基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數健康監(jiān)護儀設計
近年來，人們越來越關注健康問題，生命健康監(jiān)護已成為一個重要課題，以往的生命健康監(jiān)護儀，體積通常比較大，而且價格昂貴，這類儀器主要應用于醫(yī)院的病房，用做對病人監(jiān)護。為適合普通人群在醫(yī)院以外的地方，如家庭、野外等環(huán)境下對身體健康狀況的監(jiān)護要求，設計了一種便攜式多參數健康監(jiān)護系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有體積小、使用方便、功能強大等優(yōu)點，可隨身攜帶，檢測人體的某些重要生理參數，并實時顯示。
1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)利用專門的傳感器采集人體體溫參數，脈沖波和心電信號，并對這些信號進行放大、濾波、A/D轉換后，經數據處理系統(tǒng)進行計算，得到人體的重要生理參數并實時顯示，這些參數包括血氧飽和度、心率、血液粘稠度和體溫，另外系統(tǒng)還能顯示人體的心電波形和脈搏波形，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
和數據處理模塊兩部分組成，信號采集模塊主要由前端的心電、脈搏和體溫傳感器、采集電路、A/D轉換和串口發(fā)送單元組成，其中，傳感器采集人體的生理信號，采集電路對生理信號進行模擬放大、簡單濾波和A/D轉換，并根據數據處理系統(tǒng)的指令通過串口把數據傳送到數據處理系統(tǒng)中，數據處理模塊對采集到的信號進行軟件濾波，并根據濾波后的波形數據采用合適的算法計算得到所需要的生理參數并實時進行LCD顯示。
2 系統(tǒng)具體設計
2.1 芯片選擇
本系統(tǒng)的核心是數據處理模塊，它主要完成對波形的軟件濾波，并通過計算得到所需的生理參數，其運算量較大，軟件設計較復雜，而信號采集模塊要分時采集兩路信號，并進行放大、濾波和A/D轉換，為簡化硬件電路的設計和軟件系統(tǒng)的編寫，采用兩個CPU的設計方案，信號采集模塊采用TI公司的16位系列單片機MSP430F149，數據處理模塊采用Samsung公司的ARM芯片S3C44B0X。
MSP430具有正常工作模式和四種低功耗工作模式，它的集成度非常高，單片集成了多通道12位的A/D轉換、片內精度比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A/D轉換、片內USART、看門狗定時器，片內數控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片內存儲器，單片MSP430即可以滿足絕大多數應用的需要，MSP430F149具有豐富的片內外設，是一款性價比很高的單片機，它不僅極大的簡化了系統(tǒng)硬件電路，還大大地提高了系統(tǒng)的性價比，其極低的功耗非常適合本系統(tǒng)的應用環(huán)境，本系統(tǒng)就是利用此單片機內置的A/D轉換單元完成信號的轉換，并通過片內的串口與其他模塊通信。
S3C44B0X微處理器是Samsung公司專為便攜式設備提供的高性能及高性價比的微控制器解決方案，使用32位的低功耗RISC內核ARM7TDMI，同時，S3C44B0X在ARM7TDMI核的基礎上，擴展了一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)成本及外圍器件數目降至最低，這些功能部件主要包括CPU單元、系統(tǒng)時鐘管理單元、存儲單元和系統(tǒng)功能接口單元，本系統(tǒng)中，S3C44B0X完成波形數據的處理和計算，驅動LCD等功能。
2.2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.2.1 信號采集電路的硬件設計
本系統(tǒng)中因采用了集成度很高的單片微控制器MSP430，所以系統(tǒng)的外圍電路設計相對簡單。
