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

PAGE編號(hào)本科生畢業(yè)論文醫(yī)生PDA遠(yuǎn)程無線心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)DesignandImplementationofSoftwareSystemforRemoteWirelessECGMonitoringBasedonPDA學(xué)生姓名專業(yè)電子信息工程學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師學(xué)院電信學(xué)院摘要PDA（PersonalDigitalAssistant,個(gè)人數(shù)字助理）憑借其自身的計(jì)算能力、與多種無線通訊模塊如藍(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)程無線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。它接收通過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?；贏T89C52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)顯示所檢測的心電信號(hào)，配合按鍵提供友好的中文菜單，操作簡便，心電數(shù)據(jù)也可通過RS232接口向上位機(jī)傳送。該監(jiān)護(hù)儀能長期、連續(xù)、可靠、穩(wěn)定的工作:同時(shí)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：PDA遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)CDMA實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)傳輸協(xié)議AbstractWithpowerfulcomputingabilityandintegrationwithwirelesscommunicationmodulesuchasbluetoothandGPRS/CDMA,PDAplayamoreandmoreimportantroleinfieldofmedicaltreatment.ComparingwithtraditionalHoltersystem,theadvantageofECGRemoteMonitorsystemistheabilitytohelpdoctortoobtainpatients’ECGmorequicklyandcompletely,whichmakeitbemoresuitabletomonitorheartdiseasewhichischronicbutcomeonallofasudden.IfPDAisintroducedtothissystem,toobtainpatients’real-timeECGwillbemoreconveniently.PDAprovidesamobileandconvenientinformationprocessservicetodoctors.WiththehelpofPDA,doctorscanobtainpatients’ECGanytimeandeverywhere.PDAsoftwareSystemofReal-timeECGMonitoringisasubsystemofECGRemoteMonitorsystem.Inthispaper,theroleofPDAsoftwareSystemplaysinECGRemoteMonitorsystemisintroducedfirstly,andthenthearchitectureofPDAsoftwaresystem.Thirdly,communicationmodelandcommunicationprotocolofthesystemaredescribed.TheauthorisengagedinthestudyingandmanufacturingofportableECGmonitoranditssystembasedonAT89C52lowpowerMCU.Accordingtothecharacteristicofhuman'sECGsignal,anexcellentECGsignalsamplingsystemwasdesigned.Furthermore,Themonitoruseslowpower8-bits,singlechipmicrocomputerAT89C52andbulkFlashmemorytorecord,analyst,andprocesstheECGsignalatrealtime.ThemonitorusesLCDtoshowtheECGwavesdetected.Cooperatedwithbuttons,itprovidesamicableChinesemenuandmakesoperationsimpleandconvenient,andtheECGdatacanbetransmittedtoPersonalComputerbyserialRS232interface.Thismonitorcanworkstablyandreliablyforalongtime,andwithsomeexcellenciessuchasminivolume,bulkmemory,lowpower,etc.Itisconvenienttobetakenwithandused.Byuseoftheassemblelanguageinprogramming,theauthoralsomakesanECGauto-analysissoftwaremodule.Thissoftwareisconvenienttobeusedaswellashasfriendlyinterface.WiththeexcellentECGsignalsamplingsystem,theLCDcanshowtheECGwavesdetectedatrealtime.Keywords:PDAECGRemoteMonitoringCDMAReal-timeMonitoringTransferProtocol長春理工大學(xué)畢業(yè)論文PAGEII目錄第一章緒論 11.1課題背景和意義 11.2國內(nèi)外發(fā)展概況 11.3本課題方案思路的形成 2第二章系統(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) 42.2.1PDA心電監(jiān)護(hù)軟件需求分析 42.2.2PDA心電監(jiān)護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì) 5第三章心電信號(hào)檢測電路設(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)脫落檢測電路 12第四章單片機(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 144.2.2AT29LV040大容量閃存 144.3液晶顯示系統(tǒng) 154.3.1硬件連接電路 164.4RS232串行接口電路 16第五章PDA-心電信息中心通信模型 185.1TCP/IP協(xié)議 185.2PDA-心電信息中心應(yīng)用傳輸協(xié)議 185.2.1PDA-心電信息中心控制信息傳輸協(xié)議 195.2.2PDA-心電信息中心心電數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 195.3Socket編程實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信 235.2.3Socket通信流程 245.2.4Socket通信的多線程實(shí)現(xiàn) 25結(jié)論 27參考文獻(xiàn) 28致謝 29PAGE38第一章緒論1.1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、日本和歐洲，心臟疾病居人口疾病死亡率的第一位，在我國居第三位。