律地收縮和舒張過程中，心肌細(xì)胞產(chǎn)生的動(dòng)作電位綜合而成的電信號(hào)。心電信號(hào)屬于低頻率(0.05Hz到100Hz之間)，低幅值信號(hào)(不超過25mV)，信號(hào)源內(nèi)阻很大(兩手臂間內(nèi)阻約為600K)，易受其他信號(hào)干擾。

心電信號(hào)可能會(huì)受以下各種噪聲信號(hào)的干擾。這些噪聲源主要有：

(1)電源線干擾：50～60 Hz的工頻干擾和電網(wǎng)產(chǎn)生的諧頻;

(2)電極接觸噪聲：由于電極和皮膚之間接觸的變化產(chǎn)生的基線漂移;

(3)人體運(yùn)動(dòng)：電極和皮膚之間電阻變化產(chǎn)生的基線漂移;

(4)肌肉收縮：產(chǎn)生的肌電信號(hào)會(huì)混入心電信號(hào)中;

(5)呼吸引起基線漂移;

(6)由于其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾;

(7)由電極線引起的天線效應(yīng);

(8)由于其他電子設(shè)備引起的耦合噪聲通常是高頻設(shè)備。

電源工頻干擾主要是以共模形式存在，瞬時(shí)幅值可達(dá)幾伏甚至幾十伏，所以心電放大器必須具有很高的共模抑制比。電極移動(dòng)引起基線漂移是由于測量電極與生物體之間構(gòu)成化學(xué)半電池而產(chǎn)生的直流電壓，最大可達(dá)300mV，因此，心電放大器的前級(jí)增益不能過大，或者需要采用超低頻的交流放大器。由于人體信號(hào)源內(nèi)阻可達(dá)幾十千歐、乃至幾百千歐，所以心電放大器的輸入阻抗必須在兆歐以上。不僅要求輸入阻抗，對(duì)CMRR 也要有80dB以上的共模抑制比。

根據(jù)心電信號(hào)的特點(diǎn)，前置級(jí)應(yīng)該滿足下述要求：

(1)高輸入阻抗。提取的心電信號(hào)是不穩(wěn)定的高內(nèi)阻源的微弱信號(hào)，為了減少信號(hào)源內(nèi)阻的影響，必須提高放大器輸入阻抗。一般情況下，信號(hào)源的內(nèi)阻為100k

，則放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1M

。 (2)高共模抑制比CMRR。生物電放大器的CMRR 值一般要求60dB～80dB，高性能放大器的CMRR 達(dá)100dB，前級(jí)采用CMRR 高的差動(dòng)放大形式，能減少共模干擾。兩級(jí)放大電路的共模抑制比主要取決于第一級(jí)的差動(dòng)增益和第二級(jí)的共模抑制能力。共模抑制比作為技術(shù)指標(biāo)來衡量差分式放大電路指引共模信號(hào)的能力，其定義為放大電路對(duì)差模信號(hào)的電壓增益

與對(duì)共模信號(hào)的電壓增益

之比的絕對(duì)值，即

差模電壓增益越大，共模電壓增益越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，放大電路的性能越優(yōu)良，因此希望

的值越大越好。

(3)低噪聲、低漂移。主要作用是使信號(hào)源的影響小，使采集信號(hào)能力強(qiáng)，使輸出穩(wěn)定。

由于人體心電信號(hào)的主要頻率范圍為0.05～100Hz ，同時(shí)心電信號(hào)中通?；祀s有其它生物電信號(hào)，加之體外以50Hz工頻干擾為主的電源干擾，使得心電噪聲背景較強(qiáng)，測量條件比較復(fù)雜。為了濾除這些噪聲，需要對(duì)采集的小信號(hào)進(jìn)行濾波。濾波可以采用數(shù)字濾波器也可以使用模擬濾波器。本設(shè)計(jì)采用模擬濾波器中的有源濾波器，能夠很有效地濾除與心電信號(hào)無關(guān)的直流、低頻、高頻噪聲信號(hào)。較數(shù)字濾波器相比消耗很少的邏輯資源，僅僅使用普通單片機(jī)即可滿足要求，成本低。較無緣濾波器相比，有源濾波器有著更好的濾波效果。最后對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行放大，可以得到較低噪聲的心電信號(hào)。為了提高濾波的效果，采用兩級(jí)濾波。將經(jīng)過放大的心電信號(hào)送至由0.05 Hz 高通濾波器和100Hz 低通濾波器組成帶通網(wǎng)絡(luò)，并通過50Hz 陷波電路，達(dá)到濾除有效頻帶以外的信號(hào)的效果。