信號采集硬件電路主要包括前端模擬電路設計，光源控制電路、電平轉換電路和光電隔離電路，如上所述，模擬信號通過MSP430內置的A/D轉換成數字信號，前端模擬電路采用兩級放大和低通濾波完成對信號的處理，光源控制電路通過雙脈沖驅動電路依次電亮紅光和紅外光發(fā)光二極管實現對脈搏波的光電測量。為增強系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用專門的光電隔離電路實現電氣隔離，以保證使用儀器時人體的絕對安全，溫度測量部分采用美國DALLAS公司的DS1820高精度數字溫度傳感器，該傳感器采用單線接口，可直接把采集結果以9位數字量方式串行傳送到MSP430F149中，由此可計算得到溫度值。本模塊電路如圖2所示。
2.2.2 數據處理模塊的硬件設計
數據處理模塊的核心是ARM芯片S3C44B0X，本系統(tǒng)要采集的信號較多，需存儲的數據量大，系統(tǒng)應用S3C44B0X存儲單元設計了三層存儲體系結構：片內Cache、片外主存和片外輔存，另外還是存儲啟動代碼的線性lash，具體設計如圖3所示，S3C44B0X集成了大量應用資源，系統(tǒng)設計利用了其內部的LCD控制器和串行通信UART接口，簡化了外圍電路設計。
2.3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)的工作過程為：用戶通過按鍵選擇需要實現的功能，ARM處理器接收到命令后，通過串口向MSP430單片機發(fā)送采集相應信號的命令，單片機完成采集后再通過串口將采集到的數據發(fā)送到ARM處理器，進行數據處理。
本監(jiān)護系統(tǒng)是一個復雜的多任務系統(tǒng)，為了實現系統(tǒng)的實時性及充分利用32位內核CPU的性能，采用嵌入式實時多任務軟件設計方法，在實時操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System）平臺上進行嵌入式應用軟件開發(fā)，系統(tǒng)選用μC/OS-II作為系統(tǒng)的嵌入式RTOS，將其移植到基于ARM內核的S3C44B0X硬件平臺，應用μC/OS-II的內核多任務管理機制，更好地完成軟件系統(tǒng)的編寫。
系統(tǒng)的軟件設計可以分為兩部分，基于μC/OS-II的軟件部分設計和單片機MSP430的軟件設計，其中，基于μC/OS-II的軟件部分是系統(tǒng)的主要部分，用來完成命令的輸入和對信號進行軟件濾波和參數的計算、顯示，這部分由S3C44B0X處理器實現，信號采集部分軟件實現信號的采集和發(fā)送，這部分由MSP430F149單片機實現。
2.3.1 基于μC/OS-II的軟件部分設計
系統(tǒng)軟件在啟動μC/OS-II之前先進行系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)的初始化，然后進入系統(tǒng)主任務，等待鍵盤響應，但按鍵按下時，系統(tǒng)向單片機發(fā)出命令采集相應的生理信號，并等待接收采集的數據，接收數據后進入數據處理子程序，計算得到所要求的生理健康參數，并進行顯示。
系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。
Y（n）=2Y（n-1）-Y（n-2）+X（n）-2X（n-10）+X（n-20）
式中：X（n）表示濾波前的信號，Y（n）表示濾波后的信號。
在脈搏波信號的處理中，采用7點平均的方法濾波，濾波公式為：
Y（n）=（X[n-3]+X[n-2]+X[n-1]+X[n]+X[n+1]+X[n+2]+x[n+3]/7
經實際應用證明，此方法可進行有效濾波，為下一步波形分析計算生理參數提供了保證。
系統(tǒng)根據采集到的心電波形計算出心率參數，根據脈搏波形計算出血氧飽和度和血液粘稠度等參數，根據波形計算所需參數的算法是軟件編寫的難點和關鍵，結合芯片的運算速度，并考慮實時性要求，算法采用閾值判別法，此類算法在文獻[3]、[4]中已有應用，本系統(tǒng)對算法進行了改進，以更好地完成所需要的功能。
2.3.2 信號采集部分軟件設計
此軟件設計主要根據得到的指令采集相應的生理信號，經A/D轉換后通過串口發(fā)送到數據處理模塊，其流程如圖5所示。
3 系統(tǒng)調試
經調試，系統(tǒng)可在LCD上實時顯示采集到的脈搏波和心電波形，并同時顯示計算出的參數，實測中，根據本系統(tǒng)計算得到生理參數的準確度可達90%以上，因此，系統(tǒng)作為一個監(jiān)護儀器可及時地檢測出人體的健康狀況，用戶可根據系統(tǒng)的提示對一些病癥作出及時反應，系統(tǒng)達到了預期效果。
下載文檔
