心電圖(ECG)是心臟疾病診斷的重要手段。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由醫(yī)院的心電圖儀記錄的短時間心電活動,，由于心臟病發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性,，所以在非發(fā)作期做常規(guī)心電圖檢查獲取疾病信息的幾率很低。因此，將心電監(jiān)護從病床邊,、醫(yī)院內(nèi)擴展到家中,，實現(xiàn)實時遠程監(jiān)護具有重要的現(xiàn)實意義。
互聯(lián)網(wǎng)尤其是無線網(wǎng)絡(luò)的迅速普及促使嵌入式技術(shù)應(yīng)用的條件日趨成熟,，此外,，心電監(jiān)護對心臟病診斷的重要性也使得遠程監(jiān)護也具有現(xiàn)實的可能性。
本文主要研究并設(shè)計了一套實用的便攜式移動心電監(jiān)護系統(tǒng),。通過該系統(tǒng)可以隨時隨地將患者的心電信號通過GPRS網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送到設(shè)在醫(yī)院的PC機上,，或者將心電數(shù)據(jù)先存儲在本系統(tǒng)中，然后再通過USB實現(xiàn)高速回放,。
一,、系統(tǒng)的總體設(shè)計
本文所設(shè)計的便攜式移動心電監(jiān)護系統(tǒng)由心電監(jiān)護儀、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)護中心三部分組成(如圖1所示),。其工作過程如下：
圖1：便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)總體框圖
心電監(jiān)護儀由患者隨身攜帶,，通過粘貼式電極可隨時采集用戶的心電數(shù)據(jù)，并進行放大,、濾波,、A/D轉(zhuǎn)換，然后存儲到串行閃存中,。當存儲一定時間的心電數(shù)據(jù)后,，可以通過GPRS無線上網(wǎng)，利用無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給位于監(jiān)護中心的上位機,。也可通過USB直接連接到上位機,，進行本地高速回放。
本文將重點介紹心電監(jiān)護儀的設(shè)計,。由于是便攜式設(shè)備,，所以設(shè)計時必須考慮盡量降低功耗、體積和成本,。經(jīng)過反復(fù)地分析比較,，最終決定采用Z-World公司的工業(yè)級控制芯片Rabbit3000微處理器作為心電監(jiān)護儀的主芯片。
盡管Rabbit3000是8位微處理器,，但其內(nèi)存空間可達1M,，主頻可達22M。它具有豐富的接口資源,，共有40條并行I/O口線(與串行口共用),。此外，該器件的功耗非常低,，處理器時鐘可由32.768KHz振蕩器驅(qū)動,，并將主振蕩器斷電,。此時電流約為100μA，而處理器仍能保持每秒10,000條指令的執(zhí)行速度,。
二,、系統(tǒng)硬件設(shè)計
在進行總體硬件設(shè)計時，以Rabbit3000高性能微處理器為核心,，利用外部接口擴展了512K的并行Flash和512K的SRAM,，存儲空間達到 1M，并擴展了USB接口,。利用串行接口擴展了串行Flash,、A/D轉(zhuǎn)換和無線模塊MC35。以下重點介紹無線模塊和USB模塊的硬件設(shè)計,。
1. 無線模塊MC35硬件設(shè)計
無線模塊負責完成心電數(shù)據(jù)的無線傳送,。為實現(xiàn)此功能，本系統(tǒng)采用了西門子公司的MC35模塊,。這是西門子公司首款支持GPRS的GSM/GPRS模塊,，體積小巧，易于集成到便攜式終端中,。通過串行口連接,，使用AT命令對該模塊進行控制和數(shù)據(jù)傳送。
西門子公司的MC35模塊具有一個40腳的零插入力連接器,，該連接器中提供了串行接口、音頻接口,、SIM接口,、狀態(tài)引腳、電源接口等接口,，通過這些接口與 SIM卡座,、天線以及主控制器相連。MC35的串行接口TXD0和RXD0與Rabbit3000的串口B,，即引腳TXB和RXB(PC4和PC5)相連,，以實現(xiàn)與MC35之間的通信。MC35的IGT引腳為其啟動引腳,，需要開漏極驅(qū)動器驅(qū)動,。而Rabbit3000的端口E具有很強的驅(qū)動能力，因此選用PE5作為MC35的啟動控制線,。在MC35的電源接口中有電源輸入引腳,、電源輸出引腳和充電引腳，其中充電引腳可用來給電池充電,。本系統(tǒng)采用電池供電或外部充電,。如圖2所示,。