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)界面臨的首要問題。心臟病是慢性病，具有長期帶病，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（家中或工作場所），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)行長期甚至是終生的心臟監(jiān)測是非常必要的，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。1.2國內(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（HomeHealthCare）的一個(gè)應(yīng)用，遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)技術(shù)是近年來遠(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)提供了一種通過對(duì)生理參數(shù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測來研究遠(yuǎn)地對(duì)象生理功能的方法。20世紀(jì)70年代，美國研制成功了利用電話線傳送心電圖的監(jiān)測系統(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)庫管理系統(tǒng)，通過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)、隨地通過電話線向監(jiān)測中心傳輸心電數(shù)據(jù)，醫(yī)生根據(jù)心電信號(hào)改變和患者訴說的病情，向患者提供診斷與治療意見，為院外心臟病人的長期心電監(jiān)測和治療提供了方便。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)測技術(shù)向微觀、微創(chuàng)、無創(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。目前國內(nèi)市場上存在一些便攜式心電監(jiān)護(hù)儀，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到很好的普及，究其原因，作者認(rèn)為存在以下幾個(gè)方面:(1)市場上的產(chǎn)品幾乎都是引進(jìn)國外的技術(shù)，對(duì)便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的開發(fā)國內(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。1.3本課題方案思路的形成近幾年來，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)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。第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1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)測量得到患者的心臟電生理信號(hào)，通過GPRS/CDMA移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護(hù)中心的心電工作站服務(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。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。醫(yī)生可以據(jù)此遠(yuǎn)程診斷患者的病情，根據(jù)情況去患者現(xiàn)場實(shí)地就診。2.2醫(yī)用PDA心電監(jiān)護(hù)軟件的總體設(shè)計(jì)2.2.1PDA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，他們都受過高等教育，具備基本的計(jì)算機(jī)操作能力，經(jīng)過一段時(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，所以PDA軟件要盡量簡單易用，方便操作。在對(duì)市場進(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。圖2.2PDA心電監(jiān)護(hù)與分析系統(tǒng)用例圖2.2.2PDA心電監(jiān)護(hù)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)醫(yī)生PDA心電系統(tǒng)總體上來說是一個(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)，而且通過串行接口可以和計(jì)算機(jī)很好進(jìn)行通信。圖2.3系統(tǒng)硬件框圖第三章心電信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)3.1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0.05～100Hz,主要頻譜分量集中在此0.5～20Hz}。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)雜的離子交換過程，在其接觸面形成極化電動(dòng)勢Ep1和Ep2，當(dāng)Ep1≠Ep2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，由心電放大器放大，勢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0.05~100Hz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)脫落檢測電路把檢測結(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3.2前置放大器設(shè)計(jì)3.2.1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Rg的電流等于Vin/Rg，因此輸入信號(hào)將通過放大器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。