圖8 心電前端采集功能結(jié)構(gòu)圖

2.3.2心電電極

皮膚是不良導(dǎo)體，因此要獲得電路和皮膚的良好接觸，必須采用良好的電極。常見的電極有貼片電極、吸球電極和肢體夾，其中貼片電極是一次性的，而且檢測時(shí)病人必須平躺，脫落后不可以再使用，成本性及環(huán)保性不高。吸球電極為胸部吸球，可多次利用，但是需要病人脫去上衣，比較麻煩。本設(shè)計(jì)采用肢體夾電極，只需要將肢體夾夾住手腕腳腕即可，使用方便，即使病人在戶外行走都可以進(jìn)行測量。

圖9 肢體夾電極實(shí)物圖

2.3.3心電導(dǎo)聯(lián)

放在體表的電極所測出的ECG信號(hào)將隨不同的位置而異，為了完整描述心臟的電興奮活動(dòng)狀況，臨床采用多導(dǎo)聯(lián)方式。常用的有12導(dǎo)聯(lián)(威爾遜導(dǎo)聯(lián))和5導(dǎo)聯(lián)方式。這種導(dǎo)聯(lián)檢測心電信號(hào)雖然精細(xì)，但是檢測十分繁瑣，對(duì)場合要求高。因此本設(shè)計(jì)采用更為簡單的3導(dǎo)聯(lián)方式，在滿足可以得到要求的心電信號(hào)的情況下，使檢測更加方便。

圖10 心電導(dǎo)聯(lián)示意圖

(摘自Analog Devices AD620 DataSheet)

2.3.4前級(jí)放大

要實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗和高共模抑制比，可采用儀用運(yùn)算放大器可。因此我們選用AD620儀用運(yùn)算放大器，它放大倍數(shù)可編程，只要用一個(gè)外部電阻就可以進(jìn)行1-1000的放大倍數(shù)。功耗低，靜態(tài)電流。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單純的線路高共模抑制比不是解決50Hz工頻干擾問題的最好辦法，采用體表“地”電極共模驅(qū)動(dòng)才能有效地直接減少人體50Hz干擾。

為了進(jìn)一步提高前置放大器的共模抑制比的同時(shí)一直50Hz的工頻干擾，可設(shè)計(jì)運(yùn)用通用算放大器OP07和R1、R2、R4、R5、R6和C15構(gòu)成激勵(lì)系統(tǒng)電路。人體的共模電壓被R4、R5兩個(gè)相等的電阻檢測出，經(jīng)過OP07將其倒向放大并反饋到人體上。這種負(fù)反饋可以使共模電壓降低。人體的位移電流流不到地，而是流到運(yùn)放的輸出電路。就心電放大器來說，這樣減小了共模電壓的拾取，并且有效地使病人接地。

圖11 前端放大電路

2.3.5高通濾波器設(shè)計(jì)

濾波器設(shè)計(jì)時(shí)采用Ti公司提供的FilterPro V2.0進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。如圖所示為設(shè)計(jì)的0.05Hz的高通濾波電路。濾波用的運(yùn)算放大器選用通用運(yùn)算放大器OP07，成本低的同時(shí)具有低漂移、低噪聲的特點(diǎn)。此濾波電路能使0.05 Hz以下的信號(hào)通過時(shí)被衰減，從而實(shí)現(xiàn)濾波。濾波器指標(biāo)如下：

通帶增益 ： 0dB

阻帶衰減 ： 約40dB/10倍頻

圖12 高通濾波電路

圖13 高通濾波增益、相位仿真結(jié)果

(By Multisim Power Pro Edition Version 11.0.278)

2.3.6低通濾波器設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的要求，圖14所示為設(shè)計(jì)的100Hz 的低通濾波電路。為了使電路有良好的匹配性，放大器同樣選用了OP07。此濾波電路理論上能使100Hz 以上的信號(hào)通過時(shí)被衰減，從而保留100Hz頻率以下有效信號(hào)。濾波器指標(biāo)如下：

