醫(yī)生PDA遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、編號(hào) 本科生畢業(yè)論文本科生畢業(yè)論文醫(yī)生醫(yī)生 pdapda 遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)軟件系遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) design and implementation ofsoftware system for remote wireless ecg monitoring based on pda學(xué)學(xué) 生生 姓姓 名名李英健李英健專專 業(yè)業(yè)電子信息工程電子信息工程學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào)050491133指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師師馮濤馮濤學(xué)學(xué) 院院電信學(xué)院電信學(xué)院20092009 年年 6 6 月月 摘摘 要要 pda（personal digital assistant,個(gè)人數(shù)字助理）憑借其自

2、身的計(jì)算能力、與多種無(wú)線通訊模塊如藍(lán)牙模塊、cdma/gprs 通訊模塊等的集成，在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。將 pda 這種便攜式終端引入心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，可以為醫(yī)生提供了一個(gè)全新的、動(dòng)態(tài)的、便攜的心電信息處理平臺(tái)。pda 與遠(yuǎn)程無(wú)線心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的集成，使得不僅病人的心電信息可以被隨時(shí)隨地隨意地實(shí)時(shí)獲得，醫(yī)生對(duì)病人心電信息的監(jiān)護(hù)也可以隨時(shí)隨地隨意地進(jìn)行。醫(yī)用 pda 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)軟件是遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。它接收通過(guò) cdma-internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟∪诵碾娦盘?hào)，對(duì)病人進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)；并可從心電數(shù)據(jù)庫(kù)中下載歷史心電數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行回放分析。首先，本文介紹 pda

3、端軟件在整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的作用，并闡述了 pda 端監(jiān)護(hù)軟件的總體設(shè)計(jì)與框架。然后，介紹了系統(tǒng)的通信模型和通信協(xié)議，分章敘述了各個(gè)具體功能模塊的工作流程、關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法?；?at89c52 低功耗 mcu 的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀及其系統(tǒng)的研究。根據(jù)人體心電信號(hào)的特征，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的心電信號(hào)采集系統(tǒng)，選用低功耗 8 位單片機(jī) at89c52 和大容量 flash 存儲(chǔ)器對(duì)采集的心電信號(hào)進(jìn)行記錄、實(shí)時(shí)分析及處理。所研制的監(jiān)護(hù)儀帶有液晶顯示器，能實(shí)時(shí)顯示所檢測(cè)的心電信號(hào)，配合按鍵提供友好的中文菜單，操作簡(jiǎn)便，心電數(shù)據(jù)也可通過(guò) rs232 接口向上位機(jī)傳送。該監(jiān)護(hù)儀能長(zhǎng)期、連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的工作:同時(shí)

4、還具有體積小、存儲(chǔ)容量大、功耗低等特點(diǎn)，便于隨身攜帶，使用方便。還利用單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫了信號(hào)處理軟件模塊以及 ecg 信號(hào)特征點(diǎn)的檢測(cè)模塊，配合優(yōu)良的心電采集系統(tǒng)，液晶顯示器能夠?qū)崟r(shí)不失真的再現(xiàn)心電信號(hào)波形。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：pda 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù) cdma 實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù) 傳輸協(xié)議傳輸協(xié)議abstractwith powerful computing ability and integration with wirelesscommunication module such as blue tooth and gprs/cdma, pda play amore and more

5、important role in field of medical treatment. comparing withtraditional holter system, the advantage of ecg remote monitor system isthe ability to help doctor to obtain patients ecg more quickly and completely,which make it be more suitable to monitor heart disease which is chronic butcome on all of

6、 a sudden. if pda is introduced to this system, to obtainpatients real-time ecg will be more conveniently. pda provides a mobileand convenient information process service to doctors. with the help of pda,doctors can obtain patients ecg anytime and everywhere.pda software system of real-time ecg moni

7、toring is a subsystem ofecg remote monitor system. in this paper, the role of pda software systemplays in ecg remote monitor system is introduced firstly, and then thearchitecture of pda software system. thirdly, communication model andcommunication protocol of the system are described.the author is

8、 engaged in the studying and manufacturing of portable ecgmonitor and its system based on at89c52 low power mcu. according to thecharacteristic of humans ecg signal, an excellent ecg signal sampling systemwas designed. further more, the monitor uses low power 8-bits, single chipmicrocomputer at89c52

9、 and bulk flash memory to record, analyst, and processthe ecg signal at real time. the monitor uses lcd to show the ecg wavesdetected. cooperated with buttons, it provides amicable chinese menu and makesoperation simple and convenient, and the ecg data can be transmitted topersonal computer by seria

10、l rs232 interface. this monitor can work stably andreliably for a long time, and with some excellencies such as mini volume, bulkmemory, low power, etc. it is convenient to be taken with and used.by use of the assemble language in programming, the author also makes anecg auto-analysis software modul

11、e. this software is convenient to be used aswell as has friendly interface. with the excellent ecg signal sampling system,the lcd can show the ecg waves detected at real time.keywords: pda ecg remote monitoring cdma real-time monitoring transfer protocol長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文i目目 錄錄第一章第一章 緒論緒論.11.1 課題背景和意義.11.2

12、國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況.11.3 本課題方案思路的形成.2第二章第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).32.1 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體架構(gòu).32.2 醫(yī)用 pda 心電監(jiān)護(hù)軟件的總體設(shè)計(jì).42.2.1 pda 心電監(jiān)護(hù)軟件需求分析.42.2.2 pda 心電監(jiān)護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì).5第三章第三章 心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì).63. 1 引言.63. 2 前置放大器設(shè)計(jì).63. 2. 1 心電信號(hào)的提取.63. 2. 2 前置放大電路.73. 3 工頻陷波器.83.3.1 電路元件參數(shù)的設(shè)計(jì).93. 4 低通濾波電路.93.5 高通濾波電路.103.6 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路.12第四章第四章 單片機(jī)數(shù)據(jù)

13、采集系統(tǒng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).134.1 引言.134.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng).134.2.1 數(shù)據(jù)緩沖.144.2.2 at29lv040 大容量閃存.144. 3 液晶顯示系統(tǒng).154.3.1 硬件連接電路.164. 4 rs232 串行接口電路.16第五章第五章 pda-心電信息中心通信模型心電信息中心通信模型.185.1 tcp/ip 協(xié)議.185.2 pda-心電信息中心應(yīng)用傳輸協(xié)議.185.2.1 pda-心電信息中心控制信息傳輸協(xié)議.195.2.2 pda-心電信息中心心電數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議.195.3 socket 編程實(shí)現(xiàn) tcp/ip 通信.235.2.3 socket 通信流程 .24