由于沒有電流流過RG(也就無電流流過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)將以單位增益通過輸入緩沖器，而差分電壓將等于:V0=(VM+-VM-)·(1+2·R5/Rg)·(R2/R1)圖3-2典型的三運(yùn)放電路3.2.2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1.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18MΩ，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.增益通過調(diào)節(jié)AD620的外接增益電阻Rg的阻值來改變放大器的增益，增益G與電阻Rg的關(guān)系按下式計(jì)算，G可達(dá)到1~1000倍。Ｇ=49.4ＫΩ/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，并選用低噪聲器件來構(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)的檢測過程中，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)過帶通濾波器得到50Hz信號(hào)，一路經(jīng)過由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)fo=1/2πRC設(shè)計(jì)要求：fo=50Hz，增益Ho=13取С1=С2=68nF，由fo=1/2πRC算得，R=46.8ＫΩ，實(shí)際取R=47ＫΩ。因此R1=R3=R4=R5=R7=R10=47ＫΩ，另取R6=10ＫΩ，求得R8=100ＫΩ，調(diào)節(jié)電位器Ｗ來調(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。3.4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/R1С1+S/R1С1+S(1-ＡuF)/R2С2+1/R1R2С1С2］=ＡuF/R1R2С1С2圖3-7低通濾波電路圖增益：ＡuF=1+R4/R3截止頻率：ω0=品質(zhì)因數(shù)：ω0/Ｑ=1/R2С1+1/R1С1+(1-ＡuF)/R2Сc2系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：1)選取С1值：С1=0.01uF2)根據(jù)fo和С1，求Ｋ值：Ｋ=100/foС1=1003)設(shè)定增益ＡuF=2，查表4-2得：С1=С2=0.01uFR1·=1.126ＫΩR2·=2.250ＫΩR3·=R4·=6.752ＫΩ4)將上述電阻乘以參數(shù)Ｋ，并取標(biāo)稱值得到：R1=113ＫΩR2=226ＫΩR3=R4=680ＫΩ表3-2二階低通濾波器（巴特沃思響應(yīng)）設(shè)計(jì)表設(shè)計(jì)表電路元件值增益1246810R11.4221.1260.8240.6170.5210.102R25.3992.2501.5372.0512.4292.742R3開路6.7523.1483.2033.3723.560R406.7529.14416.02223.60232.038Cz0.33CC2C2C2C2C電阻為參數(shù)K=1時(shí)的阻值。單位為KΩ3.5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,截止頻率是0.05Hz。1、傳遞函數(shù):S2/H(s)=S2+S/R1С+S/R2С+1/R1R2С23-9高通濾波器電路圖2、參數(shù)設(shè)計(jì)1)選取電容С=1uF2)根據(jù)fo和С，求Ｋ值：Ｋ=100/foС=10003)設(shè)定增益Ａuf=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）電路設(shè)計(jì)表電路元件值增益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電阻為參數(shù)K=1時(shí)的阻值。單位為KΩR1·=1.125ＫΩR2·=2.251ＫΩ4)將上述電阻值乘以Ｋ，并取標(biāo)稱值得：R1=1.1MR2=2.2M3.6導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路對(duì)于心電監(jiān)護(hù)儀來一說，如果不能及時(shí)的檢測出導(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)的一種簡單有效的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路，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偏置電流流過人體產(chǎn)生的電壓分別是△V1,△V2，則有:V1=V-△V1V2=V-△V2V3=V2+(V1-V2)/2=V-(△V1+△V2)/2V4=V3=V-(△V1+△V2)/21.當(dāng)電極與皮膚接觸良好時(shí)，△Vi=0.V4>V5，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V4<V5,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用來產(chǎn)生閩值EoV-E值越小，電路越靈敏。通過改變電位器的值可以改變Vo。第四章單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4.1引言在單片機(jī)的發(fā)展過程中，Intel公司扮演了重要角色。它由70年代的MCS―48系列發(fā)展到80年代的MCS―51系列，80年代后期的MCS―96/98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。無論是哪一種位數(shù)的單片機(jī)，也無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?？梢哉f，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)到了無孔不入的地步。就國內(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)AT89C52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4.2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)比國內(nèi)市場上的非易失性存儲(chǔ)器，其中SRAM容量較小且價(jià)格昂貴。