通帶增益 ： 0dB

阻帶衰減 ： 約38dB/10倍頻

圖14 低通濾波電路

圖15低通濾波增益、相位仿真結(jié)果

(By Multisim Power Pro Edition Version 11.0.278)

2.3.7陷波器設(shè)計(jì)

此電路的主要功能是濾除工頻50Hz 干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)使用了雙T帶阻陷波電路，其電阻電容參數(shù)選擇公式由

，

來選擇。該電路所用器件少，調(diào)試方便。若該陷波器深度不夠，采取級(jí)聯(lián)方式可改善濾波效果，更好地提高干擾抑制能力。該電路為典型的二階有源帶阻濾波器，其中R1=R2=2R3=R，C1=C2=2C3=C，中心頻率

,阻帶寬度：

，品質(zhì)因數(shù)：

,其中

為放大增益。Q值選在5～10之間。濾波器指標(biāo)：

通帶增益 ： 0dB

阻帶寬度 ： 約10Hz

阻帶衰減 ： 40dB/5Hz

該50Hz 陷波器的參考電路如下所示：

圖16 50Hz陷波器電路

圖17 50Hz 陷波器效果圖

(By Multisim Power Pro Edition Version 10)

2.3.8后級(jí)放大及電平抬升電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過前級(jí)放大處理后，信號(hào)放大了約10倍，但是還不符合單片機(jī)處理要求的輸入信號(hào)值，所以還得經(jīng)過后級(jí)放大處理，如圖下所示，采用同向放大電路，將信號(hào)放大100倍，來總共放大了1000倍左右，心電峰值能達(dá)到伏數(shù)量級(jí)，方便單片機(jī)采樣。

但是此時(shí)的心電信號(hào)的電壓值包含有正值和負(fù)值，而單片機(jī)要求的輸入信號(hào)必須滿足0～2.4V之間，所以還得對(duì)信號(hào)作電平抬升處理。通過R13和R12及OP07運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行電平抬升，使信號(hào)基準(zhǔn)電壓為0.5V。

圖18 后級(jí)放大及電平抬升電路

2.4 體溫接口設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的體溫檢測使用的都是接觸式方式，即將水銀溫度計(jì)放入腋下或者口腔內(nèi)進(jìn)行溫度測量，這種方式的缺點(diǎn)就是，測量麻煩，耗時(shí)長，不利于隨時(shí)檢測，并且數(shù)據(jù)很難與其他電子信息設(shè)備共享。

使用非接觸式的紅外溫度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)不需要將檢測裝置直接接觸到人體，就可以得到人體的體溫值。操作簡單，快速，有利于對(duì)人體體溫的隨時(shí)檢測。當(dāng)然，由于使用的是非接觸式，所以不能直接得到人體的體溫值，模塊所得到的數(shù)據(jù)是人體體表的溫度，而不是真正人體的體溫值。為了能夠跟好的反映人體的體溫，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過添加一定的修正值，來修正數(shù)據(jù)，使之能夠較真實(shí)的反應(yīng)人體的體溫值。

該功能的實(shí)現(xiàn)，使用的是紅外溫度測量模塊TN9，檢測速度快，只需要數(shù)十毫秒鐘的時(shí)間，就可以得到相應(yīng)的溫度值了。

圖19 TN9實(shí)物圖片

圖20 紅外溫度模塊的基本參數(shù)

該模塊自帶SPI接口，外圍電路設(shè)計(jì)簡單，可以方便的與單片機(jī)進(jìn)行通信，并且該模塊具備兩個(gè)功能，可以同時(shí)對(duì)目標(biāo)物體的溫度進(jìn)行檢測，同時(shí)也可以對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測量。所以，該模塊也可以用來當(dāng)作溫度計(jì)來使用，方便，高效。

圖21 紅外溫度模塊接口電路

其中SDA是數(shù)據(jù)線，SCK是時(shí)鐘線，單片機(jī)可以在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿將數(shù)據(jù)讀入。而ENABLE信號(hào)是用來啟動(dòng)模塊工作的，低電平有效。