14、5.2.4 socket 通信的多線程實(shí)現(xiàn) .25結(jié)結(jié) 論論.27長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文ii參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).28致致 謝謝.29長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文1第一章第一章 緒論緒論1.11.1 課題背景和意義課題背景和意義心臟病是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)中人類生命威脅最大的疾病之一。隨著人們生活節(jié)奏的加快以作壓力的增加，心臟病的發(fā)病率不斷增加。在美國(guó)、日本和歐洲，心臟疾病居人口疾病死亡率的第一位，在我國(guó)居第三位。心臟病己成為危害人類健康的多發(fā)病和常見病，因此心臟系統(tǒng)疾病的防治和診斷是當(dāng)今醫(yī)學(xué)界面臨的首要問(wèn)題。 心臟病是慢性病，具有長(zhǎng)期帶病，急性發(fā)病的特點(diǎn)，心臟病患者具有很大的分散性和移動(dòng)性，大部分患者分布在社會(huì)上

15、（家中或工作場(chǎng)所） ，處在日常的工作和生活中，具有較大的活動(dòng)范圍。據(jù)我國(guó)衛(wèi)生部數(shù)據(jù)中心統(tǒng)計(jì)，70%以上的心臟病患者是在社會(huì)上或家中突然發(fā)生冠心病急性事件（惡性心律失?；蚣毙孕募」Ｈ?，大部分人因失去搶救時(shí)間死于醫(yī)院外1。這些病人如果能夠獲得及時(shí)的搶救與護(hù)理，是很有可能避免死亡的。因此，對(duì)心臟病人進(jìn)行長(zhǎng)期甚至是終生的心臟監(jiān)測(cè)是非常必要的，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)異常征兆并及時(shí)給予救治，可以大大降低死亡率和致殘率，同時(shí)降低醫(yī)療費(fèi)用。1.21.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況心臟遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)是遠(yuǎn)程醫(yī)療2中的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)（telemonitoring）和家庭護(hù)理（home healthcare）的一個(gè)應(yīng)用，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)

16、是近年來(lái)遠(yuǎn)程醫(yī)療非常重要的一個(gè)研究領(lǐng)域，但在遠(yuǎn)程醫(yī)療中又是一個(gè)相對(duì)薄弱的研究領(lǐng)域。遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)提供了一種通過(guò)對(duì)生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)研究遠(yuǎn)地對(duì)象生理功能的方法。20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)研制成功了利用電話線傳送心電圖的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(ttm) 。ttm 系統(tǒng)是以微機(jī)為基礎(chǔ)的心電傳輸/接收和心電數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，通過(guò)電話線傳輸心電信息及計(jì)算機(jī)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的心電監(jiān)護(hù)。病人應(yīng)用記錄/發(fā)射器可隨時(shí)、隨地通過(guò)電話線向監(jiān)測(cè)中心傳輸心電數(shù)據(jù)，醫(yī)生根據(jù)心電信號(hào)改變和患者訴說(shuō)的病情，向患者提供診斷與治療意見，為院外心臟病人的長(zhǎng)期心電監(jiān)測(cè)和治療提供了方便。在此后的加多年中，ttm 系統(tǒng)發(fā)展迅速，而且與之相對(duì)應(yīng)的患者隨身攜

17、帶的監(jiān)護(hù)儀也取得了很大的發(fā)展。進(jìn)入 21 世紀(jì)，醫(yī)學(xué)電子儀器的發(fā)展趨勢(shì)是:1.高精度、高保真、快速實(shí)時(shí)顯示;2.更加多功能、智能化、小型化和網(wǎng)化;3.處理特異性強(qiáng)的診斷與治療相結(jié)合;監(jiān)測(cè)技術(shù)向微觀、微創(chuàng)、無(wú)創(chuàng)、快速、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)性、整合性、可視化方向發(fā)展。這長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文2些都將大大加快和提高心電信息高速公路速度，使其更加先進(jìn)、充實(shí)、完善、實(shí)用，更好提高心血管病的診斷與治療質(zhì)量，將心電信息學(xué)數(shù)據(jù)、曲線、圖像高保真、快速傳送到己開通的心電信息高速公路，并逐步推廣到各級(jí)醫(yī)院。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上存在一些便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有得到很好的普及，究其原因，作者認(rèn)為存在以下幾個(gè)方面:(1)市場(chǎng)上的產(chǎn)

18、品幾乎都是引進(jìn)國(guó)外的技術(shù)，對(duì)便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的開發(fā)國(guó)內(nèi)尚處于起步階段，在調(diào)研發(fā)現(xiàn)只有重慶大學(xué)、福州大學(xué)等幾所大學(xué)在研制開發(fā)。(2)記錄的心電信息極其有限，醫(yī)生從中難以得到患者全面的心電信息，從而降低了醫(yī)生對(duì)疾病診斷的正確率。(3)費(fèi)用較為昂貴，動(dòng)輒幾千乃至上萬(wàn)元，一般的患者難以承受;(4)實(shí)時(shí)性、體積、功耗、重量等都不盡如人意，給患者在使用過(guò)程中造成諸多不便。因此，動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制有重大深遠(yuǎn)的意義。1.31.3 本課題方案思路的形成本課題方案思路的形成 近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的性能得到了大大的提高，而單片機(jī)具有集成度高、體積小、功能強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)單片機(jī)的應(yīng)

19、用可以使儀器實(shí)現(xiàn)智能化、小型化等，這就為我們研制新型多功能、便攜式心電監(jiān)護(hù)儀提供了良好的條件。因此，采用單片機(jī)作為主控制芯片，利用 lcd 顯示器等外圍芯片，研制了一種集顯示、分析、通信等功能于一身的新型便攜式心電監(jiān)護(hù)儀。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文3第二章第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.12.1 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)醫(yī)用 pda 心電監(jiān)護(hù)軟件是整個(gè)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，因此，有必要首先對(duì)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)做一個(gè)介紹14。遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分：前端移動(dòng)監(jiān)護(hù)儀、醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的心電工作站與醫(yī)用 pda。移

20、動(dòng)監(jiān)護(hù)儀用于患者病人的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，心電信息的簡(jiǎn)易處理與顯示；醫(yī)院監(jiān)控中心心電工作站分為服務(wù)器端和客戶端：服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收患者心電信號(hào)數(shù)據(jù)，對(duì)心電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警，與醫(yī)生 pda 通訊；客戶端則對(duì)用戶的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理，對(duì)歷史心電數(shù)據(jù)進(jìn)行回放分析，并向外提供心電的 web 訪問(wèn)系統(tǒng)，供醫(yī)生和用戶上網(wǎng)瀏覽心電數(shù)據(jù)；醫(yī)生使用的 pda 移動(dòng)監(jiān)護(hù)設(shè)備，具有實(shí)時(shí)接收患者心電信號(hào)數(shù)據(jù)和接收醫(yī)院中央服務(wù)器數(shù)據(jù)的功能，并能對(duì)信號(hào)做一定的分析和處理。圖 2.1 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)工作流程：用戶端的移動(dòng)監(jiān)護(hù)儀單機(jī)測(cè)量得到患者的心臟電生理信號(hào)，通過(guò) gprs/cdma 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)