而FlashMemory以其優(yōu)越的表現(xiàn)進(jìn)入我們的視線。FlashMemory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FlashMemory。目前國內(nèi)市場供應(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)器的壽命問題，因此需要RAM來完成數(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無效時(shí)，HM6264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4-2HM6264讀寫時(shí)序圖4.2.2AT29LV040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(512KX8)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40uA。AT29LV040的每一分區(qū)可擦寫超過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：MOVA,#AAAAH;MOVDPTR,#5555H:MOVX@DPTR,A:MOVA,#55H;MOVDPTR,#2AAAH;MOVX@DPTR,A:MOVA,#AOAOH;MOVDPTR,#5555H:MOVX@DPTR,A:圖4-3AT29LV040原理框圖4.3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長軸為10點(diǎn)/mm:LCD的視預(yù)寬度為:5mVX1Omm/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128X64點(diǎn)陣圖形顯示器，控制器為HD612020。4.3.1硬件連接電路MGLS12864顯示器單電源+5V供電，體積為78x70(mm)，視預(yù)為62x44(mm).點(diǎn)陣為128X64，有兩個(gè)控制器20個(gè)引腳，引腳安排見表4-1。表4-1MGLS12864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背光正電源端20LED-0LCD背光負(fù)電源端，一般接地4.4RS232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)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用MAXIM公司的MAX232來實(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根線，采用25芯的插座，而PC機(jī)的串行口多數(shù)采用簡化的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)傳輸格式第五章PDA-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)來說，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)在于它帶來比UDP協(xié)議大的系統(tǒng)開銷，但經(jīng)過測試，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。5.1TCP/IP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。5.2PDA-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，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。5.2.1PDA-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)長度，標(biāo)識(shí)消息正文中的內(nèi)容，共分15種。醫(yī)生ID(phy_id)：10字節(jié)長度，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)容和長度根據(jù)消息類型而定。5.2.2PDA-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：①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。②物理包：指的是使用recv(recvfrom)從網(wǎng)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UDP類的“數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議”發(fā)的包還是通過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，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)門CP在邏輯包處理方面的這種粘合性，要求我們?cè)谧骰赥CP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：①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；②直接以包長度來表示。比如可以用第一個(gè)字節(jié)表示包總長度，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)來表示包數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)的長度。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)為長度為length的心電數(shù)據(jù)。魔幻數(shù)(magicnumber)：內(nèi)容為5Bytes長度的字符串‘YSECG’，用于識(shí)別數(shù)據(jù)流中的心電數(shù)據(jù)包。病人id：10Bytes長度，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)：1Byte長度，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)長度（length）：2Bytes長度，說明心電數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)的長度，單位為Byte。數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)長度最大不超過65535Bytes。導(dǎo)聯(lián)數(shù)（nosig）：1Bytes長度，可為1、3或者12。數(shù)據(jù)流水號(hào)（serialnumber）：4Bytes長度。