圖22 TN9的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序及格式

TN9紅外模塊，在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)發(fā)三種不同的數(shù)據(jù)，包括目標(biāo)物體溫度數(shù)據(jù)，模塊周圍環(huán)境溫度及模塊狀態(tài)，程序已經(jīng)將兩部分分別進(jìn)行處理。用戶可以根據(jù)需要，選擇相應(yīng)的操作選項(xiàng)，來分別得到不同的值。

2.5 血壓電路設(shè)計(jì)

血壓，是人們一直很關(guān)心的一個(gè)生理參數(shù)，老年人特別關(guān)注自身的血壓值，平時(shí)生活中經(jīng)常檢測血壓，對(duì)于預(yù)防高血壓有著非常重要的作用。便攜設(shè)備通過使用壓力傳感器，可以自動(dòng)獲取血壓值和脈搏值，操作簡單，準(zhǔn)確度高。使用者可以隨時(shí)進(jìn)行血壓檢測，并且保存數(shù)據(jù)，可以經(jīng)常的查看自己的近期血壓值，來查看自己最近血壓的變化情況，如果有異常，可以及時(shí)的和醫(yī)生聯(lián)系。

血壓檢測部分采用比較常用的示波法來采集人體的血壓和脈搏。微控制器通過PWM來控制電磁閥關(guān)閉，同時(shí)控制氣泵給袖帶充氣，氣壓傳感器將袖帶內(nèi)的氣壓轉(zhuǎn)換為電壓。氣壓足夠大時(shí)，控制氣泵緩慢放氣，此時(shí)氣壓的波動(dòng)將緩慢映射出脈搏的波動(dòng)，一定時(shí)間后最大，而后反而減小。最終達(dá)到一個(gè)足夠小的氣壓后，便不在能反映出脈搏的波動(dòng)。這個(gè)時(shí)候通過歸一化對(duì)比拐點(diǎn)和最大值可以得到舒張壓于收縮壓，整個(gè)充氣放氣過程中所能記錄到的脈搏波動(dòng)數(shù)可以反映心跳頻率。

血壓檢測部分系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖23 血壓檢測部分系統(tǒng)框圖

其中氣壓傳感器采用飛思卡爾公司的MPX5100GP氣壓傳感器。帶通濾波器由通用運(yùn)算發(fā)大器LM258組成。氣泵、磁閥通過三極管驅(qū)動(dòng)控制。具體硬件電路如下圖所示：

圖24 血壓檢測部分電路圖

2.6 血糖電路設(shè)計(jì)

血糖指的是人體血液中葡萄糖的含量，是一個(gè)非常重要的生理指標(biāo)。這里我們還是采用了成本比較低的傳統(tǒng)的試紙的方法測量血糖。血液和試紙上的酶發(fā)生顏色反應(yīng)后會(huì)顯示不同的顏色，不同的顏色對(duì)應(yīng)著不同的血糖濃度。但是，血糖試紙檢測時(shí)，需要同比色卡進(jìn)行比較，再觀察結(jié)果是什么。這對(duì)于一些上了年紀(jì)的老人來說不太方便，本模塊實(shí)現(xiàn)的功能就是，能夠?qū)⒎湃霗z測設(shè)備中的血糖試紙的顏色自動(dòng)識(shí)別出來，不需要用戶自己去比較比色卡，就可以得到相應(yīng)的信息。

顏色識(shí)別傳感器采用TAOS公司的光頻轉(zhuǎn)換傳感器TCS3200，其識(shí)別精度高，速度快，可以切換工作狀態(tài)，減小功耗。電路圖如下圖所示：

圖25 血糖檢測部分電路圖

2.7 觸摸屏電路及SD卡接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用了3.2寸320*240的TFT1P4198-E液晶屏模塊，驅(qū)動(dòng)集成驅(qū)動(dòng)芯片SSD1289。這個(gè)液晶有很低的功耗，靜態(tài)電流最大僅有20.25mA。該顯示屏默認(rèn)為8080時(shí)序的16位并行數(shù)據(jù)接口，可通過74HC573鎖存器實(shí)現(xiàn)8 位的數(shù)據(jù)線控制?？梢灾苯佑脝纹瑱C(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖26液晶實(shí)物圖(正面)