設(shè)計時需注意的兩點是：本系統(tǒng)使用電池供電，由于MC35在上行傳輸需提供2A的峰值電流,，這會引起電壓突然下降,，因此設(shè)計電路時要加足夠大的電容，以防電壓突然下降,；在SIM卡電路設(shè)計時,，需要注意電磁兼容性的問題，否則會影響MC35的通信效果,，甚至導(dǎo)致MC35無法正常工作,。
圖2：MC35模塊硬件連接圖
2. USB模塊硬件設(shè)計
USB模塊負責完成心電數(shù)據(jù)的本地高速回放，它提供了另一種數(shù)據(jù)傳輸手段,。通常的串口RS-232只是利用一條線進行數(shù)據(jù)傳輸,，而USB傳輸是利用D+和 D-線上的差分信號，與主機進行數(shù)據(jù)的傳輸,，充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本系統(tǒng)采用恩智浦公司的PDIUSBD12實現(xiàn)USB傳輸。
PDIUSBD12(以下簡稱D12)是恩智浦公司的一款性價比很高的USB芯片,，完全符合USB1.l版的規(guī)范,。是在USB1.1協(xié)議設(shè)備端使用最多的芯片之一，是一種純粹的USB接口芯片,，需要外部微處理器控制,。
本系統(tǒng)利用Rabbit3000微處理器控制USB芯片D12來完成USB傳輸，此時D12就是單片機的一個外設(shè),。D12與Rabbit3000之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過8位數(shù)據(jù)線來實現(xiàn)的,，即D12的并口數(shù)據(jù)線D0-D7與Rabbit3000的數(shù)據(jù)線D0-D7直接相連。
D12的INT_N引腳與Rabbit3000復(fù)用引腳INT0A相連,，作為Rabbit3000的外部中斷輸入,。當D12需要進行操作時，就利用 INT_N引腳發(fā)出一個中斷請求,，Rabbit3000立即響應(yīng)中斷,，對其進行操作。D12的RD_N和WR_N分別與Rabbit3000的IORD和 IOWR相連,，以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。D12的RESET_N與Rabbit3000的復(fù)用引腳PE4相連，Rabbit3000可以利用這個引腳向 D12發(fā)出一個低電平,，RESET_N被置為低電平后,，D12便自動復(fù)位了。D12的CS_N與Rabbit3000的復(fù)用引腳PE7相連,，可以通過這個引腳來控制片選,。如圖3所示,。
圖3：PDIUSBD12模塊硬件連接圖
D12有兩種數(shù)據(jù)總線方式：多路地址/數(shù)據(jù)總線方式和單地址數(shù)據(jù)總線方式。本系統(tǒng)采用單地址數(shù)據(jù)總線方式,，將D12的ALE接地,，A0與 Rabbit3000的地址總線A0相連，在片選信號有效的前提下(即PE7=0),，當A0=1時,，CPU給D12發(fā)命令；當A0=0時,，CPU向D12 寫數(shù)據(jù)或從D12讀數(shù)據(jù),。因此，地址0xE001為發(fā)送命令地址,，地址0xE000為讀寫數(shù)據(jù)地址,。
三、系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件設(shè)計借鑒了軟件工程的設(shè)計思想,。采用了分層和模塊化的設(shè)計思路,，為代碼的組織、維護和升級都提供了便利,。而且,，即使以后更換硬件系統(tǒng)平臺，也能夠保證大部分代碼可重用,。軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示,。下面重點介紹無線模塊和USB模塊的軟件設(shè)計。
1. 無線模塊軟件設(shè)計
無線模塊MC35與Rabbit3000的串口B相連,，并通過串口向MC35發(fā)送AT指令,，進行撥號、設(shè)置等操作,。