無論是實(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)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Internet-CDMA無線數(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：400×8＝3200(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。CDMA1X理論帶寬可達(dá)300kb/s，目前的實(shí)際應(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，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)際測試過程中，發(fā)現(xiàn)在ecg數(shù)據(jù)的傳輸過程中，會(huì)出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，而且長時(shí)間不能恢復(fù)。究其原因，一般來說擁塞可由以下原因引起：存儲(chǔ)空間不足；傳輸過程本身的問題；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)22~28ms的時(shí)間。而以采樣頻率為400HZ計(jì)，每兩個(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，擁塞是由傳輸過程本身引起。TCP/IP的超時(shí)重傳機(jī)制保證了較好的安全性與可靠性，但也帶來了較大的系統(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Ｈ?.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，很長時(shí)間都無法恢復(fù)。圖5.4數(shù)據(jù)接收線程流程圖對(duì)于應(yīng)用層協(xié)議來說，TCP/IP的擁塞控制機(jī)制是無法修改的（而且它已經(jīng)被證明是目前的擁塞控制機(jī)制中很精巧的一種了）。經(jīng)過測試和思考，我們制定的應(yīng)用層的擁塞處理辦法（見圖5.5）：當(dāng)心電信息中心發(fā)現(xiàn)很多次發(fā)送數(shù)據(jù)都失敗后（比如說六十次），發(fā)信息通知PDA端；PDA端關(guān)閉連接socket，切斷通訊連接，并通知心電信息中心已經(jīng)做好重新連接的準(zhǔn)備；心電信息中心重新發(fā)起連接請(qǐng)求；連接重新建立，繼續(xù)心電數(shù)據(jù)的傳輸。通過這種方法，使得通信過程可以從擁塞避免階段脫離出來，重新進(jìn)入慢啟動(dòng)階段，在這一階段擁塞窗口是指數(shù)增長而不是緩慢的線性增長。這一策略在實(shí)際測試中被證明效果良好。圖5.5阻塞處理流程圖5.3Socket編程實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信TCP/IP協(xié)議的核心部分是傳輸層協(xié)議(TCP、UDP)，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議(IP)和物理接口層，這三層通常是在操作系統(tǒng)內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)，用戶一般不涉及[17]。編程時(shí)，編程界面有兩種形式：一、由內(nèi)核心直接提供的系統(tǒng)調(diào)用；二、使用以庫函數(shù)方式提供的各種函數(shù)。前者為核內(nèi)實(shí)現(xiàn)，后者為核外實(shí)現(xiàn)。用戶服務(wù)要通過核外的應(yīng)用程序才能實(shí)現(xiàn)，所以要使用套接字(socket)來實(shí)現(xiàn)。所謂的Socket是應(yīng)用層與TCP/IP協(xié)議族通信的中間軟件抽象層，它是一組接口。在設(shè)計(jì)模式中，Socket其實(shí)就是一個(gè)門面模式，它把復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議族隱藏在Socket接口后面，讓Socket去組織數(shù)據(jù)，以符合指定的協(xié)議。這種模式大大減少了程序設(shè)計(jì)人員的工作量。Socket與TCP/IP、應(yīng)用協(xié)議層之間的關(guān)系如圖5.6所示：圖5.6TCP/IP協(xié)議、Socket、應(yīng)用程序間的關(guān)系Socket有五種不同的類型，其中最常用的是流式套接字(streamsocket)和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。流式套接字使用TCP協(xié)議，提供了雙向、有序的、無重復(fù)的以及無記錄邊界的數(shù)據(jù)流服務(wù)，適合處理大量數(shù)據(jù)。它是面向聯(lián)結(jié)的，必須建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路，同時(shí)還必須對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，系統(tǒng)開銷較大；數(shù)據(jù)報(bào)套接字使用UDP協(xié)議，也支持雙向的數(shù)據(jù)流，但不保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但保留了記錄邊界。由于數(shù)據(jù)報(bào)套接字是無聯(lián)接的，例如廣播時(shí)的聯(lián)接，所以并不保證接收端是否正在偵聽。數(shù)據(jù)報(bào)套接字傳輸效率比較高。在本文中，保證心電數(shù)據(jù)的完整性非常重要，心電波形關(guān)鍵片段的遺失將會(huì)嚴(yán)重影響醫(yī)生的判斷，因此選用了流式套接字（也就是面向連接的套接字）。5.3.1Socket通信流程在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通信的兩個(gè)進(jìn)程間相互作用的主要模式是客戶/服務(wù)器模式（Client/Servermodel），服務(wù)端偵聽客戶端的連接請(qǐng)求，一旦客戶端發(fā)出連接請(qǐng)求，服務(wù)程序就為每個(gè)客戶提供服務(wù)，比如創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理線程。Client/Server模式的Socket通信簡要流程如圖5.7圖5.7面向連接的套接字通訊流程圖5.3.2Socket通信的多線程實(shí)現(xiàn)為了避免阻塞，提高通信性能，socket通信往往通過多個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)。