同時(shí)為了有很好的人機(jī)交互，設(shè)計(jì)液晶屏?xí)r加入的3.2寸四線電阻觸摸屏，用ADS7843觸摸屏控制芯片驅(qū)動(dòng)，用SPI2與單片機(jī)相接。

系統(tǒng)的使用過程中往往需要將采集的數(shù)據(jù)保存起來，為了更好的利用液晶驅(qū)動(dòng)板上的面積，將SD接口設(shè)計(jì)在液晶板中，通過IO復(fù)用的方式與單片機(jī)相連。

圖27 液晶模塊電路電路圖

圖28 液晶模塊與微處理器接口電路

2.8 GSM接口電路設(shè)計(jì)

健康伴侶內(nèi)部集成明基公司的M22 GSM模塊，通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)一鍵電話、短信報(bào)警。

M22供電電壓為3.3V-4.5V,同時(shí)，再撥打電話的瞬間需求電流較大，為了使用穩(wěn)定，采用一片AMS1117-ADJ為M22提供3.6V的電壓，其他外設(shè)由系統(tǒng)提供3.3V電源。M22通過串口和主控芯片相連。蜂鳴器提供來電鈴聲、耳機(jī)與揚(yáng)聲器采用外置式，提供3.5mm接口。GSM接口電路如下圖所示：

圖29 GSM模塊接口電路

圖30 SIM卡接口電路

圖31 耳機(jī)與揚(yáng)聲器接口電路

2.9 藍(lán)牙接口電路設(shè)計(jì)

通過使用藍(lán)牙可以方便快速的和周圍設(shè)備進(jìn)行信息交互，并且藍(lán)牙支持虛擬串口通信。在PC端無論是內(nèi)置還是外置藍(lán)牙都能虛擬為串口，可以通過虛擬一個(gè)高速的無線串口完成通信。

藍(lán)牙模塊使用廣州匯承公司的HC-05，3.3v供電、體積小、支持AT指令、操作方便。很單片機(jī)相連只需要引出TxD，RxD完成串口通信，KEY和RESET完成對(duì)藍(lán)牙工作模式的選擇即可。藍(lán)牙電路圖如下圖所示：

圖32 藍(lán)牙電路圖

3. 微控制器軟件設(shè)計(jì)

3.1微控制器軟件設(shè)計(jì)框圖

uC/OS-II是一種可移植的，可植入ROM的，可裁剪的，搶占式的，實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它被廣泛應(yīng)用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器。

uC/OS-II 是專門為計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的， 絕大部分代碼是用C語言編寫的。CPU 硬件相關(guān)部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度，為的是便于移植到任何一種其它的CPU 上。用戶只要有標(biāo)準(zhǔn)的ANSI 的C交叉編譯器，有匯編器、連接器等軟件工具，就可以將μC/OS-II嵌人到開發(fā)的產(chǎn)品中。uC/OS-II具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)， 最小內(nèi)核可編譯至 2KB 。uC/OS-II已經(jīng)移植到了幾乎所有知名的CPU 上。

嚴(yán)格地說uC/OS-II只是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。但由于uC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據(jù)需要分別實(shí)現(xiàn)。

uC/OS-II目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)調(diào)度的搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，并在這個(gè)內(nèi)核之上提供最基本的系統(tǒng)服務(wù)，如信號(hào)量，郵箱，消息隊(duì)列，內(nèi)存管理，中斷管理等。

MCU端的軟件設(shè)計(jì)主要包括uC/OS的移植，uC/GUI的移植，以及各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序的編寫，其中軟件的框圖如下：

圖33 軟件框圖

3.2微控制器界面設(shè)計(jì)

uC/GUI是一種嵌入式應(yīng)用中的圖形支持系統(tǒng)。它設(shè)計(jì)用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口，它適用單任務(wù)或是多任務(wù)系統(tǒng)環(huán)境, 并適用于任意LCD控制器和CPU下任何尺寸的真實(shí)顯示或虛擬顯示。它的設(shè)計(jì)架構(gòu)是模塊化的，由不同的模塊中的不同層組成，由一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)層來包含所有對(duì)LCD的具體圖形操作。 uC/GUI可以在任何的CPU上運(yùn)行，因?yàn)樗?00%的標(biāo)準(zhǔn)C代碼編寫的。uC/GUI能夠適應(yīng)大多數(shù)的使用黑白或彩色LCD的應(yīng)用，它提供非常好的允許處理灰度的顏管理。還提供一個(gè)可擴(kuò)展的2D圖形庫及占用極少RAM的窗口管理體系。