MC35與網(wǎng)關(guān)的通信協(xié)議為PPP協(xié)議(Point-to-Point Protocol)，PPP協(xié)議是一種基于TCP/IP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,，是為在兩個對等實體間傳輸數(shù)據(jù)包,，建立簡單連接而設(shè)計的，主要用于廣域網(wǎng)的連接,，但在局域網(wǎng)的撥號連接中同樣可以采用,。MC35本身不支持PPP協(xié)議，要通過MC35撥號上網(wǎng)必須編寫程序?qū)崿F(xiàn)PPP協(xié)議,，同時還要實現(xiàn) TCP/IP協(xié)議,。
開機后首先初始化MC35模塊，這里要注意的是初始化MC35模塊時,，需要給IGT引腳一個低電平,，并保持120~140ms,，才能完成初始化操作。然后啟動MC35并登陸移動夢網(wǎng)網(wǎng)關(guān),，建立與服務(wù)提供商的連接,。
登陸成功后，MC35具有兩種工作狀態(tài)：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)和空閑狀態(tài),。MC35在空閑狀態(tài)下的電流一般為15mA,，而且在空閑狀態(tài)下，MC35還支持多種休眠模式,。為降低功耗,，本系統(tǒng)啟用了MC35的休眠功能，設(shè)置為休眠模式7,。在該休眠模式下,，電流可以降到3mA左右。
圖4：心電監(jiān)護系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)
2. USB模塊軟件設(shè)計
USB接口對于使用者來說十分簡單方便,，但從開發(fā)者角度來看,，最大的缺點就是協(xié)議的復(fù)雜性增加了，因此也就導(dǎo)致了USB設(shè)計的復(fù)雜性,。USB軟件設(shè)計包括三個方面：固件(firmware)設(shè)計,、驅(qū)動程序設(shè)計和主機端應(yīng)用程序的設(shè)計。
a. 固件設(shè)計
固件是固化在單片機中的程序代碼,，可采用匯編語言或C語言設(shè)計,。它運行在微處理器上，用來響應(yīng)主機的請求,。即它與USB控制器一起完成枚舉過程和主機通信,。USB協(xié)議規(guī)定任何傳輸過程都是由主機端發(fā)起并控制的，在枚舉過程中,，主機通過USB控制器的端點0的默認管道建立控制傳輸過程,，D12響應(yīng)主機的要求，主要是發(fā)送特定的描述符(如設(shè)備描述符,、配置描述符,、接口描述符、端點描述符,、字符串描述符和廠商描述符)給主機,。主機從獲得的描述符來了解該設(shè)備的配置和能力，并完成對USB設(shè)備的配置,。枚舉過程結(jié)束后,，主機就可以與D12進行數(shù)據(jù)傳輸了。
本系統(tǒng)的固件編程采用標準C語言來編寫,，設(shè)計固件程序時需要注意的是：D12的中斷輸出為電平觸發(fā),，Rabbit3000的中斷為上升沿或下降沿觸發(fā),。在設(shè)計程序時，使用下降沿加延時,，可使低電平保持一段時間,，從而達到同樣的效果。
b. 驅(qū)動程序設(shè)計
在Windows系統(tǒng)下,，與USB外設(shè)的任何通信都必須通過設(shè)備驅(qū)動,，設(shè)備驅(qū)動使應(yīng)用程序訪問硬件設(shè)備成為可能。USB驅(qū)動程序的編寫與硬件相關(guān),，屬于核心模式,。微軟的DDK在這方面提供了較為詳細的說明。
c. 應(yīng)用程序的設(shè)計
本系統(tǒng)采用VB編寫上位機應(yīng)用程序,。它主要負責實現(xiàn)利用USB接口從心電監(jiān)護儀中讀取心電數(shù)據(jù),，并把心電數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，同時在PC機屏幕上繪制心電波形,。
四,、本文小結(jié)
本文所研制的便攜式移動心電監(jiān)護儀，能夠在計算機屏幕上準確地描繪出心電波形,，經(jīng)中國醫(yī)科大學(xué)附屬二院的醫(yī)生認定,，可作為臨床診斷依據(jù)；本系統(tǒng)實用性強,，且體積小,、經(jīng)濟方便?；颊呖呻S時隨地對心臟進行實時監(jiān)護,，而不受時間和空間限制；本系統(tǒng)所具有的無線傳輸功能,，可以實時地把心電數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)院供醫(yī)生診斷,，極大地提高了急救效率。