21、數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護(hù)中心的心電工作站服長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文4務(wù)器端。心電工作站服務(wù)器端接收患者的數(shù)據(jù)接入請(qǐng)求，對(duì)心電數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)控計(jì)算；還應(yīng)醫(yī)生請(qǐng)求將相應(yīng)患者的心電圖處理數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)生 pda 中。心電工作站客戶端負(fù)責(zé)管理和維護(hù)心電信息數(shù)據(jù)庫(kù)。相對(duì)于醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心的心電工作站服務(wù)器端，醫(yī)用 pda 是一個(gè)小型的移動(dòng)心電信息處理平臺(tái)，pda 也具有信號(hào)數(shù)據(jù)接收和分析處理的功能。它可以根據(jù)醫(yī)生的需要，接收由心電監(jiān)護(hù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的專屬病人實(shí)時(shí)心電信號(hào)，對(duì)病人進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)；也可從心電信息數(shù)據(jù)庫(kù)下載歷史心電數(shù)據(jù)以及其他相關(guān)信息，在 pda 上做心電圖回放分析檢測(cè)。醫(yī)生可以據(jù)此遠(yuǎn)程診斷患者的病情，根據(jù)情況去

22、患者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地就診。2.22.2 醫(yī)用醫(yī)用 pdapda 心電監(jiān)護(hù)軟件的總體設(shè)計(jì)心電監(jiān)護(hù)軟件的總體設(shè)計(jì)2.2.1 pda 心電監(jiān)護(hù)軟件需求分析心電監(jiān)護(hù)軟件需求分析醫(yī)用 pda 實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)軟件為主治醫(yī)生所用，它的主要用途在于幫助醫(yī)生及時(shí)地獲取其專屬病人的心電信息。它為醫(yī)生提供一個(gè)移動(dòng)的、方便快捷的心電信息處理平臺(tái)，讓經(jīng)常處于忙碌與移動(dòng)狀態(tài)的主治醫(yī)生可以隨時(shí)獲取病人的心電信息并做出妥當(dāng)?shù)奶幚恚皇軙r(shí)間與空間的限制。醫(yī)用 pda 的使用者是具有處方權(quán)的主治醫(yī)生，他們都受過(guò)高等教育，具備基本的計(jì)算機(jī)操作能力，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的培訓(xùn)很快就能掌握 pda 的操作。但由于醫(yī)生不具備計(jì)算機(jī)的專業(yè)知識(shí)，工作比較繁忙，

23、所以 pda 軟件要盡量簡(jiǎn)單易用，方便操作。在對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)研和分析并與醫(yī)生的溝通之后，我們提出醫(yī)用 pda 實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)軟件主要需求如下：1、 對(duì)一個(gè)或幾個(gè)專屬病人的心電波形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。2、 根據(jù)醫(yī)生需求，獲取特定病人在特定時(shí)間的心電波形并進(jìn)行回放分析。3、 與前端監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行信息交互，如獲取緊急報(bào)警信息、發(fā)送醫(yī)囑至專屬病人等。4、從服務(wù)器端獲取專屬病人資料，如聯(lián)系方式、病史等。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文5圖 2.2 pda 心電監(jiān)護(hù)與分析系統(tǒng)用例圖2.2.2 pda 心電監(jiān)護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)心電監(jiān)護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)醫(yī)生 pda 心電系統(tǒng)總體上來(lái)說(shuō)是一個(gè)智能化信號(hào)采集處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)上主要由完成人體電信號(hào)采

24、集、濾波放大的前端硬件電路部分和完成數(shù)據(jù)分析和診斷的微機(jī)控制部分構(gòu)成，這兩部分協(xié)調(diào)配合工作完成整個(gè)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)框圖見圖2.3。 前端硬件電路部分又可分為電極與導(dǎo)聯(lián)，放大與濾波電路部分，以及系統(tǒng)電源部分。放大與濾波電路部分負(fù)責(zé)將心電信號(hào)放大、濾除干擾信號(hào)等。系統(tǒng)電源部分為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的士 sv 以及士 3v 直流電源。完成數(shù)據(jù)分析和診斷分析的控制部分用 8 位的單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮以及顯示等處理，使整個(gè)系統(tǒng)具有智能化特點(diǎn)，而且通過(guò)串行接口可以和計(jì)算機(jī)很好進(jìn)行通信。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文6圖 2.3 系統(tǒng)硬件框圖 第三章第三章 心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)心電信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.3.

25、1 1 引言引言心臟在機(jī)械性的收縮之前，首先產(chǎn)生電激動(dòng)，產(chǎn)生生物電流，并經(jīng)組織和體液傳導(dǎo)至體表，在身體不同部位產(chǎn)生不同的電位變化，形成體表電位差，即變化著的心電信號(hào)。人體的心電信號(hào)是一個(gè)非常微弱的非正弦的低頻信號(hào)，其幅值一般在 1mv 左右，可低至幾十微伏，頻譜分布在 0.05100hz,主要頻譜分量集中在此 0.520hz。要采集這樣的信號(hào)，首先必須設(shè)計(jì)合適的心電信號(hào)檢測(cè)電路。在心電放大器輸入回路內(nèi)，由于電極和皮膚分泌液之間存在著復(fù)雜的離子交換過(guò)程，在其接觸面形成極化電動(dòng)勢(shì) ep1 和 ep2，當(dāng) ep1ep2 時(shí)，其差值比心電信號(hào)大得多，能達(dá)到數(shù)百毫伏。差值信號(hào)與心電信號(hào)一起，由心電放大器

26、放大，勢(shì)必造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏離，甚至進(jìn)入截止或飽和，引起心電放大器的阻塞，所以前置放大器的增益不能太大。我們?cè)O(shè)計(jì)的放大器前置放大增益為 7倍，后級(jí)放大倍數(shù)為 140 倍，總增益 1000 倍左右。我們?cè)O(shè)計(jì)的心電信號(hào)采集電路原理框圖如圖 4-1 所示。從電極提取的心電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)聯(lián)傳送到前置放大器，進(jìn)行前置放大，經(jīng)高通濾波濾除直流信號(hào)及低頻基線干擾后，由后級(jí)放大器放大，再經(jīng)濾波器進(jìn)一步濾除 50hz 工頻干擾，經(jīng)低通濾波器后得到 0.05100hz 的有用心電信號(hào)，由 a/d 轉(zhuǎn)換后送至單片機(jī)處理。同時(shí)導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路把檢測(cè)結(jié)果傳給單片機(jī)，脫落時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。圖 3-1 心電信號(hào)采集原理圖3.

