基于ARM處理器的嵌入式腦血氧參數(shù)監(jiān)測儀

氧是人體新陳代謝的重要物質(zhì),腦組織新陳代謝率高,耗氧量占全身總量的20％左右。在心腦血管疾病及腦外傷病人的臨床搶救與治療中,如果缺乏對腦組織供氧的監(jiān)護手段,就有可能造成腦組織神經(jīng)功能的喪失或損害。因此,提供一種連續(xù)監(jiān)測大腦供氧狀況的臨床設(shè)備,對提高心腦血管和腦外傷等多種疾病的診斷和治療具有重大意義。在健康監(jiān)護和臨床診斷中,對腦組織血氧參數(shù)的監(jiān)測是不可缺少的。

本文即應(yīng)用ARM微處理器開發(fā)了一種帶有網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式腦組織血氧參數(shù)監(jiān)測設(shè)備。

整個硬件系統(tǒng)由腦血氧檢測探頭脈沖驅(qū)動電路、濾波放大電路、LPC2210系統(tǒng)及接口電路組成。由LPC2210產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號,經(jīng)探頭脈沖驅(qū)動電路放大,用于驅(qū)動探頭的光源發(fā)光,并產(chǎn)生周期性的光信號。探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號。濾波放大電路將得到的電信號進行低通濾波和信號放大。LPC2210對放大后的信號進行A／D轉(zhuǎn)換,并進行數(shù)字處理,同時通過接口電路擴展鍵盤、LCM圖形液晶顯示、RS232串口和以太網(wǎng)接口,用于整個系統(tǒng)的控制、顯示、與上位機(PC機)的通訊以及網(wǎng)絡(luò)通信。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

LPC2210是飛利浦公司基于一個16／32位ARM7內(nèi)核的微控制器。它具有極低的功耗,16KB片內(nèi)SRAM,多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷,特別適合用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)等。

系統(tǒng)電源電路如圖2所示。220V市電輸入后經(jīng)過B1單相橋式整流,再由三端穩(wěn)壓器件U1和U2穩(wěn)壓,分別產(chǎn)生+5V和-5V電壓,給探頭集成電路和集成運放LM324供電。由于LPC2210微控制器要使用兩組電源,I／O供電電源為3.3V,內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1.8V,因此在+5V后面再使用低壓差電源芯片穩(wěn)壓輸出3.3V和1.8V電壓,低壓差電源芯片U11、U12采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3,其特點為輸出電流大,輸出電壓精度高。

本系統(tǒng)的復(fù)位電路使用了SP708S,由于在進行JTAG調(diào)試時nRST和nTRST可由JTAG仿真器控制復(fù)位,因此使用了三態(tài)緩沖門74HC125進行驅(qū)動,如圖3所示。系統(tǒng)時鐘電路采用了外部11.0592MHz晶振,使串口波特率更精確,同時能夠支持LPC2210片內(nèi)PLL功能,用1M電阻R45并接到晶振兩端,使系統(tǒng)容易起振。JTAG接口電路采用了ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口,其信號的定義與LPC2210的連接電路如圖3所示。根據(jù)LPC2210的應(yīng)用手冊說明,在RTCK引腳接一個4.7K的下拉電阻,使系統(tǒng)復(fù)位后,LPC2210內(nèi)部的JTAG接口使能,這樣就可以直接進行JTAG仿真調(diào)試了。本系統(tǒng)擴展了4MbSRAM(IS6ILV25616AL)和16MbFLASH(SST39VF160)。為了方便程序調(diào)試和固化, 使用了Bank0和Bank1的地址空間,可以通過跳線將LPC2210的CS0和CS1分別分配給SRAM或者FLASH。程序調(diào)試時,分配SRAM為Bank0地址;最終代碼固化到FLASH時,分配FLASH為Bank0地址。

由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng),所以使用了SP3232E進行RS232電平轉(zhuǎn)換。SP3232E是3V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片,接收端和發(fā)送端分別接到LPC2210的P0.0_TxD0和P0.1_RxD0口。本系統(tǒng)具有16個按鍵,用于菜單選擇,輸入病人的信息等功能。系統(tǒng)使用了I2C接口的鍵盤驅(qū)動芯片ZLG7290,ZLG7290是一款功能強大的鍵盤驅(qū)動芯片,最多可支持64個鍵盤。

