遠(yuǎn)程家庭心電監(jiān)護(hù)終端

　　嵌入式Web服務(wù)器模塊

　　考慮本系統(tǒng)定位于家庭使用，且系統(tǒng)需要連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，又由于系統(tǒng)需要良好的人機(jī)交互環(huán)境、存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)以及支持網(wǎng)絡(luò)通信，所以要求處理器具有功耗低、成本低、豐富的接口和支持操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用ARM9處理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持設(shè)備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應(yīng)用上。其CPU內(nèi)核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線(xiàn)和Harvard高速緩存體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V內(nèi)核供電，3.3V存儲(chǔ)器供電，3.3V外部I/O供電；外部存儲(chǔ)器控制器；LCD控制器提供1通道LCD專(zhuān)用DMA； 8通道10位ADC接口，轉(zhuǎn)換速率最大為500KSPS(Kilo Sample Per Second，千采樣點(diǎn)每秒)；117位通用I/O口和24通道外部中斷源；電源控制模式包括正常、慢速、空閑和掉電4種模式；支持NAND Flash的啟動(dòng)裝載。

　　對(duì)心電信號(hào)采樣精度的考慮主要出于對(duì)ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化約為0.05mV，因此采樣精度至少為0.025mV。當(dāng)采用10位A/D轉(zhuǎn)換器工作在正極性、滿(mǎn)刻度電壓為2.5V時(shí)，可分辨的最小輸入電壓為2.5mV，而信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù)為1000倍，則輸入端的最小分辨率約為0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需求。

　　為了使用戶(hù)能夠直觀的觀察心電和便于控制設(shè)備，設(shè)計(jì)采用東華公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人機(jī)交互界面。為滿(mǎn)足移植操作系統(tǒng)以及存儲(chǔ)心電信號(hào)、網(wǎng)頁(yè)等數(shù)據(jù)的要求，系統(tǒng)外擴(kuò)了64M的NAND Flash(使用一片K9F1208UOB)和64M的SDRAM(使用兩片HY57V561620)。為滿(mǎn)足終端聯(lián)網(wǎng)的需求，選用CS8900A用于設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)適配器，CS8900A是一個(gè)真正的單芯片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案產(chǎn)品，更方便的是在Linux內(nèi)核中提供有CS8900A適配器的驅(qū)動(dòng)程序。

　　電源部分

　　為增加安全性、降低功耗、節(jié)省成本，設(shè)計(jì)采用9V堿性電池供電，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片AS1117-3.3將9V轉(zhuǎn)換為3.3V可供給放大器芯片和S3C2410使用。

軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)程序的設(shè)計(jì)，功能程序的設(shè)計(jì)。

圖6  系統(tǒng)軟件框圖

　　Linux的移植

　　本設(shè)計(jì)采用linux-2.4.18內(nèi)核。正確進(jìn)行Linux移植的前提是具備一個(gè)與Linux配套、易于使用的BootLoader，它能夠正確完成硬件系統(tǒng)的初始化和Linux的引導(dǎo)。本系統(tǒng)中采用vivi，它是由韓國(guó)MIZI公司提供的一款針對(duì)S3C2410芯片的BootLoader。

　　Linux內(nèi)核的目錄/arch中包含了所有與硬件體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)核移植代碼，目錄/arch中的每個(gè)子目錄代表了一種Linux支持的處理器。移植Linux到S3C2410平臺(tái)主要是修改/arch/arm目錄及其子目錄下相關(guān)的makefile文件和配置文件。例如：修改內(nèi)核根目錄下的Makefile文件，指明要移植的硬件平臺(tái)為ARM：ARCH:=arm,指明使用的交叉編譯器CROSS_COMPILE=/opt/host/armv41/bin/armv41-unknown-linux-；修改arm/arm目錄下的config.in文件，配置S3C2410的相關(guān)信息；為初始化處理器，還需在arch/arm/boot/compressed目錄下添加head-s3c2410.s文件。內(nèi)核修改完成后，用命令make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令編譯內(nèi)核，編譯通過(guò)后則在目錄arch/arm/boot下生成zImage內(nèi)核文件，還需利用工具軟件MKCRAMFS制作cramfs文件系統(tǒng)。最后，在minicom終端的vivi命令行下利用load命令將內(nèi)核和文件系統(tǒng)下載到目標(biāo)系統(tǒng)，至此移植完成。

　　Boa的移植和CGI程序設(shè)計(jì)

　　由于嵌入式設(shè)備資源有限，并且不需要同時(shí)響應(yīng)多用戶(hù)請(qǐng)求，因此一般使用一些專(zhuān)門(mén)的Web服務(wù)器用于嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。Boa是單任務(wù)web服務(wù)器，源代碼開(kāi)放，性能高，支持CGI，能為CGI程序fork出一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度和安全，可執(zhí)行代碼只有約60KB。移植Boa的過(guò)程如下：從sourceforge.net上下載 boa-0.94.13，在其解壓目錄下生成并修改makefile文件，然后運(yùn)行make得到可執(zhí)行程序，利用命令armv4l-unknown-linux-strip將調(diào)試信息剝?nèi)?，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的運(yùn)行。最后將生成的可執(zhí)行程序Boa掛載到目標(biāo)系統(tǒng)，若能成功訪問(wèn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)和運(yùn)行測(cè)試用的CGI程序，則表明配置成功。