27、3. 2 2 前置放大器設(shè)計(jì)前置放大器設(shè)計(jì)3. 2. 1 心電信號(hào)的提取心電信號(hào)的提取傳統(tǒng)的心電信號(hào)放大電路如圖 4-2 所示:運(yùn)算放大器 al 與 a2 為同相比例放大長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文7器，輸入阻抗很高，它對(duì)共模信號(hào)有很高的抑制比。由于電阻 rg連接于這兩個(gè)放大器的求和點(diǎn)之間，當(dāng)一個(gè)差分電壓加到儀表放大器的輸入端時(shí)，整個(gè)輸入電壓都呈現(xiàn)在 rg兩端。由于 rg兩端電壓等于 vin，所以流過(guò) rg的電流等于 vin/rg，因此輸入信號(hào)將通過(guò)放大器 al 和 a2 獲得增益并得到放大。然而須注意的是對(duì)加到放大器輸入端的共模電壓在 rg兩端具有相同的電位，從而不會(huì)在 rg上產(chǎn)生電流。由于沒(méi)有電流

28、流過(guò) rg (也就無(wú)電流流過(guò) r5 和 r6 )，放大器 a1 和 a2 將作為單位增益跟隨器而工作。因此，當(dāng) r1=r3,r2=r4，r5=r6 時(shí)，共模信號(hào)將以單位增益通過(guò)輸入緩沖器，而差分電壓將等于:v 0 = (vm+ - v m-)(1+2r5/ rg)(r2/ r1)圖 3-2 典型的三運(yùn)放電路3.2.2 前置放大電路前置放大電路為達(dá)到心電放大器的上述技術(shù)要求，前置放大電路采用了差動(dòng)輸入的方式，如圖 4-3 所示，即將患者體表的電位差作為信號(hào)予以放大。3-3 前置放大電路長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文81.輸入阻抗差動(dòng)輸入電阻就是 ad620 的差動(dòng)輸入電阻值與 r。的并值，可達(dá)到 18m，

29、因此滿足心電放大器的要求。2.低噪聲、低漂移儀表放大器 ad620 的技術(shù)指標(biāo)己滿足前置放大器低噪聲、低漂移的要求。3.增益通過(guò)調(diào)節(jié) ad620 的外接增益電阻 rg的阻值來(lái)改變放大器的增益，增益 g 與電阻 rg的關(guān)系按下式計(jì)算，g 可達(dá)到 11000 倍。 =49.4/rg +1在前置放大電路圖 4-3 中，增益電阻 rg為 r2,r3 的串聯(lián)后再與 r1 并聯(lián)的電阻值，r1, r2, r3 須選用低溫度系數(shù)的精密線繞電阻，否則 ad620 的高性能將下降，我們選用的精度為 0. 01%的精密線繞電阻。根據(jù)低噪聲設(shè)計(jì)理論，影響多級(jí)放大器的噪聲性能主要是第一級(jí)，達(dá)到低噪聲性能，并選用低噪聲器

30、件來(lái)構(gòu)成第一級(jí)。但考慮到心電信號(hào)中混雜著比其幅度大得多的直流信號(hào)，太大的前置級(jí)放大器增益會(huì)影響電路的直流穩(wěn)定性，為了保證前置放大器不工作在截止區(qū)或飽和區(qū)，前置放大器的增益不能過(guò)大，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了第一級(jí)的放大倍數(shù)為 7 倍左右。3.3. 3 3 工頻陷波器工頻陷波器在生理信號(hào)(如心電、腦電、動(dòng)脈波和心音等)的檢測(cè)過(guò)程中，50hz 工頻干擾是經(jīng)常存在的，但是由于 50hz 的干擾信號(hào)是落在心電信號(hào)的有效頻帶內(nèi)，所以在信號(hào)通道中增加一級(jí)工頻陷波器，以盡可能的在 50hz 單頻上抑制干擾。圖 3-4 陷波電路圖長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文9在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們采用帶通濾波抵消法，如圖 3-4 所示。該陷波器

31、具有品質(zhì)因數(shù)高、陷波倍數(shù)大、中心頻率可調(diào)等特點(diǎn)。圖 3-4 中運(yùn)算放大器 u1a. u1b, u2a 組成 50hz 帶通濾波器，運(yùn)算放大器u2c、電阻 r12, r9, r13 組成加法運(yùn)算電路。信號(hào)從 in 進(jìn)入后一路經(jīng)過(guò)帶通濾波器得到 50hz 信號(hào)，一路經(jīng)過(guò)由 u2b，電阻 r11 構(gòu)成的反相放大電路得到反相放大信號(hào)。兩信號(hào)再經(jīng)加法電路，其結(jié)果抵消了原信號(hào)中的 50hz 分量。3.3.1 電路元件參數(shù)的設(shè)計(jì)電路元件參數(shù)的設(shè)計(jì) fo=1/2rc設(shè)計(jì)要求：fo=50hz，增益 ho=13 取 1=2=68nf，由 fo=1/2rc 算得，r=46.8，實(shí)際取 r=47。因此 r1=r3=r

32、4=r5=r7=r10=47，另取r6=10，求得 r8=100，調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)節(jié) r6、r8，從而調(diào)節(jié)增益和品質(zhì)因數(shù)。實(shí)際電路中 r5 由一固定值 r5 和一可變電阻組成，以調(diào)節(jié)中心頻率。3.3. 4 4 低通濾波電路低通濾波電路由前面可知，心電信號(hào)的大部分有用信息在 0.05hz-100hz 之間，所以截比頻率取.fo=100hz。根據(jù)巴特沃思二階低通濾波的特點(diǎn)，本電路采用巴特沃思二階低通濾波電路，電路如圖 3-7 所示，其各個(gè)參數(shù)表達(dá)式如下:1、傳遞函數(shù):h(s)s2 +s/ r11+s/ r11+s(1-uf)/ r22+1/ r1 r212=uf/ r1 r212圖 3-7 低通濾波

33、電路圖增益： uf=1+ r4/r3截止頻率：長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文10 0=r2c1c2 r1/1品質(zhì)因數(shù)： 0/=1/ r21+1/ r11+(1-uf)/ r2c2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下： 1)選取 1值 ： 1 = 0.01uf 2)根據(jù) fo和 1，求值： =100/fo1=100 3)設(shè)定增益uf=2，查表 4-2 得： 1=2=0.01uf r1=1.126 r2=2.250 r3= r4=6.752 4)將上述電阻乘以參數(shù)，并取標(biāo)稱值得到： r1=113 r2=226 r3=r4=680表 3-2 二階低通濾波器（巴特沃思響應(yīng)）設(shè)計(jì)表電路元件值增益1246810r11.4221.12

