基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護儀設計

1、    基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護儀設計    電子技術應用    代永陸，唐曉英，劉偉峰 時間:2008年03月31日     字 體: 大 中 小        關鍵詞:        摘要：關鍵詞： 監(jiān)護儀 嵌入式系統(tǒng) S3C44B0X 心電波形 脈搏波近年來，人

2、們越來越關注健康問題，生命健康監(jiān)護已成為一個重要課題。以往的生命健康監(jiān)護儀，體積通常比較大，而且價格昂貴。這類儀器主要應用于醫(yī)院的病房，用作對病人監(jiān)護。為適合普通人群在醫(yī)院以外的地方，如家庭、野外等環(huán)境下對身體健康狀況的監(jiān)護要求，設計了一種便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有體積小、使用方便、功能強大等特點，可隨身攜帶，檢測人體的某些重要生理參數(shù)，并實時顯示。1 系統(tǒng)總體設計2 系統(tǒng)具體設計2.1 芯片選擇2.2 系統(tǒng)硬件電路設計本系統(tǒng)中因采用了集成度很高的單片微控制器MSP430，所以系統(tǒng)的外圍電路設計相對簡單。信號采集硬件電路主要包括前端模擬電路設計、光源控制電路、電平轉換電路和光電隔離電

3、路。如前所述，模擬信號通過MSP430內(nèi)置的A/D轉換成數(shù)字信號。前端模擬電路采用兩級放大和低通濾波完成對信號的處理。光源控制電路通過雙脈沖驅動電路依次點亮紅光和紅外光發(fā)光二極管實現(xiàn)對脈搏波的光電測量。為增強系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)采用專門的光電隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，以保證使用儀器時人體的絕對安全。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，可直接把采集結果以9位數(shù)字量方式串行傳送到MSP430F149中，由此可計算得到溫度值。本模塊電路如圖2所示。數(shù)據(jù)處理模塊的核心是ARM芯片S3C44B0X。本系統(tǒng)要采集的信號較多，需存儲的數(shù)據(jù)量大。系統(tǒng)應用S3

4、C44B0X存儲單元設計了三層存儲體系結構：片內(nèi)Cache、片外主存和片外輔存，另外還有存儲啟動代碼的線性Flash。具體設計如圖3所示。S3C44B0X集成了大量應用資源，系統(tǒng)設計利用了其內(nèi)部的LCD控制器和串行通信UART接口，簡化了外圍電路設計。系統(tǒng)設置了四個按鍵，用來實現(xiàn)用戶控制命令的輸入。按鍵功能分別為采集心電、脈搏信號和體溫并在LCD顯示相關的參數(shù)。LCD驅動電路用于驅動液晶觸摸屏。2.3 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件在啟動C/OS-II之前先進行系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)的初始化。然后進入系統(tǒng)主任務，等待鍵盤響應。當按鍵按下時，系統(tǒng)向單片機發(fā)出命令采集相應的生理信號，并等待接收采集的數(shù)據(jù)。接收數(shù)

5、據(jù)后進入數(shù)據(jù)處理子程序，計算得到所要求的生理健康參數(shù)，并進行顯示。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。數(shù)據(jù)處理過程中，首先對單片機采集到的數(shù)據(jù)進行軟件濾波。在心電信號的檢測放大中，50Hz干擾及高頻雜波干擾最為嚴重，本系統(tǒng)設計了整系數(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，Y(n)表示濾波后的信號。在脈搏波信號的處理中，采用7點平均的方法濾波，濾波公式為：Yn=(Xn-3+Xn-2+Xn-1+Xn+Xn+1+Xn+2+xn+3)/7經(jīng)實際應用證明，此方法可進行有效濾波，為下一步對波形分析計算生理參數(shù)提供了保證。系統(tǒng)根據(jù)采集到的心電波形計算出心率參數(shù)，根據(jù)脈搏波形計算出血氧飽和度和血液粘稠度等參數(shù)。根據(jù)波形計算所需參數(shù)的算法是軟件編寫的難點和關鍵。結合芯片的運算速度，并考慮實時性要求，算法采用閾值判別法。此類算法在文獻3、4中已有應用，本系統(tǒng)對算法進行了改進，以更好地完成所需要的功能。此軟件設計主要根據(jù)得到的指令采集相應的生理信號，經(jīng)A/D轉換后通過串口發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。其流程如圖5所示。3 系統(tǒng)調試經(jīng)調試，系統(tǒng)可在LCD上實時顯示采集到的脈搏波和心電波形，并同時顯示計算出的參數(shù)。實測中，根據(jù)本系統(tǒng)計算得到生理參數(shù)的準確度可達9