基于ARM7的心電采集與遠程傳輸系統(tǒng)設計方案

　　引言

　　心臟病是嚴重威脅人類健康和生命的主要疾病之一。統(tǒng)計顯示約60%的心臟病人死于家中，這些病人如果能夠及時獲得搶救、護理，是完全可能避免死亡的。由于心臟病發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性，將心電監(jiān)護從病床、醫(yī)院擴展到社區(qū)、家庭實施遠程監(jiān)護，無論是從減輕患者的經濟負擔，還是從增強醫(yī)院服務能力的角度考慮都具有重要的現實意義。

　　2 心電監(jiān)護終端的硬件設計

　　從體積小、功耗低、操作簡便的角度設計心電監(jiān)護終端硬件電路。圖1為整個監(jiān)護終端的硬件框圖，主要由調理電路、心電數據采集模塊、ARM7微處理器模塊、網口模塊、電源模塊5部分組成。該監(jiān)護終端完成心電信號的采集和預處理，并通過網口實時發(fā)送至監(jiān)護中心服務器，從而實現遠程實時監(jiān)護。

　　2.1 信號調理電路設計

　　人體心電信號是一種低頻微弱電信號，其幅值約10μV～5 mV，頻率范圍為0.05～100 Hz。需要放大上千倍(即達到V量級)才便于觀察以及A/D轉換，具體增益還需結合A/D轉換模塊的測量范同確定。通過心電導聯線獲取的心電信號首先經儀表放大器AD620進行差分放大，由于體表液體與電極之間可能形成原電池，致使電極之間存在固定電位差，因此第1級的差分放大增益不能太高，否則容易飽和.所以第1級增益選為20;為了使信號滿足A/D轉換要求，需將信號放大至V量級，因此設置次級放大增益為30，這里采用普通的四運放LM324。由于心電信號中?；煊兄绷骱突€漂移干擾，因此應在第1級和次級放大電路之間加高通濾波器，可有效避免心電信號的基線漂移，相應的高頻干擾信號可通過放大器輸入端電路和一個截止頻率為100 Hz的二階低通濾波器予以濾除。此外，通過陷波器濾除50 Hz工頻干擾。經上述信號處理后，心電信號接入微處理器LPC2210的P0.27引腳(AIN0)由其內部A/D轉換模塊完成A/D轉換。根據采樣定理，采樣頻率應保證高于其2倍，因此在A/D轉換中將采樣頻率設置為500 Hz。圖2為信號調理電路。

　　2.2 ARM7微處理器及外圍電路

　　LPC2210是PHILIPS公司開發(fā)的基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI CPU的微控制器。該器件具有144引腳封裝、極低功耗、多個32位定時器、8路10位A/D轉換器、PWM輸出以及多達9個外部中斷，使其適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機(POS)。

　　該系統(tǒng)設計的A/D轉換部分采用LPC2210自帶的8通道10位A/D轉換模塊，簡化電路設計。由于LPC2210無片內Flash，且LPC2210片內SRAM僅有16 KB，考慮到系統(tǒng)中需加載一個嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II和TCP/IP協議棧，16 KB空間遠遠不夠，所以片外加載一個SRAM IS61LV25616AL和一個Flash SST39VF160，具體電路如圖3所示。

　　2.3 網口電路

　　由于LPC2210不帶以太網接口控制器，因此需增加一塊以太網控制器實現以太網傳輸。目前比較常用的10 Mb/s嵌入式以太網器件有RTL8019、CS8900等，這里選用RTL8019AS。RTL8019AS是一款NE2000兼容的ISA總線以太網控制器，該器件的主要特點為：符合IEEE 802.310 Base2和1OBaseT標準;網絡傳輸速率為10 Mbit/s，支持CSMA/CD傳輸協議;自動奇偶檢測及糾錯;支持即插即用方式(PnP)和非即插即用方式(Non-PnP)，可通過軟件設置中斷、輸入和輸出地址等網絡參數;支持兩種接口類型，并能自動偵測介質類型，BNC端口用于連接同軸電纜，RJ45端口用于屏蔽雙絞線;支持全雙工模式;內建16 KB SRAM。

　　系統(tǒng)中RTL8019AS工作在跳線模式，其基地址為0x300。所以電路上RTL8019AS的引腳SA6,SA7，SA10～SA19均接地，SA9接電源，SA8與LPC2210地址總線A22相連，SA5與LPC2210的外部存儲器Bank3片選CS3相連。RTL8019AS與LPC2210的具體連接關系如表1所示。當SA8為1，SA5為0時，選中RTL8019AS，即LPC2210與RTL8019AS之間的映射關系是：0x83400000~0x8340001F，0x300~0x31F。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　由于μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是源代碼公開的、共享的并且可移植性、可裁減性非常好，通過信號、郵箱及隊列能夠很好的實現任務問的實時通訊、系統(tǒng)同步及多任務間的管理和調度，所以這里選用μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)作為平臺。

　　首先進行μC/OS-II的移植，對μC/OS-II的移植實際上就是重寫或修改與處理器有關的代碼。主要是編寫OS_CPU.H，OS_CPU_ A.S，OS_CPU_C.C這3個文件。在完成μC/OS-Ⅱ代碼移植后，把TCP/IP協議棧加載到該系統(tǒng)中，即完成程序運行平臺的搭建工作。

　　該系統(tǒng)設計的主程序主要通過3個任務來實現，即在主函數main()中先利用OSInit()初始化μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，給應用程序中用到的消息隊列、信號量等清零，然后利用OSTaskCreateExt()創(chuàng)建第一個任務task0，通過OSStart()啟動操作系統(tǒng)的多任務調度機制，開始運行該系統(tǒng)的主要應用程序。

　　3個任務中，設置任務task0的優(yōu)先級最高，任務task2的優(yōu)先級最低。任務task0主要負責接收數據，調用RTL8019AS的驅動函數Rec_Packet()接收遠端計算機的連接請求(本地設置為服務器端)。若有請求幀，則設置消息隊列RecTcpQFlag，然后刪除任務本身;若沒有請求幀，則持續(xù)利用Rec_Packet()接收數據，直到接收到連接請求。task0的流程圖如圖4所示。

　　該系統(tǒng)設計的監(jiān)護模塊與醫(yī)院內心電監(jiān)護中心的心電實時監(jiān)控服務器都工作于客戶/服務器模式下。在工作狀態(tài)下，心電數據接收轉發(fā)器客戶端應用程序，首先初始化以太網接口，然后主動與醫(yī)院內心電實時監(jiān)控服務器建立連接;連接成功后，進入工作狀態(tài)，不斷接收心電數據，并通過已建立的連接將數據發(fā)送到心電實時監(jiān)控服務器。

　　4 結論

　　由于采用嵌入式Internet技術，利用以太網傳輸被監(jiān)護病人心電數據，理論上整個系統(tǒng)中被監(jiān)護病人的個數無限制，只要網絡的帶寬和服務器的處理能力足夠強，就可以任意擴展。被監(jiān)護病人既可位于醫(yī)院的病房，也可位于家庭、辦公室，只要該處有寬帶網接入端口即可。因此.該系統(tǒng)將大大增強和擴展醫(yī)院的醫(yī)療服務能力，同時也使更多的病人得到低成本和周到的心電監(jiān)護服務，具有很高的推廣價值和顯著的社會經濟效益。