34、60.8240.6170.5210.102r25.3992.2501.5372.0512.4292.742r3開路6.7523.1483.2033.3723.560r406.7529.14416.02223.60232.038cz0.33cc2c2c2c2c設(shè)計(jì)表電阻為參數(shù) k=1 時(shí)的阻值。單位為 k3.53.5 高通濾波電路高通濾波電路 高通濾波器電路如圖 3-9 所示。本系統(tǒng)采用巴特沃思二階高通濾波,截止頻率長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文11是 0.05hz。1、傳遞函數(shù): s2/ h(s) = s2 +s/ r1+s/ r2+ 1/ r1 r223-9 高通濾波器電路圖2、參數(shù)設(shè)計(jì)1) 選取電容

35、 = 1uf2) 根據(jù) fo和 ，求值： =100/ fo=10003)設(shè)定增益uf=1，查表 3-3 得：表 3-3 二階低通濾波器（巴特沃思響應(yīng)）設(shè)計(jì)表壓控電壓源（vcvs）電路電路元件值增益1246810r11.1251.8212.5923.1413.5933.985r22.2511.3910.9770.8060.7050.636r3開路2.7821.3030.9680.8060.706r402.7823.9104.8385.6406.356設(shè)計(jì)表電阻為參數(shù) k=1 時(shí)的阻值。單位為 k r1=1.125 r2=2.2514)將上述電阻值乘以，并取標(biāo)稱值得： r1=1.1m長(zhǎng)春理工大學(xué)畢

36、業(yè)論文12 r2=2.2m3.63.6 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路對(duì)于心電監(jiān)護(hù)儀來(lái)一說(shuō)，如果不能及時(shí)的檢測(cè)出導(dǎo)聯(lián)脫落，就可能作出錯(cuò)誤的判斷。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的一種簡(jiǎn)單有效的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路，該電路是利用lm358 的特性，即在單電源供電時(shí)，若將 lm358 接成電壓跟隨器，當(dāng)其同相端處于懸空狀態(tài)時(shí)，其輸出為穩(wěn)定的高電平。電路如圖 4-11 所示。4-11 導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)電路設(shè)電極地“工”相對(duì)于電源地“上”的電壓是 v, a1, a2 偏置電流流過(guò)人體產(chǎn)生的電壓分別是v 1,v2，則有: v1= v-v1v2= v-v2v3= v2+ (v1- v2)/2= v-(v1+v2)/2v4= v3

37、= v-(v1+v2)/21.當(dāng)電極與皮膚接觸良好時(shí)，vi=0. v4v5，于是 v。為高電平;2.當(dāng)電極 i i=1, 2, 3)脫落時(shí)，ai 輸出高電平，可以看作vi 為高電平，于是v4v5, v。變?yōu)榈碗娖?電路中，a5 及周圍電容、電阻構(gòu)成低通濾波器，防止50hz 干擾使電路誤翻轉(zhuǎn);二極管 d 用來(lái)產(chǎn)生閩值 eo v-e 值越小，電路越靈敏。通過(guò)改變電位器的值可以改變 vo。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文13第四章第四章 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4.14.1 引言引言在單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，intel 公司扮演了重要角色。它由 70 年代的mcs48 系列發(fā)展到 80 年代的 mcs5

38、1 系列，80 年代后期的 mcs96/98 系列以及今天的 mcs960 系列及各種 cmos 系列高檔機(jī)，使單片機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善。無(wú)論是哪一種位數(shù)的單片機(jī)，也無(wú)論哪一系列的單片機(jī)，都為新產(chǎn)品的開發(fā)、應(yīng)用系統(tǒng)的研制、智能控制器的研究等創(chuàng)造了極其有力的硬件環(huán)境。可以說(shuō)，由于世界各生產(chǎn)廠家生產(chǎn) 4 位、8 位、16 位、32 位通用型單片機(jī)以及衍生出的五花八門的系列及型號(hào)，使單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已達(dá)到了無(wú)孔不入的地步。就國(guó)內(nèi) 15, 16年應(yīng)用實(shí)踐而言，單片機(jī)使用量最大的是 8 位單片，應(yīng)用范圍最廣的也是 8 位單片機(jī)。本系統(tǒng)選用 atmel 公司推出的 cmos 工藝低功耗單片機(jī) at89c5

39、2 為核心，完成數(shù)據(jù)的采集和各種監(jiān)控功能，片內(nèi) eprom 存儲(chǔ)監(jiān)控程序和心電信號(hào)的自動(dòng)分析程序等。并外擴(kuò) sram 數(shù)據(jù)緩存和大容量的 flash 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)。利用 rs232 接口數(shù)據(jù)直接傳送給 pc 機(jī)。監(jiān)護(hù)儀還帶有液晶顯示，即可顯示中文菜單，配合按鍵提供友好的人機(jī)心電界面，又可顯示心電波形，增強(qiáng)監(jiān)護(hù)功能，系統(tǒng)的原理框圖如圖 4-1 所示。圖 4-1 系統(tǒng)原理框圖長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文144.24.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)本監(jiān)護(hù)儀以 200hz 的采樣率采集心電數(shù)據(jù)，要記錄長(zhǎng)時(shí)間的心電數(shù)據(jù)需要極大的存儲(chǔ)容量，且要求存儲(chǔ)器要具有掉電不丟失的特點(diǎn)，綜合以上因素，對(duì)比國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的非易

40、失性存儲(chǔ)器，其中 sram 容量較小且價(jià)格昂貴。而 flash memory以其優(yōu)越的表現(xiàn)進(jìn)入我們的視線。flash memory 具有容量大、功耗低、體積小的突出優(yōu)點(diǎn)，而且其性價(jià)比 sram 高得多，因此我們決定選用 flash memory。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)供應(yīng)最大容量的 flash 是 intel 公司的 da28f640。本系統(tǒng)選用 atmel 公司的 at29lv040。4.2.1 數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖器一般應(yīng)用普通的 ram。 ram 具有價(jià)格低、應(yīng)用方便和技術(shù)成熟的特點(diǎn)。由于本監(jiān)護(hù)儀需要進(jìn)行心電波形的實(shí)時(shí)分析，而閃速存儲(chǔ)器的讀寫次數(shù)是有限的，考慮到閃速存儲(chǔ)器的壽命問(wèn)題，因此需要

