原標(biāo)題：基于S3C2410A和nRF401芯片實(shí)現(xiàn)多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

基于S3C2410A和nRF401芯片實(shí)現(xiàn)多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)

引言

隨著社會(huì)生活節(jié)奏的加快和人口老齡化的加劇，心血管疾病已成為威脅人類生命的主要疾病之一。心電圖（ECG）是檢查、診斷和預(yù)防心血管疾病的主要手段和依據(jù)。傳統(tǒng)的基于PC機(jī)平臺(tái)的心電監(jiān)護(hù)儀價(jià)格昂貴、體積龐大、不便于移動(dòng)，主要集中在大醫(yī)院，給醫(yī)生和病人帶來(lái)了很大的不便。因此，設(shè)計(jì)一種體積小、功耗低、便于攜帶的多床位無(wú)線心電監(jiān)護(hù)儀顯得尤為重要。本文介紹了一種基于ARM9微處理器S3C2410A和nRF401無(wú)線收發(fā)芯片的多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)，旨在解決傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)儀的不便。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該監(jiān)護(hù)儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內(nèi)核的16/32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統(tǒng)控制核心，利用nRF401無(wú)線收發(fā)芯片發(fā)送和接收心電數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)護(hù)1～12個(gè)床位，具有功耗低、體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

主控芯片型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用

1. S3C2410A

   S3C2410A是Samsung公司推出的一款基于ARM920T處理器構(gòu)架的嵌入式CPU，是一款功能強(qiáng)大的16/32位RISC微處理器。它提供了豐富的外設(shè)接口，包括8通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、USB設(shè)備控制器、Nand Flash控制器、LCD控制器等。S3C2410A在系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 數(shù)據(jù)采集與處理：通過內(nèi)置的ADC模塊，S3C2410A可以將模擬的心電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行必要的處理和分析。

• 系統(tǒng)控制：作為系統(tǒng)的控制核心，S3C2410A負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

• 通信：S3C2410A通過串口與nRF401無(wú)線收發(fā)芯片連接，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。同時(shí)，它還可以通過USB口與PC機(jī)相連，將采集到的心電數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

• 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示：利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器，可以擴(kuò)展大容量存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過LCD控制器，可以設(shè)計(jì)LCD顯示屏的接口，用于顯示所采集的心電信號(hào)及一些基本參數(shù)。

2. nRF401

   nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無(wú)線收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）頻段，該頻段無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證。nRF401采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，并采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20kbps，傳輸距離可達(dá)1000m，完全滿足本設(shè)計(jì)所需要的通信距離要求。nRF401在系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

• 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸：nRF401通過串口直接與S3C2410A連接，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。它可以將采集到的心電數(shù)據(jù)從監(jiān)護(hù)終端發(fā)送到中心監(jiān)護(hù)端，或者將中心監(jiān)護(hù)端的命令發(fā)送到各個(gè)監(jiān)護(hù)終端。

• 低功耗：nRF401具有低功耗的特點(diǎn)，適合用于便攜式設(shè)備。

• 易于集成：nRF401的外圍元件很少，只包括一個(gè)基準(zhǔn)晶振和幾個(gè)無(wú)源器件，具有成本低、一致性好等特點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)和監(jiān)護(hù)一個(gè)床位的各個(gè)心電監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)兩大部分。

中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)

中心監(jiān)護(hù)端的硬件設(shè)計(jì)主要包括S3C2410A與PC機(jī)的連接和nRF401與S3C2410A的連接。

• S3C2410A與PC機(jī)的連接：由于S3C2410A具有USB設(shè)備控制器，因此可通過USB口與PC機(jī)相連，并得到5V的工作電壓。這樣，中心監(jiān)護(hù)端就可以接收PC機(jī)發(fā)出的命令，并將各個(gè)監(jiān)護(hù)終端采集到的心電數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)。

• nRF401與S3C2410A的連接：無(wú)線收發(fā)芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

心電監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)

心電監(jiān)護(hù)終端的硬件設(shè)計(jì)主要包括心電采集電路、微處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、存儲(chǔ)顯示鍵盤模塊等。

• 心電采集電路：心電采集電路包括放大器、低通濾波器、50Hz陷波器等。放大器由差動(dòng)放大電路和放大級(jí)電路兩級(jí)放大電路組成，總增益接近1000。低通濾波器采用一階濾波電路，截止頻率為100Hz。50Hz陷波器用于抑制工頻干擾。導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)采用通用的二電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅(qū)動(dòng)電極。

