嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)(精)

1、嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)類別：嵌入式系統(tǒng)近年來，人們越來越關(guān)注健康問題，生命健康監(jiān)護(hù)已成為一個(gè)重要課 題，以往的生命健康監(jiān)護(hù)儀，體積通常比較大，而且價(jià)格昂貴，這類儀器主要 應(yīng)用于醫(yī)院的病房，用做對(duì)病人監(jiān)護(hù)。為適合普通人群在醫(yī)院以外的地方，如 家庭、野外等環(huán)境下對(duì)身體健康狀況的監(jiān)護(hù)要求，設(shè)計(jì)了一種便攜式多參數(shù)健 康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有體積小、使用方便、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，可隨身攜帶， 檢測人體的某些重要生理參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示。1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)利用專門的傳感器采集人體體溫參數(shù)，脈沖波和 心電信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、 A/D 轉(zhuǎn)換后，經(jīng)數(shù)

2、據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行 計(jì)算，得到人體的重要生理參數(shù)并實(shí)時(shí)顯示，這些參數(shù)包括血氧飽和度、心 率、血液粘稠度和體溫，另外系統(tǒng)還能顯示人體的心電波形和脈搏波形，系統(tǒng) 總體框圖如圖 1 所示。系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊兩部分組成，信號(hào)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(hào)，采集電路對(duì)生理信號(hào)進(jìn)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(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)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(jì)算得到所需要的生理參數(shù)并實(shí)時(shí)進(jìn)行LCD 顯示

3、。2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì) 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(duì) 波形的軟件濾波，并通過計(jì)算得到所需的生理參數(shù)，其運(yùn)算量較大，軟件設(shè)計(jì) 較復(fù)雜，而信號(hào)采集模塊要分時(shí)采集兩路信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波和 A/D 轉(zhuǎn) 換，為簡化硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的編寫，采用兩個(gè)CPU 的設(shè)計(jì)方案，信號(hào)采集模塊采用 TI 公司的 16 位系列單片機(jī) MSP430F14,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(gè)具有 PWM 功能的定時(shí)器、

4、斜邊 A/D 轉(zhuǎn)換、片內(nèi) USART看門狗定 時(shí)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(chǔ)器，單 片 MSP43C 即可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需要，MSP430F14 具有豐富的片內(nèi)外 設(shè)，是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，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(jià)比，其極低的功耗非常適合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，本系統(tǒng)就 是利用此單片機(jī)內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換單元完成信號(hào)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(shè)備提供的高性 能及高性價(jià)比的微控制器解決方案， 使用 32位的低功耗 RISC 內(nèi)核 ARM7TDMI

5、 同時(shí)，S3C44B0XS ARM7TDM 核的基礎(chǔ)上，擴(kuò)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(shí)鐘管理單元、存儲(chǔ)單元和系統(tǒng)功能接口單元，本系統(tǒng)中，S3C44B0XI 成波形數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，驅(qū)動(dòng) LCD 等功能。2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 2.2.1 信 號(hào)采集電路的硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中因采用了集成度很高的單片微控制器 MSP43，0 所以系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡單。信號(hào)采集硬件電路主要包括前端模擬電路設(shè)計(jì)，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(hào)通過 MSP43C 內(nèi)置的 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，前端模擬電

6、路采用兩級(jí)放大和 低通濾波完成對(duì)信號(hào)的處理，光源控制電路通過雙脈沖驅(qū)動(dòng)電路依次電亮紅光 和紅外光發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波的光電測量。為增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采 用專門的光電隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以保證使用儀器時(shí)人體的絕對(duì)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(jì)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(shè)計(jì)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(hào)較多，需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)應(yīng)用S3C44B0X

7、存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)了三層存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)：片內(nèi)Cache 片外主存和片外輔存，另外還是存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼的線性 lash，具體設(shè)計(jì)如圖 3 所示，S3C44B0X 集成了大量應(yīng) 用資源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)置了四個(gè)按鍵，用來實(shí)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(hào)和體溫賓在 LCD 顯示相關(guān)的參數(shù)，LCD 驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)液晶觸摸屏。2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的工作過程為： 用戶通過按鍵選擇需要實(shí)現(xiàn) 的功能，ARM 處理器接收到命令后，通過串口向 MSP43 單片機(jī)發(fā)送采集相應(yīng)信 號(hào)的命令，單片機(jī)完成采集后再通過串口

8、將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM 處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 本監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多任務(wù)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 及充分利用 32 位內(nèi)核 CPU 勺性能，采用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)方法，在實(shí) 時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-Time Operating System )平臺(tái)上進(jìn)行嵌入式應(yīng)用軟件 開發(fā)，系統(tǒng)選用卩C/OSII 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(tái)，應(yīng)用 卩 C/OSII 的內(nèi)核多任務(wù)管理機(jī)制，更好地完成軟 件系統(tǒng)的編寫。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為兩部分，基于卩 C/OSII 的軟件部分設(shè)計(jì)和單片機(jī) MSP430 勺軟件設(shè)計(jì)，其中，基于

9、卩 C/OSII 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(duì)信號(hào)進(jìn)行軟件濾波和參數(shù)的計(jì)算、顯示， 這部分由S3C44B0)處理器實(shí)現(xiàn)，信號(hào)采集部分軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和發(fā)送，這 部分由MSP430F14 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。2.3.1 基于卩 C/OSII 的軟件部分設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 軟件在啟動(dòng)卩C/OSII 之前先進(jìn)行系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)入系 統(tǒng)主任務(wù)，等待鍵盤響應(yīng)，但按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)出命令采集相應(yīng)的 生理信號(hào)，并等待接收采集的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理子程序，計(jì)算得 到所要求的生理健康參數(shù)，并進(jìn)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(duì)單片機(jī)采集到的數(shù)

10、據(jù)進(jìn)行軟件濾波，在心電 信號(hào)的檢測放大中，50Hz 干擾及高頻雜波干擾最為嚴(yán)重，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xué)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(hào)，丫(n)表示濾波后的信號(hào)。在脈搏波信號(hào)的處理中，采用 7 點(diǎn)平均的方法濾波，濾波公式為： Y( n) =( Xn-3+Xn-2+Xn-1+Xn+Xn+1+Xn+2+xn+3/7 經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，此方法可進(jìn)行有效濾波，為下一步波形分析計(jì)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(jì)算 出心率參數(shù)，根據(jù)脈搏波形計(jì)算出血氧飽和度和血液粘稠度等參數(shù)，根據(jù)波形 計(jì)算所需參數(shù)的算法是軟件編寫的難點(diǎn)和關(guān)鍵，結(jié)合芯片的運(yùn)算速度，并考慮 實(shí)時(shí)性要求，算法采用閾值判別法，此類算法在文獻(xiàn) 3 、 4 中已有應(yīng)用，本 系統(tǒng)對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)，以更好地完成所需要的功能。 2.3.2 信號(hào)采集部分軟 件設(shè)計(jì) 此軟件設(shè)計(jì)主要根據(jù)得到的指令采集相應(yīng)的生理信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后通 過