41、ram 來(lái)完成數(shù)據(jù)的暫存。對(duì)心電波形的分析是以 8 秒為一段的，根據(jù) 200hz:采樣率和 8 比特的量化精度，8秒的心電數(shù)據(jù)需要 1600 個(gè)字節(jié)的緩沖器:另外，本監(jiān)護(hù)儀配有 lcd 顯示器，因此需要保存大量的漢字點(diǎn)陣信息;數(shù)據(jù)的預(yù)處理也需要一定的數(shù)據(jù)緩沖器。因此，綜合以上原因，ram 的容量要在 6k 字節(jié)以上，我們選擇 hm6264 作為數(shù)據(jù)緩沖器，讀寫時(shí)序如圖 5-2 所示。hm6264 是 28 腳，單 5v 供電，具有編程簡(jiǎn)單，體積小，接口性能良好的特點(diǎn)。而且它具有兩個(gè)片選端 cs1、cs2，我們把它設(shè)計(jì)為 cs1接地、cs2 作為唯一片選，這樣，當(dāng) cs2 無(wú)效時(shí)，hm6264

42、維持狀態(tài)，功耗降低到正常水平的五分之一。we 接寫引腳，低電平有效。oe 接讀引腳，低電平有效。圖 4-2 hm6264 讀寫時(shí)序圖長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文154.2.2 at29lv040 大容量閃存大容量閃存at29lv040 是一種 3v 系統(tǒng)供電的閃速可編程可電擦除的 8 位存儲(chǔ)器(perom)，具有 4m 位(512k x 8)的存儲(chǔ)空間，分成 2048 個(gè)分區(qū)，每一分區(qū) 256個(gè)字節(jié)。該芯片采用 atmel 公司的非易失性的 cmos 工藝制造，在使用范圍內(nèi)存取時(shí)間為 150ns，此時(shí)功率消耗僅為 54mw。當(dāng) at29lv040 處于休眠狀態(tài)時(shí)，cmos 的維持電流不超過(guò) 40ua。

43、at29lv040 的每一分區(qū)可擦寫超過(guò) 10,000 次。原理框圖見圖 5-3 所示，有 8 位數(shù)據(jù)線，19 位地址線，at29lv040 具有掉電保護(hù)功能，用它作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以使數(shù)據(jù)在意外掉電或關(guān)閉電源的情況下得以保存。at29lv040 具有軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能，激活軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能的方法是用特定三個(gè)地址寫入一串 3 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的編程命令。在激活該功能后，在每個(gè)編程周期都必須寫入相同的 3 個(gè)字節(jié)編程命令序列，否則不會(huì)那數(shù)據(jù)寫入。3 個(gè)字節(jié)編程命令序列如下： mov a, #aaaah;mov dptr, #5555h:movx dptr, a:mov a, #55h;mov dptr,

44、#2aaah;movx dptr, a:mov a, #aoaoh;mov dptr, #5555h:movx dptr, a:圖 4-3 at29lv040 原理框圖4.4. 3 3 液晶顯示系統(tǒng)液晶顯示系統(tǒng)為提供友好的人機(jī)界面，增強(qiáng)監(jiān)護(hù)功能，本系統(tǒng)采用了液晶顯示器顯示菜單長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文16和心電信號(hào)。首先討論對(duì)液晶顯示器的點(diǎn)陣要求。按照普娜。電圖的標(biāo)準(zhǔn)記錄規(guī)格，即走紙速度為 20mm/s，振幅增益為 10mm/mv。結(jié)合本系統(tǒng) 200hz 的采樣率、5mv 的輸入電壓范圍和 1000 的增益，可以算出 20mm/s 對(duì)應(yīng) 200 點(diǎn)/s，所以 lcd長(zhǎng)軸為 10 點(diǎn)/mm: lcd

45、的視預(yù)寬度為:5mv x 1omm/mv= 50mm。根據(jù) a/d 轉(zhuǎn)換分析，當(dāng)滿幅即輸入為 10v 時(shí)，a/d 轉(zhuǎn)換輸出為十六進(jìn)制 offh 即 255，則 5mv 經(jīng)放大后為 5v，對(duì)應(yīng) 128 個(gè)點(diǎn)，這樣得到:128 點(diǎn)/5mv=26 點(diǎn)/mv，所以 lcd 寬軸應(yīng)為 2. 6 點(diǎn)/mm，即 3 點(diǎn)/mm。結(jié)合本監(jiān)護(hù)儀，考慮到 lcd 顯示器點(diǎn)陣越大體積越大的特點(diǎn)，選擇一種點(diǎn)陣較少，體積較小的液晶顯示器。選用北京精電蓬遠(yuǎn)公司的 mgls12864，其是 128 x 64 點(diǎn)陣圖形顯示器，控制器為 hd612020。4.3.1 硬件連接電路硬件連接電路mgls12864 顯示器單電源+5v

46、 供電，體積為 78 x 70 (mm)，視預(yù)為 62 x44 (mm).點(diǎn)陣為 128 x 64，有兩個(gè)控制器 20 個(gè)引腳，引腳安排見表 4-1。表 4-1 mgls12864 接口引腳信息腳號(hào)名稱電平功能1gnd0參考地2vcc+5v電源正極4rsh/l高電平為數(shù)據(jù)，低電平為指令5r/wh/l高電平從 lcd 讀數(shù)據(jù)到 mpu，低電平寫 mpu 數(shù)據(jù)到 lcd6eh 到llcd 使能信號(hào)，下降沿有效，讀數(shù)據(jù)時(shí)，e 為高電平7-14d0-d7h/l數(shù)據(jù)總線15、16cs1,cs2h片選信號(hào)17rstbl復(fù)位信號(hào)，低電平有效18rvout-5v-5v 電源輸出端19led+4.2vlcd 背

47、光正電源端20led-0lcd 背光負(fù)電源端，一般接地4.4. 4 4 rs232rs232 串行接口電路串行接口電路at89c52 與 pc 機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，由于 rs-232c 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:-3 -15v 表示邏輯 1 ; +3 + 15v 表示邏輯“0，這與 at89c52 的 ttl 電平不兼容，因此需要進(jìn)行電平長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文17轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用 maxim 公司的 max232 來(lái)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。該器件工作可靠，外圍器件少，所以它已廣泛應(yīng)用于 rs232 通信標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換。電路圖見圖4-4。圖 4-4 與 pc 機(jī)的通信電路1.接口信號(hào):完整的 rs-232c 接口有 25 根

