基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護儀設計

系統(tǒng)主要由信號采集模塊和數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換，并根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的指令通過串口把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理模塊對采集到的信號進行軟件濾波，并根據(jù)濾波后的波形數(shù)據(jù)采用合適的算法計算得到所需要的生理參數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)，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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換、片內(nèi)精度比較器、多個具有PWM功能的定時器、斜邊A/D轉(zhuǎn)換、片內(nèi)USART、看門狗定時器，片內(nèi)數(shù)控振蕩器（DCO）、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲器，單片MSP430即可以滿足絕大多數(shù)應用的需要，MSP430F149具有豐富的片內(nèi)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(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換單元完成信號的轉(zhuǎn)換，并通過片內(nèi)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(nèi)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(shù)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(shù)據(jù)的處理和計算，驅(qū)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(zhuǎn)換電路和光電隔離電路，如上所述，模擬信號通過MSP430內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)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(qū)動電路依次電亮紅光和紅外光發(fā)光二極管實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)字溫度傳感器，該傳感器采用單線接口，可直接把采集結(jié)果以9位數(shù)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(shù)據(jù)處理模塊的硬件設計

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)應用S3C44B0X存儲單元設計了三層存儲體系結(jié)構：片內(nèi)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(nèi)部的LCD控制器和串行通信UART接口，簡化了外圍電路設計。

系統(tǒng)設置了四個按鍵，用來實現(xiàn)用戶控制命令的輸入，案件功能分別為采集心電、 脈搏信號和體溫賓在LCD顯示相關的參數(shù)，LCD驅(qū)動電路用于驅(qū)動液晶觸摸屏。

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(xiàn)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(shù)據(jù)發(fā)送到ARM處理器，進行數(shù)據(jù)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(xiàn)系統(tǒng)的實時性及充分利用32位內(nèi)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(nèi)核的S3C44B0X硬件平臺，應用μC/OS-II的內(nèi)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(shù)的計算、顯示，這部分由S3C44B0X處理器實現(xiàn)，信號采集部分軟件實現(xiàn)信號的采集和發(fā)送，這部分由MSP430F149單片機實現(xiàn)。

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(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后進入數(shù)據(jù)處理子程序，計算得到所要求的生理健康參數(shù)，并進行顯示。

系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

數(shù)據(jù)處理過程中，首先對單片機采集到的數(shù)據(jù)進行軟件濾波，在心電信號的檢測放大中，50Hz干擾及高頻雜波干擾最為嚴重，本系統(tǒng)設計了整系數(shù)IIR數(shù)字濾波器，便于在32位處理器中快速執(zhí)行，其數(shù)學模型如下：

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(jīng)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(shù)提供了保證。

系統(tǒng)根據(jù)采集到的心電波形計算出心率參數(shù)，根據(jù)脈搏波形計算出血氧飽和度和血液粘稠度等參數(shù)，根據(jù)波形計算所需參數(shù)的算法是軟件編寫的難點和關鍵，結(jié)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(jù)得到的指令采集相應的生理信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，其流程如圖5所示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)調(diào)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(shù)，實測中，根據(jù)本系統(tǒng)計算得到生理參數(shù)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(jù)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。