本系統(tǒng)采用點陣圖形液晶模塊接口電路,可以直接與T6963C液晶驅(qū)動模塊連接使用。系統(tǒng)采用8位總線方式,液晶模塊沒有地址總線,顯示地址和顯示數(shù)據(jù)地址均通過DB0～DB7實現(xiàn)。模塊的工作電壓是5V,而LPC2210的I／O電壓為3.3V,所以在總線上串接470的保護電阻。讓圖形液晶模塊的C／D與A1連接,使用A1控制模塊處理數(shù)據(jù)命令,并且可以利用LPC2210的16位總線方式操作圖形液晶模塊(高8位數(shù)據(jù)被忽略)。模塊片選信號CE由LPC2210的A22和外部存儲器Bank3片選CS3相或后得到,當(dāng)A22和nCS3同時為0時,模塊被選中。LCM接口電路如圖4所示。

本系統(tǒng)設(shè)計了以RTL8019AS芯片為核心的以太網(wǎng)接口電路,其電路原理圖如圖5所示。由于LPC2210是開放式總線,所以電路設(shè)計為16位總線方式對RTL8019AS進行訪問,數(shù)據(jù)總線D0～D15與芯片SD0～SD15連接。由于RTL8019AS的工作電壓是5V,而LPC2210的I／O電壓為3. 3V,所以在總線上串接470Ω的保護電阻。RTL8019AS工作在跳線模式,基地址為0x300H,所以電路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地,SA9接電源。SA8與地址總線A22相連,SA5與LPC2210的外部存儲器Bank3片選CS3相連,當(dāng)SA8為1,SA5為0時,選中RTL8019AS。其它引腳的連接方法可參考RTL8019AS的應(yīng)用手冊。

　　

腦血氧探頭部分的前置放大電路需要系統(tǒng)提供+5V和-5V電源,同時燈泡需要提供電壓大約為9V、周期為4s、占空比為1／3的脈沖方波,以實現(xiàn)760nm和850nm兩個光源輪流發(fā)光和檢測到響應(yīng)的背景噪聲。脈沖方波可以由LPC2210的PWM實現(xiàn),可是其輸出電壓為3.3V,不足以驅(qū)動探頭燈泡發(fā)光,因此采用了開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器MAX1848,它產(chǎn)生最高至13V的輸出電壓,足以驅(qū)動小燈泡。通過燈泡的正向電流與加在CTRL引腳的電壓成正比,將LPC2210的P0.9和P0.8定義成PWM狀態(tài),通過軟件使其產(chǎn)生上述的脈沖方波,接在CTRL上。當(dāng)加載在CTRL上的電壓小于100mV時,MAX1848會進入關(guān)斷模式,這樣可以實現(xiàn)PWM調(diào)光功能。探頭與系統(tǒng)電路之間采用了標(biāo)準(zhǔn)的9針接口,方便組裝和拆卸。放大電路如圖6所示。

腦電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般處于含有大量電器設(shè)備的環(huán)境,通過腦電檢測裝置導(dǎo)聯(lián)線及人體自身的分布電容,電磁干擾尤其是50Hz工頻干擾極易引人人體。低通濾波是一種常用除工頻干擾的方法,這種處理方法使電路得到簡化,濾波后的截止頻率約為33Hz。集成運算放大器LM324將濾波后的信號進行放大,通過LPC2210的P0.27和P0.28進行A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號,如圖6所示。再根據(jù)Lambert-Beer定律,利用軟件進行相關(guān)運算,得到腦組織的血氧參數(shù),通過顯示屏輸出,實現(xiàn)雙探頭檢測雙側(cè)腦組織局部血氧參數(shù)的功能。

系統(tǒng)軟件應(yīng)用ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境編寫和調(diào)試,它是ARM公司推出的ARM核微處理器集成開發(fā)工具。在μC／OS-II操作系統(tǒng)上,應(yīng)用C語言編寫源程序,使用ADS1.2中的CodeWarriorIDE進行操作系統(tǒng)移植、軟件的編譯、連接生成二進制代碼。通過AXD調(diào)試器和JTAG進行調(diào)試,最后固化到系統(tǒng)的FLASH上。

本文介紹了嵌入式腦血氧監(jiān)護儀的系統(tǒng)電路設(shè)計,用于實現(xiàn)雙路雙側(cè)腦組織血氧的參數(shù)監(jiān)測,可通過串口通訊的方式將監(jiān)測參數(shù)和病人的信息傳輸?shù)絇C機進行儲存和管理,也可使用以太網(wǎng)接口將信息發(fā)送至遠程終端便于進行遠程監(jiān)控和診斷。在家庭、野外或者戰(zhàn)場監(jiān)護中有比較廣泛的實用前景。