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

1、    基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式多參數(shù)健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)    電子技術(shù)應(yīng)用    代永陸，唐曉英，劉偉峰 時(shí)間:2008年03月31日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘要：關(guān)鍵詞： 監(jiān)護(hù)儀 嵌入式系統(tǒng) S3C44B0X 心電波形 脈搏波近年來(lái)，人

2、們?cè)絹?lái)越關(guān)注健康問(wèn)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，用作對(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)大等特點(diǎn)，可隨身攜帶，檢測(cè)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)2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)2.1 芯片選擇2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中因采用了集成度很高的單片微控制器MSP430，所以系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)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

3、路。如前所述，模擬信號(hào)通過(guò)MSP430內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。前端模擬電路采用兩級(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(guò)雙脈沖驅(qū)動(dòng)電路依次點(diǎn)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(cè)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(cè)量部分采用美國(guó)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。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S3

4、C44B0X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，另外還有存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼的線性Flash。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(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)置了四個(gè)按鍵，用來(lái)實(shí)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(hào)和體溫并在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)系統(tǒng)軟件在啟動(dòng)C/OS-II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)。當(dāng)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)

5、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(guò)程中，首先對(duì)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波。在心電信號(hào)的檢測(cè)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)，Y(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：Yn=(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，為下一步對(duì)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。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(guò)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(diào)試經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)可在LCD上實(shí)時(shí)顯示采集到的脈搏波和心電波形，并同時(shí)顯示計(jì)算出的參數(shù)。實(shí)測(cè)中，根據(jù)本系統(tǒng)計(jì)算得到生理參數(shù)的準(zhǔn)確度可達(dá)9