其中，uC/GUI有良好的圖形接口，來讓我們能夠在我們的LCD顯示屏上編出良好的圖形界面。下面是用相機(jī)拍攝的健康伴侶運(yùn)行時(shí)的一些圖片。

圖34 開始主界面

圖35 主菜單界面

圖36 心電界面

圖36 體溫測量界面

圖37 觸屏校準(zhǔn)界面

圖38 設(shè)置以及小鍵盤輸入界面

4. PC端軟件設(shè)計(jì)

4.1 PC端軟件設(shè)計(jì)框圖

PC端軟件主要實(shí)現(xiàn)的是遠(yuǎn)程對(duì)醫(yī)療伴侶的控制，及生理信息的保存，方便醫(yī)生對(duì)病人的診斷。PC端開發(fā)軟件采用Microsoft Visual Studio 2008 Professional，采用基于MFC的編程方式，同時(shí)用開發(fā)軟件自帶的安裝部署工具生成安裝文件，方便軟件在沒有安裝Microsoft Visual Studio 2008 Professional的PC端使用。PC端軟件框圖如下圖所示：

圖39 PC端軟件框圖

首先運(yùn)用Window自帶的藍(lán)牙工具與我們的健康伴侶中斷進(jìn)行連接(見：控制面板->Bluetooth 設(shè)備->設(shè)備->添加)，可以得到相應(yīng)的COM號(hào)。如下圖所示：

圖40 PC機(jī)與健康伴侶終端連接后，可以看到連接設(shè)備，點(diǎn)擊屬性可以得到COM號(hào)

然后打開安裝好的健康伴侶應(yīng)用程序

圖41 安裝好的健康伴侶

選擇相應(yīng)的COM號(hào)即可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖42 健康伴侶PC端主界面

4.2 串口通訊的實(shí)現(xiàn)

分在PC端軟件設(shè)計(jì)中，串口實(shí)現(xiàn)采用微軟提供的Microsoft communications control，version 6.0組件，運(yùn)用COM組件自帶的OnComm函數(shù)處理串口信息。

4.3 心電波形顯示的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于心電如此龐大的數(shù)據(jù)，PC端軟件設(shè)計(jì)采用National Instruments的波形顯示控件NTGraph Control 1.0。運(yùn)用此控件只需將串口接收到的數(shù)據(jù)通過函數(shù)發(fā)送個(gè)控件進(jìn)行處理，簡化的開發(fā)的難度的同時(shí)，也防止了串口數(shù)據(jù)的丟失，保證了心電信號(hào)的完整性。

圖43 心電波形顯示界面

5. 測試數(shù)據(jù)

5.1 體溫測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：楊川

測試結(jié)果：體溫測試結(jié)果同CLAS OHLSON溫度計(jì)(接觸式)比較，測試環(huán)境均為室內(nèi)，無風(fēng)，無溫度調(diào)節(jié)

測試部位	非接觸式檢測 (在一分鐘內(nèi)的評(píng)價(jià)溫度值)	CLAS OHLSON (在一分鐘內(nèi)的評(píng)價(jià)溫度值)
手背部（夏季）	34.6 。C	34.7 。C
手背部（冬季）	30.2 。C	32.5。C
額頭（夏季）	35.6 。C	36.0 。C

表1 體溫測試比較

5.2 心電測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：張益濤

測試結(jié)果：

圖44 人體測試

圖45 示波器顯示心電波形圖

圖46 示波器顯示心電波形圖(局部)

5.3 血壓測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：陳北辰 楊川

測試結(jié)果：血壓測試結(jié)果同Mircolife公司的BP2BH0比較結(jié)果：

使用者	測量儀			BP 2BH0
男 21歲	高壓mmHg	低壓mmHg	脈搏 個(gè)/分鐘	高壓mmHg		低壓mmHg		脈搏 個(gè)/分鐘
	115	63	74	106		68		76
	116	65	77	104		65		77
	109	64	74		109	58	75
男 21歲	108	76	80	108		72		82
	112	68	78	110		68		75
	112	82	81	103		54		81