48、線，采用 25 芯的插座，而 pc 機(jī)的串行口多數(shù)采用簡(jiǎn)化的 9 針插座，本文的串口編程只需要采用 9 針插座。2.數(shù)據(jù)傳輸格式:at89c52 和 pc 機(jī)之間進(jìn)行串行通信時(shí)采用異步通信方式。 在這種異步通信方式下，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受按照規(guī)定的格式進(jìn)行，如圖 4-5 所示。圖 4-5 數(shù)據(jù)傳輸格式長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文18第五章第五章 pda-心電信息中心通信模型心電信息中心通信模型pda-心電信息中心之間通信的實(shí)現(xiàn)是整個(gè) pda 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)軟件非常重要的組成部分，是其他模塊的數(shù)據(jù)來(lái)源。pda 與心電信息中心間的數(shù)據(jù)傳輸可以選擇 tcp/ip 和 udp/ip 兩種協(xié)議。 tcp/ip 相比

49、udp/ip 能夠?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸提供更為安全、可靠和保密的服務(wù)，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和有序性。而對(duì)于心電數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的完整性是非常重要的，心電數(shù)據(jù)關(guān)鍵片斷的丟失將嚴(yán)重影響醫(yī)生的判斷。tcp/ip 協(xié)議的缺點(diǎn)在于它帶來(lái)比 udp 協(xié)議大的系統(tǒng)開銷，但經(jīng)過(guò)測(cè)試，證明這種開銷是可以被接受的。綜合以上各種因素考慮，采用了 tcp/ip 作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。5.15.1 tcp/iptcp/ip 協(xié)議協(xié)議pda-心電信息中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議作為應(yīng)用層協(xié)議，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)了解所采用的底層協(xié)議是十分有益且必須的。tcp/ip 相比 udp/ip 能夠?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸提供更為安全、可靠和保密的服務(wù)：tcp 將用戶數(shù)據(jù)打

50、包構(gòu)成報(bào)文段；它發(fā)送數(shù)據(jù)后啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，等待對(duì)端數(shù)據(jù)確認(rèn)；另一端對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)失序的數(shù)據(jù)重新排序，丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)；tcp 提供端到端的流量控制，并計(jì)算和驗(yàn)證一個(gè)強(qiáng)制性的端到端檢驗(yàn)和；管理數(shù)據(jù)包的超時(shí)和重傳機(jī)制。5.25.2 pda-pda-心電信息中心應(yīng)用傳輸協(xié)議心電信息中心應(yīng)用傳輸協(xié)議根據(jù)功能設(shè)計(jì)，通訊模塊中需要收發(fā)的數(shù)據(jù)分為四種（除了控制信息有收有發(fā)以外，其他均為接收）：控制信息、病人病歷信息、實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)、歷史心電數(shù)據(jù)。pda-心電信息中心間的交互較為頻繁，交互信息的種類也比較繁多。ecg 數(shù)據(jù)量比較大，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)較為繁忙時(shí)難免出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。為了最大程度減少互相影響的程度、保證

51、控制信息的順利發(fā)送與及時(shí)接收，我們將控制信息的傳輸和 ecg 數(shù)據(jù)的傳輸分離開來(lái)，分別使用不同的端口：消息傳輸端口/文件傳輸端口。歷史心電數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)均通過(guò)文件傳輸端口接收。病人病歷信息數(shù)據(jù)量較小，和控制信息一起使用消息傳輸端口。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文195.2.1 pda-心電信息中心控制信息傳輸協(xié)議心電信息中心控制信息傳輸協(xié)議控制信息包報(bào)文的格式如圖 5.2 所示：圖 5.2 控制信息包報(bào)文格式該數(shù)據(jù)報(bào)文格式分 4 個(gè)字段：消息包頭(header)：內(nèi)容為 5 字節(jié)長(zhǎng)度的字符串 ysmsg，用于識(shí)別數(shù)據(jù)流中的控制信息包。消息類型(type)：1 字節(jié)長(zhǎng)度，標(biāo)識(shí)消息正文中的內(nèi)容，共分 1

52、5 種。醫(yī)生 id(phy_id)：10 字節(jié)長(zhǎng)度，標(biāo)識(shí)該消息發(fā)自或者發(fā)往的醫(yī)生身份認(rèn)證號(hào)。消息正文(content)：內(nèi)容和長(zhǎng)度根據(jù)消息類型而定。5.2.2 pda-心電信息中心心電數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議心電信息中心心電數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議1） 心電數(shù)據(jù)報(bào)文格式確定報(bào)文格式的目的在于確定具體的數(shù)據(jù)內(nèi)容所代表的邏輯意義。為方便以下的討論，先明確兩個(gè)概念：邏輯包：指的是在應(yīng)用層提交的數(shù)據(jù)包，一個(gè)完整的邏輯包可以表示一個(gè)確切的邏輯意義。比如登錄包，它里面就可以含有用戶名字段和密碼字段。盡管它看上去也是一段緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，但這個(gè)緩沖區(qū)里的各個(gè)區(qū)間是代表一定的邏輯意義的。物理包：指的是使用 recv(recvfrom)從網(wǎng)

53、絡(luò)底層接收到的數(shù)據(jù)包，這樣收到的一個(gè)數(shù)據(jù)包，能不能表示一個(gè)完整的邏輯意義，要取決于它是通過(guò) udp 類的“數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議”發(fā)的包還是通過(guò) tcp 類的“流協(xié)議”發(fā)的包。我們所使用的 tcp 是流協(xié)議， “流協(xié)議”與“數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議”的不同點(diǎn)在于：“數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議”中的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)包本身就是一個(gè)完整的邏輯包，也就是說(shuō)，在應(yīng)用層使用 sendto 發(fā)送了一個(gè)邏輯包之后，在接收端通過(guò) recvfrom 接收到的就是剛才使用 sendto 發(fā)送的那個(gè)邏輯包，這個(gè)包不會(huì)被分開發(fā)送，也不會(huì)與其它的包放在一起發(fā)送。但對(duì)于 tcp 而言，tcp 會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和 neagle 算法，或者將一個(gè)邏輯包單獨(dú)發(fā)送，或者將一個(gè)邏輯包

54、分成若干次發(fā)送，或者會(huì)將若干個(gè)邏輯包合在一起發(fā)送出去。 （neagle 算法可以通過(guò)函數(shù) setsockopt()取消，但在我們的編程實(shí)踐中，數(shù)據(jù)包的大小多在 200 字節(jié)左右，遠(yuǎn)小于發(fā)送緩沖區(qū) 4096/8192 字節(jié)左右的長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文20大小。這個(gè)算法對(duì)于減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)依然是有用的，給與保留。 ）正因?yàn)?tcp 在邏輯包處理方面的這種粘合性，要求我們?cè)谧骰?tcp 的應(yīng)用時(shí)，一般都要定義自己的包格式，編寫相應(yīng)的拼包、解包代碼。通常情況下，表示一個(gè) tcp 邏輯包的開始和結(jié)束有兩種方式：以特殊的開始和結(jié)束標(biāo)志表示，比如 ff00 表示開始，00ff 表示結(jié)束；直接以包長(zhǎng)度來(lái)表示。比如