　　通用網(wǎng)關(guān)接口CGI可將Web服務(wù)器連接到外部應(yīng)用程序，它主要完成兩件事情：一是收集從Web瀏覽器發(fā)送給Web服務(wù)器的信息，并將這些信息提供給外部程序利用；二是對(duì)提出請(qǐng)求的Web瀏覽器發(fā)送程序的輸出。CGI具有平臺(tái)獨(dú)立性、語(yǔ)言獨(dú)立性和層次感等優(yōu)點(diǎn)。利用CGI程序則可以實(shí)時(shí)執(zhí)行并輸出動(dòng)態(tài)信息，且其占用資源少。CGI程序的執(zhí)行過(guò)程為：瀏覽器將表單數(shù)據(jù)以POST方法提交給Web服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)收到的數(shù)據(jù)設(shè)置環(huán)境變量，并新開(kāi)一子進(jìn)程來(lái)執(zhí)行CGI程序，CGI程序從環(huán)境變量中讀取所需要的數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用用戶(hù)自定義的外部功能函數(shù)完成數(shù)據(jù)處理后，再讀取相應(yīng)的HTML模板文件，根據(jù)注釋標(biāo)記將對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)填充到HTML文件中，生成新的HTML頁(yè)面經(jīng)Web服務(wù)器返回給瀏覽器。

　　為快速開(kāi)發(fā)符合應(yīng)用要求的CGI程序，在設(shè)計(jì)時(shí)添加了CGIC庫(kù)和gd庫(kù)。CGIC是一個(gè)功能強(qiáng)大的支持CGI開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)。Thomas Boutell編寫(xiě)的gd庫(kù)是標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言庫(kù)，具有基本的繪圖等功能。為實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上動(dòng)態(tài)顯示心電波形，將每次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)功能程序處理后存儲(chǔ)的同時(shí)送給CGI程序，利用gd庫(kù)提供的函數(shù)來(lái)創(chuàng)建圖像。通過(guò)在網(wǎng)頁(yè)模塊上設(shè)定刷新時(shí)間(使用HTML語(yǔ)言的META標(biāo)記)，從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上心電波形的動(dòng)態(tài)顯示。

　　主程序設(shè)計(jì)

　　主程序首先完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，然后阻塞監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)接口是否有連接請(qǐng)求，一旦客戶(hù)端發(fā)出連接請(qǐng)求，則在服務(wù)器端產(chǎn)生中斷；讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，這一步主要是解析HTTP協(xié)議，需要判斷連接請(qǐng)求是否符合服務(wù)器規(guī)定的請(qǐng)求格式，判斷是連接請(qǐng)求的請(qǐng)求方法，判斷請(qǐng)求的文件是否存在服務(wù)器上，判斷認(rèn)證信息是否正確等等；在處理A/D采集的數(shù)據(jù)這一過(guò)程中，首先要將采集后的心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理，主要是抑制心電信號(hào)中的50Hz工頻干擾，再完成濾波后，將數(shù)據(jù)送到本地的LCD上顯示，同時(shí)將當(dāng)前的數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)的格式發(fā)送到網(wǎng)口。

結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位于家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)，通過(guò)在用于生理特征信息監(jiān)測(cè)的嵌入式系統(tǒng)中集成Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)Internet的接入，從而實(shí)現(xiàn)用于遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。其意義在于：設(shè)計(jì)出一套價(jià)格低且易于推廣的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，改變目前我國(guó)家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)落后的狀況；有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的監(jiān)護(hù)水平，有利于提高中老年人群突發(fā)疾病患者的整體救治率；為醫(yī)療機(jī)構(gòu)提供大量有價(jià)值的我國(guó)中老年人群疾病的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行科研工作。

參考文獻(xiàn)：

　　1．姜永權(quán)、魏月、劉克巖，適合中國(guó)國(guó)情的遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療系統(tǒng)研究，中國(guó)醫(yī)療器械雜志，2001年25卷第6期
　　2．張唯真，生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)，清華大學(xué)出版社，1990
　　3．徐英慧、馬忠梅、王磊、王琳，ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基于S3C2410與Linux，北京航空航天大學(xué)出版社，2007
　　4．李駒光、鄭耿、江澤明，嵌入式Linux開(kāi)發(fā)詳解—基于EP93XX系列ARM，清華大學(xué)出版社，2006
　　5．Kate Gregory(著)，徐丹，唐程杰等(譯)，CGI程序設(shè)計(jì)自學(xué)通，機(jī)械工業(yè)出版社，1998
　　6．李亞鋒、歐文盛，ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從入門(mén)到精通，清華大學(xué)出版社，2007