• 微處理器模塊：采用S3C2410A作為微處理器模塊，負(fù)責(zé)采集和處理心電信號(hào)，并通過nRF401無(wú)線收發(fā)芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行谋O(jiān)護(hù)端。

• 無(wú)線收發(fā)模塊：采用nRF401無(wú)線收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

• 存儲(chǔ)顯示鍵盤模塊：為了實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器擴(kuò)展了一片16Mx8位的Nand Flash存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)12小時(shí)的心電數(shù)據(jù)。為了使用戶能夠?qū)Σ杉降男碾娦盘?hào)有一個(gè)直觀的印象和進(jìn)行常識(shí)性的觀察，利用S3C2410A自帶的LCD控制器，設(shè)計(jì)了LCD顯示屏的接口，并選用了一塊240x128的LCD顯示屏，用于顯示所采集的心電信號(hào)及一些基本參數(shù)。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)4x4的鍵盤模塊，用戶可通過鍵盤實(shí)現(xiàn)一些基本功能的切換。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于Windows CE操作系統(tǒng)，采用多線程技術(shù)確保實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度。

Windows CE操作系統(tǒng)

Windows CE是為各種嵌入式系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一種壓縮的、具有高效的、可升級(jí)的操作系統(tǒng)，具有多線性、多任務(wù)、全優(yōu)先的操作系統(tǒng)環(huán)境。由于Window CE操作系統(tǒng)本身沒有自帶獨(dú)立的開發(fā)環(huán)境，因此需要在PC機(jī)（宿主機(jī)）上完成應(yīng)用程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)仿真，并針對(duì)ARM嵌入式設(shè)備（目標(biāo)機(jī)）進(jìn)行交叉編譯，使其與目標(biāo)機(jī)的CPU體系結(jié)構(gòu)相匹配，使操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件在目標(biāo)機(jī)上也能正常運(yùn)行。然后再移植到各目標(biāo)機(jī)上。

多線程編程

中心監(jiān)護(hù)端的功能不只是單一的網(wǎng)絡(luò)通信，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，所以不在主線程中直接進(jìn)行通信。而是在主線程中創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的子線程負(fù)責(zé)等待PC機(jī)的命令，收到命令后，為其創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的通信子線程與相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。等待子線程繼續(xù)等待PC機(jī)的命令。通信子線程接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行校驗(yàn)，并通過USB口傳遞到PC機(jī)。

由于多個(gè)通信子線程可能會(huì)同時(shí)對(duì)共享資源nRF401進(jìn)行訪問，形成線程沖突，因此需要協(xié)調(diào)好各個(gè)線程之間的同步問題?；コ鈱?duì)象（Mutex）是Windows CE操作系統(tǒng)所提供的實(shí)現(xiàn)線程同步的方法之一，主要用于協(xié)調(diào)多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問。其原理是只有擁有互斥對(duì)象的線程才具有訪問共享資源的權(quán)限。由于互斥對(duì)象只有一個(gè)，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會(huì)同時(shí)被多個(gè)線程所訪問。

數(shù)據(jù)處理與分析

采集到的心電信號(hào)經(jīng)過S3C2410A的ADC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，需要進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。處理和分析的過程包括濾波、特征提取、波形顯示等。濾波主要是去除噪聲和干擾，提高信號(hào)的信噪比。特征提取主要是提取心電信號(hào)中的關(guān)鍵特征點(diǎn)，如P波、QRS波群、T波等。波形顯示則是將處理后的心電信號(hào)以波形圖的形式顯示出來(lái)，供醫(yī)生和患者觀察和分析。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM9微處理器S3C2410A和nRF401無(wú)線收發(fā)芯片的多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀。該監(jiān)護(hù)儀具有體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)監(jiān)護(hù)1～12個(gè)床位，實(shí)時(shí)性良好。采用多線程編程，可同時(shí)監(jiān)護(hù)多個(gè)床位，提高了系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度和利用率。該系統(tǒng)在不影響患者日?；顒?dòng)的同時(shí)，使患者得到較好的監(jiān)護(hù)，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

通過本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，不僅提高了心電監(jiān)護(hù)的效率和準(zhǔn)確性，還降低了醫(yī)療成本，為心血管疾病患者的治療和康復(fù)提供了有力的支持。未來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，多床位遙測(cè)心電監(jiān)護(hù)儀的性能和功能將得到進(jìn)一步的提升和完善。