表2 血壓測試比較

5.4 血糖測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：田登堯

測試結(jié)果：

測試顏色	試紙顏色	識(shí)別顏色
紅色	紅	紅色
綠色	墨綠	綠色
藍(lán)色	深藍(lán)	深藍(lán)色
粉紅	粉紅	粉紅色
黃色	淺黃	黃色

表3 血糖測試比較

5.5 時(shí)間同步測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：楊川

測試結(jié)果：時(shí)間同步延遲少于1s

5.6 充電測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：張益濤

測試結(jié)果：

測試項(xiàng)目	1/mA	2/mA	3/mA	平均值/mA
充電	340	337	342	339.67

表4 充電測試數(shù)據(jù)

5.7 功耗測試

測試地點(diǎn)：西南交通大學(xué)X6410實(shí)驗(yàn)室

測試人員：陳北辰

測試結(jié)果：

測試項(xiàng)目	1/mA	2/mA	3/mA	平均值/mA
開機(jī)	338	337	338	337.67
待機(jī)	135	130	131	132.00
GSM（啟動(dòng)）	410	420	390	406.67
GSM（穩(wěn)定）	347	346	350	347.67
ECG	388	388	388	388.00
氣泵	641	640	600	627.00
電磁閥	388	382	374	381.33
體溫	334	333	333	333.33
血糖	338	338	337	337.67

表5 功耗測試數(shù)據(jù)

6. 總結(jié)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目需求中的預(yù)期功能，從測試結(jié)果上來看，各項(xiàng)功能指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定，能夠達(dá)到醫(yī)療診斷的基本要求。

健康伴侶系統(tǒng)非常符合我們現(xiàn)在正在提倡的環(huán)保理念——低碳。我們根本可以在醫(yī)院中實(shí)現(xiàn)低碳，甚至無碳。從病人入院掛號(hào)，到醫(yī)生看病，病情診斷，再到買藥住院付費(fèi)，一切都是信息的數(shù)字化處理管理。節(jié)約了能源。

目前云計(jì)算正被推進(jìn)醫(yī)療領(lǐng)域，它給醫(yī)學(xué)研究帶來了一個(gè)很強(qiáng)大、方便、低消費(fèi)的研究平臺(tái)，可以定期上傳醫(yī)療數(shù)據(jù)，給政府對(duì)疾病的發(fā)生做出相應(yīng)的判斷并跟蹤疾病的爆發(fā)和傳播，還能幫助用戶處理與環(huán)境相關(guān)的醫(yī)療等方面的問題。在哈佛醫(yī)學(xué)院，云服務(wù)已經(jīng)使用在個(gè)體化醫(yī)療實(shí)驗(yàn)室。

如果我們這種醫(yī)療檢測平臺(tái)配合云計(jì)算的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，勢(shì)必會(huì)帶來醫(yī)療行業(yè)的巨大變革。雖然現(xiàn)在云計(jì)算在信息的安全方面做得不夠完善。不過云計(jì)算專家擁有很多高技術(shù)和資源，一般能夠提供我們需要的安全保障?？梢韵嘈?，隨著云計(jì)算的發(fā)展與完善，云會(huì)越來越安全，能夠提供更好的安全保障，滿足數(shù)字醫(yī)療的需要。

物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的條碼化病人身份管理、移動(dòng)醫(yī)囑，診療體征錄入、移動(dòng)藥物管理、移動(dòng)檢驗(yàn)標(biāo)本管理、移動(dòng)病案管理數(shù)據(jù)保存及調(diào)用、嬰兒防盜、護(hù)理流程、臨床路徑等管理中，均能發(fā)揮重要作用。

我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)也能完美的融合到物聯(lián)網(wǎng)中。PC端系統(tǒng)經(jīng)過擴(kuò)展，可以和各科室的儀器相連，將各科室的診斷數(shù)據(jù)直接傳送到醫(yī)生處，方便了醫(yī)生對(duì)病人病情的快速掌握。提高了病人治療效率，拯救了病人生命財(cái)產(chǎn)安全。

附錄

擴(kuò)展板1原理圖

擴(kuò)展板1PCB圖

擴(kuò)展板2原理圖

擴(kuò)展板2PCB圖

底層版原理圖

底層版PCB圖