55、可以用第一個(gè)字節(jié)表示包總長(zhǎng)度，如果覺得這樣的話包比較小，也可以用兩個(gè)字節(jié)表示包長(zhǎng)度。本文中同時(shí)采用了這兩種方式：采用“ysecg”標(biāo)志包的開始，在報(bào)文頭部節(jié)區(qū)中有兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示包數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)的長(zhǎng)度。我們所定義的心電數(shù)據(jù)包分為頭部節(jié)區(qū)和數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)兩部分，頭部節(jié)區(qū)共長(zhǎng)27bytes,包含了 7 個(gè)字段，格式如圖 5.3 所示。數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)為長(zhǎng)度為 length 的心電數(shù)據(jù)。魔幻數(shù)(magic number)：內(nèi)容為 5 bytes 長(zhǎng)度的字符串ysecg，用于識(shí)別數(shù)據(jù)流中的心電數(shù)據(jù)包。病人 id：10 bytes 長(zhǎng)度，標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包中 ecg 數(shù)據(jù)所屬的病人 id 號(hào)。心電數(shù)據(jù)包類型(type)：1 byte

56、 長(zhǎng)度，用以標(biāo)識(shí)心電數(shù)據(jù)包是實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)(y)還是歷史心電數(shù)據(jù)(n)。圖 5.3 心電數(shù)據(jù)包頭部節(jié)區(qū)報(bào)文格式數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)長(zhǎng)度（length）：2bytes 長(zhǎng)度，說(shuō)明心電數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)的長(zhǎng)度，單位為 byte。數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)長(zhǎng)度最大不超過(guò) 65535bytes。導(dǎo)聯(lián)數(shù)（nosig）：1bytes 長(zhǎng)度，可為 1、3 或者 12。數(shù)據(jù)流水號(hào)（serial number）：4bytes 長(zhǎng)度。無(wú)論是實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)還是歷史數(shù)據(jù)下載，第一個(gè)心電數(shù)據(jù)包的流水號(hào)編為零，然后依次遞增。心電數(shù)據(jù)由醫(yī)院心電信息中心打包后發(fā)出，pda 心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)軟件在數(shù)據(jù)接收線程中完成心電數(shù)據(jù)包的接收與解包，流程如圖 5.4 所示。2） 數(shù)

57、據(jù)發(fā)送速度數(shù)據(jù)的發(fā)送速率是指心電服務(wù)中心通過(guò) internet-cdma 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)速率。對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控，我們希望 pda 與心電服務(wù)中心盡量同步。我們移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)采集頻率為 400hz，ad 轉(zhuǎn)換位數(shù) 8 位，每秒鐘的數(shù)據(jù)量為：40083200 (bit)，因此實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)時(shí)速率為 3.2kbps。如果同時(shí)監(jiān)護(hù)三位病人，每秒鐘需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為 9.6kbp。cdma 1x 理論帶寬可達(dá) 300kb/s，目前的實(shí)際長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文21應(yīng)用帶寬大約在 100kb/s 左右（雙向?qū)ΨQ傳輸） ，是完全可以滿足這樣的傳輸要求的。在實(shí)際發(fā)送時(shí)，考慮到 pda 的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示要求，

58、以及 tcp/ip 包的傳輸效率，我們每隔 500ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量為 500ms 內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)200bytes，即每個(gè) ip 包大小為 200 多 bytes。如果 ip 包太小，發(fā)送太頻繁，pda 的接收也太頻繁，會(huì)消耗處理器資源；并且，實(shí)際數(shù)據(jù)過(guò)小的 ip 包，加上心電數(shù)據(jù)頭部節(jié)區(qū)，包的傳輸效率就會(huì)很低。如果 ip 包過(guò)大，接收延遲會(huì)比較大。而對(duì)于歷史心電數(shù)據(jù)下載，我們希望能夠數(shù)據(jù)在盡量短的時(shí)間內(nèi)下載完，因此，采用的策略是：一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)送 socket 的發(fā)送緩沖區(qū)有空余，就用 send（）函數(shù)將其填滿。這樣可以保證數(shù)據(jù)發(fā)送速度是現(xiàn)有處理器、網(wǎng)絡(luò)狀況可接受的范圍內(nèi)最快的。ip 包的

59、大小采用較大的 800bytes，以提高包的傳輸效率。3）阻塞處理在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在 ecg 數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，而且長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)。究其原因，一般來(lái)說(shuō)擁塞可由以下原因引起：存儲(chǔ)空間不足；傳輸過(guò)程本身的問(wèn)題；處理器速度能力弱，處理速度慢等。第一種原因可以被排除；而第三種原因，我們?cè)跍y(cè)試中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè) 200 個(gè)字節(jié)的心電數(shù)據(jù)包，pda 對(duì)其進(jìn)行相關(guān)處理大概要耗費(fèi) 2228ms 的時(shí)間。而以采樣頻率為 400hz 計(jì)，每?jī)蓚€(gè)包的發(fā)送間隔時(shí)間為 500ms。因此，這種原因也可以排除；由此我們推測(cè)，擁塞是由傳輸過(guò)程本身引起。tcp/ip 的超時(shí)重傳機(jī)制保證了較好的安全性與可靠性

60、，但也帶來(lái)了較大的系統(tǒng)開銷。擁塞一旦發(fā)生，往往會(huì)不斷加重，形成一個(gè)惡性循環(huán)。如果路由器沒(méi)有空余的緩存，那么它就必須丟棄新到的數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包被丟棄時(shí)，源端會(huì)因超時(shí)而重傳該包。由于沒(méi)有得到確認(rèn)，源端只能保留數(shù)據(jù)包，結(jié)果緩存會(huì)進(jìn)一步消耗，并加重?fù)砣?。?5.1 節(jié)中所述，tcp/ip 協(xié)議所采用的一種和式增加積式減少的基于窗口的端到端擁塞控制機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況較差時(shí)，擁塞窗口持續(xù)地指數(shù)式減少，而增大很緩慢。在測(cè)試中也證明了這一點(diǎn)，當(dāng)持續(xù)一段時(shí)間收不到心電數(shù)據(jù)時(shí)，通訊便好像停滯了一般，很長(zhǎng)時(shí)間都無(wú)法恢復(fù)。長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)論文22圖 5.4 數(shù)據(jù)接收線程流程圖對(duì)于應(yīng)用層協(xié)議來(lái)說(shuō)，tcp/ip 的擁塞控制