以本文中的心電數(shù)據(jù)傳輸為例，PDA端需要每隔一段時(shí)間就去偵聽是否有連接請(qǐng)求，如果通過主線程中的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，勢必造成主線程的阻塞，因此專門建立一個(gè)偵聽線程是有必要的（也可以用異步select模式來實(shí)現(xiàn)，但WindowsCE并不支持這一模式）；每一個(gè)連接請(qǐng)求被允許（即一個(gè)新的連接被建立時(shí)），也必須建立一個(gè)新線程來管理這一連接，接收ecg數(shù)據(jù)包并通知主線程；由主線程來完成對(duì)接收到的心電信息的處理，如圖5.8。圖5.8Socket通訊的多線程實(shí)現(xiàn)對(duì)于多線程程序設(shè)計(jì)來說，線程間的同步與異步控制是不可回避的工作，也是成敗的關(guān)鍵。線程同步是指線程之間所具有的一種制約關(guān)系，一個(gè)線程的執(zhí)行依賴另一個(gè)線程的消息，當(dāng)它沒有得到另一個(gè)線程的消息時(shí)應(yīng)等待，直到消息到達(dá)時(shí)才被喚醒；線程互斥是指對(duì)于共享的資源在各線程訪問時(shí)的排它性。當(dāng)有若干個(gè)線程都要使用某一共享資源時(shí)，任何時(shí)刻最多只允許一個(gè)線程去使用，其它要使用該資源的線程必須等待，直到占用資源者釋放該資源。在實(shí)際程序設(shè)計(jì)中，要盡量減少線程間共享資源，以減少線程互斥控制的復(fù)雜度，同時(shí)也減少線程等待資源的時(shí)間。基于這一考慮，將ecg數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)濾波工作放在主線程中完成，這樣放置心電數(shù)據(jù)的環(huán)形緩沖區(qū)m_loop_rev_buf、m_loop_ana_buf成為主線程的獨(dú)享資源，而不需被主線程和數(shù)據(jù)接收線程分享。結(jié)論本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目講述了PDA遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程，從需求分析方案，系統(tǒng)總體和功能模塊設(shè)計(jì)，各種算法的實(shí)現(xiàn)都做了較詳細(xì)的敘述。論文首先介紹了PDA遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的功能需求和總體框架，然后介紹了系統(tǒng)的通信模塊和通信協(xié)議，包括自行設(shè)計(jì)的應(yīng)用層PDA-心電信息中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議。接著論文分章講述了心電信號(hào)檢測的電路設(shè)計(jì)和單片機(jī)數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵或創(chuàng)新之處只要是選用超低功耗8位單片機(jī)AT89C52，作為心電監(jiān)護(hù)儀的MCU。該單片機(jī)具有功耗低、體積小等特點(diǎn)。外部I/0端口32個(gè)。在大容量數(shù)據(jù)存貯器上，我們選用低功耗大容量的Flash存貯芯片DA28F640，另外，考慮到閃速存儲(chǔ)器的壽命問題，因此擴(kuò)展了一片6264作為數(shù)據(jù)緩沖器。另外選用了一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)據(jù)的采集工作。參考文獻(xiàn)[1]袁少應(yīng).心電圖診斷基礎(chǔ)知識(shí).天津科學(xué)計(jì)數(shù)出版社.[2]李崇志.心電圖自動(dòng)分析系統(tǒng)國外發(fā)展近況.醫(yī)療器械.1998,15(4):[3]劉克球.生物醫(yī)學(xué)電子學(xué).北京大學(xué)出版社.1994.[4]李智等.24h動(dòng)態(tài)心電記錄及分析系統(tǒng).北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996年第22卷第1期.[5]朱翠玲.現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程.中國科學(xué)技術(shù)出版社，1992.[6]周洪建等.心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2000年第6期.[7]謝松誠.長時(shí)間動(dòng)態(tài)心電圖的記錄和分析.醫(yī)療器械，1992,2.[8]陳康寧.心電圖的電話遙測.現(xiàn)代通信，1998.[9]周玉珍.簡明心電圖手冊(cè).北京:人民軍醫(yī)出版社，2002.[10]OPA131GeneralPurposeFET_INPUTOPERATIONALAMPLIFIERS.[11]INA128Precision,LowPowerINSTRUMENTATIONAMOLIFIERS.[12〕康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)一模擬部分(第四版).高等教育出版社.1998.[13]陳惠開.無源與有源濾波器一理論與應(yīng)用.人民郵電出版社.1996.[14]張和君.基于GPRS/Internet的遠(yuǎn)程心電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):[碩士學(xué)位論文].北京：清華大學(xué)，2015.[15]鄭敬等.一種簡單有效的導(dǎo)聯(lián)脫落檢測電路.中國醫(yī)療器械雜志，1997年，16卷.[16]陳粵初.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京航空航天大學(xué)出版社，1998.[17]nthonyJones.NetworkProgrammingforMicrosoftWindows.MicrosoftPress,2000.[18]丁玉美.數(shù)字信號(hào)處理.西安電子科技大學(xué)出版社.[19]何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京航天航空大學(xué).出版社.[20]郭繼鴻．心電圖學(xué)．北京：人民衛(wèi)生出版社，2002.致謝本論文是在導(dǎo)師馮老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在整個(gè)課題的研究和論文撰寫過程中，得到了導(dǎo)師的精心指導(dǎo)。馮濤老師淵博的學(xué)識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度給我留下了深刻的印象。在此期間，馮濤老師一直以來都擔(dān)任著繁重的教學(xué)任務(wù)，還要對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)操勞，給予我多方面的幫助，在論文的撰寫過程中，正是