基于ARM的心電信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)國家衛(wèi)生部《全國衛(wèi)生信息化發(fā)展規(guī)劃綱要》的目標(biāo)，在2010年要基本實(shí)現(xiàn)醫(yī)院的數(shù)字化和信息化。所以未來醫(yī)療器械市場(chǎng)對(duì)新型醫(yī)療設(shè)備的市場(chǎng)空間巨大，特別是擁有數(shù)字化和信息化特征的心電信號(hào)處理系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

        心電信號(hào)在通過電極提取到系統(tǒng)后，經(jīng)過具有高共模抑制比的放大電路進(jìn)行放大、濾波，由高精度的串行A/D轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行量化，提高了信號(hào)的精度。這個(gè)系統(tǒng)以 32 位高速 ARM 處理器為硬件平臺(tái)，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，對(duì)硬件系統(tǒng)的資源進(jìn)行了調(diào)度和分配，達(dá)到了對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的效果，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等功能。
 

　　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　如圖的系統(tǒng)的主要功能是對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和傳輸，如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)原理框圖

　　心電信號(hào)通過電極提取進(jìn)入模擬處理模塊，在模擬處理部分經(jīng)過放大和濾波處理后，提高了信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比。信號(hào)經(jīng)過量化后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入數(shù)字處理模塊，在以ARM處理器為核心的數(shù)字處理模塊中，PC的軟件模塊包含了對(duì)USB通道數(shù)據(jù)的接收和對(duì)心電信號(hào)的處理，經(jīng)過處理后的心電信號(hào)進(jìn)一步提高了信噪比，并顯示在屏幕上，這樣就可以更好的協(xié)助醫(yī)生對(duì)于病人的治療，可以保障醫(yī)療的正常進(jìn)行。

　　1 S3C44B0X處理器

　　S3C44B0X微處理器是Samsung公司專為便攜式設(shè)備提供的高性能和高性價(jià)比的微控制器解決方案，使用32位的低功耗RISC內(nèi)核ARM7TDMI，采用0.25μm CMOS工藝制造，支持新型總線結(jié)構(gòu)SAMBAII。

　　S3C44B0X為核心的系統(tǒng)的工作原理：首先通過醫(yī)用Ag-AgCl電極分別獲取病人的混合心電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，然后A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過32位微處理器對(duì)采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法分離，實(shí)時(shí)顯示患者病情的波形并存儲(chǔ)數(shù)據(jù);嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS) ?C/OS-Ⅱ協(xié)調(diào)各功能模塊工作，使系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　片上集成的主要功能有：在ARM7TDMl基礎(chǔ)上增加8KB的Cache;外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器;LCD控制器最大支持256色的DSTN，并帶有1個(gè)LCD專用DMA通道;2個(gè)通用DMA通道、2個(gè)帶外部請(qǐng)求引腳的DMA通道;2個(gè)帶有握手協(xié)議的DART： 1個(gè)SIO;1個(gè)I2C總線控制器;5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器;看門狗定時(shí)器;71個(gè)通用可編程I/O口，8個(gè)外部中斷源;功耗控制模式有正常、低、休眠和停止;8路10位ADC;具有日歷功能的RTC;PLL時(shí)鐘發(fā)生器。

　　2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II

　　μC/OS-II是源碼開放的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，至今，從8位到64位，這種操作系統(tǒng)已在超過40種不同架構(gòu)的微處理器上運(yùn)行。世界上已經(jīng)有很多領(lǐng)域都使用了μC/OS-II。使用這個(gè)內(nèi)核可以使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，而且不需要大的改動(dòng)就可以增加新的功能，通過將應(yīng)用程序分割成若干個(gè)獨(dú)立的任務(wù)，RTOS使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大大簡(jiǎn)化。

　　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 UART異步串行接口設(shè)計(jì)

　　心電數(shù)據(jù)經(jīng)過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度后，通過USB通道傳遞到PC上，但是由于USB接口的復(fù)雜度，在調(diào)試USB器件時(shí)需要使用到異步串行接口。而且在某些老式的PC上不能使用或安裝USB驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，異步串行接口可以作為一種備用的低速傳輸方式，這樣也增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

　　圖2是在心電信號(hào)處理系統(tǒng)中帶有RS232電平轉(zhuǎn)換的S3C44B0X的串行接口電路連接圖。在圖中，RS232電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX3232，其RxD0、TxD0和RxD1、TxD1分別連接S3C44B0X的第99、100和103、104引腳。

　　圖2 串口部分連接圖[!--empirenews.page--]2 USB設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)

　　USBD 12的D0～D7腳分別連接S3C44B0X的數(shù)據(jù)總線D0～D7，A0連接S3C44B0X的地址總線ADR0 ，A0是地址位，當(dāng)A0=1時(shí)，選擇命令指令;A0=0，選擇數(shù)據(jù)。J8是USB從接口(slave)，可以通過USB電纜連接到PC的USB口。如圖3

　　圖3 USB接口電路

　　3 FLASH ROM電路設(shè)計(jì)

　　在心電信號(hào)處理系統(tǒng)中，S3C44B0X是硬件部分的中央處理器，而實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II是硬件資源的調(diào)度中心，在每次系統(tǒng)初始化之后，由S3C44B0X將其復(fù)制到SDRAM中后，再進(jìn)行應(yīng)用程序的執(zhí)行。如圖4所示的事SST公司生產(chǎn)的容量為1M×16bit的多用途FLASH存儲(chǔ)器SST39VF160。

　　圖4 ARM與FLASH接口電路

　　當(dāng)S3C44B0X復(fù)位時(shí)，它立即從0x00000000地址處開始取指令執(zhí)行。因此，系統(tǒng)啟動(dòng)代碼放在了地址0x00000000處，并把定位在0x00000000處的存儲(chǔ)器稱為BOOT ROM，在ARM系統(tǒng)中，通常都采用能夠快速讀取并方便重新寫入的Flash ROM作為BOOT ROM。處理器對(duì)Flash ROM的接口不需要任何軟件上的設(shè)置。

　　4 片外主存SDRAM的接口電路設(shè)計(jì)

　　在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-II中，每個(gè)任務(wù)都有獨(dú)立的堆棧，并且是由連續(xù)的內(nèi)存空間組成。在心電信號(hào)的傳輸過程中，還需要一個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，包括系統(tǒng)軟件運(yùn)行所需要的堆棧等。這些都需要系統(tǒng)的主存來分配空間。

　　S3C44B0X內(nèi)部只有8KB的緩存，沒有能用來運(yùn)行程序和存放臨時(shí)數(shù)據(jù)的RAM，所以必須外接SDRAM作為片外主存。S3C44B0X與SDRAM如圖5所示。

　　圖5 S3C44B0X與SDRAM的連接圖[!--empirenews.page--]軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電信號(hào)的量化和對(duì)數(shù)據(jù)的處理和傳輸，充分的利用μC/OS-II的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。

　　圖6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

　　抗干擾設(shè)計(jì)

　　心電信號(hào)傳輸?shù)絇C機(jī)端后，需要顯示到屏幕上，形成心電圖。在心電信號(hào)處理系統(tǒng)中采用的12導(dǎo)聯(lián)在屏幕上表現(xiàn)為12個(gè)心電波形，每一個(gè)波形都包含著特定的信息，這樣就可以更加準(zhǔn)確的檢測(cè)出病人的病情狀況，但是要得到接近于理想的心電波形，就必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。這樣才能將病情利用波形準(zhǔn)確的表達(dá)出來。

　　從測(cè)量技術(shù)上來說，心電信號(hào)屬于強(qiáng)噪聲背景下的低頻微弱信號(hào)，幅度為10μV～5mV，主要的頻率范圍為0.05～100Hz，因此，在心電信號(hào)的檢測(cè)、提取、放大及記錄過程中，有來自人體自身的干擾，這些干擾使系統(tǒng)的信噪比下降，甚至?xí)蜎]微弱的有效心電信號(hào)。如圖7所示。

　　圖7 自適應(yīng)噪聲抵消器消除噪聲的結(jié)構(gòu)圖

　　結(jié)束語

　　本設(shè)計(jì)提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加強(qiáng)了對(duì)于患者的治療，達(dá)到了預(yù)想的結(jié)果。此系統(tǒng)的產(chǎn)生也證明了以后有關(guān)于心臟病變的診斷有了新的進(jìn)步，起到了重要的作用。