摘  要： 以FPGA為核心控制模塊，搭載MAX1300為數(shù)據(jù)采集模塊，完成8通道、16位精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部?jī)?chǔ)存，DSP在適當(dāng)時(shí)刻對(duì)其進(jìn)行讀取以完成伺服控制工作。針對(duì)以往數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的局限，F(xiàn)PGA內(nèi)部對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，減輕了CPU數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度和負(fù)擔(dān)。詳細(xì)介紹了各芯片硬件電路設(shè)計(jì)，給出FPGA內(nèi)部各功能模塊邏輯圖。
關(guān)鍵詞:  數(shù)據(jù)采集; FPGA; DSP

    目前市場(chǎng)上的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備通常采用傳統(tǒng)意義上的工控機(jī)和前端信號(hào)采集板卡構(gòu)成，這樣的監(jiān)護(hù)設(shè)備體積龐大，價(jià)格高昂，功耗大，不適合攜帶。目前也有人采用了PC104的板卡取代了傳統(tǒng)的工控機(jī)，但是這樣的監(jiān)護(hù)設(shè)備價(jià)格高昂，不能滿足普通消費(fèi)者的需求，在便攜式的遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)方面也仍然存在某些缺陷。隨著傳感技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，病人監(jiān)護(hù)儀正廣泛應(yīng)用于臨床監(jiān)護(hù)中。傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)儀由于監(jiān)護(hù)參數(shù)單一、功能簡(jiǎn)單、體積較大而僅局限于手術(shù)過程和ICU病房的監(jiān)護(hù)，極大地限制了其使用價(jià)值，不能滿足所有臨床科室的使用。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力能夠方便地實(shí)現(xiàn)GPRS和Internet的接入，把嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中具有現(xiàn)實(shí)可行的意義。為此，開發(fā)了基于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體積小、功耗低、價(jià)格便宜、穩(wěn)定性好的多生命參數(shù)病人監(jiān)護(hù)儀，它能長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)病人的血氧飽和度(SPO2)、心電(ECG)、呼吸(RESP)、血壓(BP)和體溫(Temp)[1]。同時(shí)，該監(jiān)護(hù)儀還能通過RS232接口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)通信，把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院的數(shù)據(jù)庫(kù)中。
1 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的整體設(shè)計(jì)
    圖1為多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖。該系統(tǒng)主要分為多參數(shù)信號(hào)采集模塊、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和GPRS模塊。多參數(shù)信號(hào)采集模塊通過血氧信號(hào)、心電信號(hào)、呼吸信號(hào)、血壓信號(hào)、體溫信號(hào)處理電路采集到的血氧、心電、呼吸、血壓、體溫信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換分別送入到TMS320F2812處理器中進(jìn)行處理，再經(jīng)過光電隔離的RS232串口送入到嵌入式計(jì)算機(jī)中[2]。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過RS232串口1對(duì)前端信號(hào)采集模塊發(fā)出命令控制，從而獲得多生理參數(shù)的采集數(shù)據(jù)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一方面將多生理參數(shù)的數(shù)據(jù)通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到NandFlash中，另外可以利用RS232串口2通過AT指令對(duì)GPRS模塊進(jìn)行控制，將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)中，醫(yī)護(hù)人員可以實(shí)時(shí)觀察病人的情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多參數(shù)監(jiān)護(hù)。

　在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中，數(shù)據(jù)通信是非常重要的組成部分。而GPRS是目前解決移動(dòng)通信服務(wù)的一種完美的業(yè)務(wù)，它以數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)、覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)選用西門子公司的GPRS模塊來(lái)傳送采集到的多參數(shù)數(shù)據(jù)。GPRS無(wú)線模塊作為GPRS終端的無(wú)線收發(fā)模塊，把從TCP/IP模塊接收的TCP/IP包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)[3-4]。
2 多參數(shù)采集電路的設(shè)計(jì)與工作原理
    多參數(shù)采集電路主要包括血氧、心電、呼吸、血壓和體溫5個(gè)方面的采集。
　(1) 血氧信號(hào)的采集：血氧飽和度的檢測(cè)方法主要有兩種，一種是有創(chuàng)法，一種是無(wú)創(chuàng)法。無(wú)創(chuàng)法是運(yùn)用光學(xué)來(lái)測(cè)量的，目前在國(guó)內(nèi)外也主要是基于這種方法來(lái)研究血氧飽和度的。由于血液中氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對(duì)波長(zhǎng)為660 nm的紅光和940 nm的紅外光的吸收率相差很大，故通常采用這兩種光線來(lái)測(cè)量血氧飽和度[5-6]。
　將血氧飽和度探頭夾在手指上，上壁固定了兩個(gè)并列放置的發(fā)光二極管(LED)，發(fā)出波長(zhǎng)為660 nm的紅光和940 nm的紅外光。下壁有一個(gè)光電檢測(cè)器，將透射過手指動(dòng)脈血管的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它所檢測(cè)到的光電信號(hào)越弱，表示光信號(hào)穿透探頭部位時(shí)，被那里的組織、骨頭和血液等吸收掉的越多[7]。而皮膚、肌肉、脂肪、靜脈血、色素和骨頭等對(duì)這兩種光的吸收系數(shù)是恒定的，因此它們只對(duì)光電信號(hào)中的直流分量大小發(fā)生影響。但是血液中的HbO2和Hb濃度隨著血液的脈動(dòng)作周期性改變，因此它們對(duì)光的吸收也在脈動(dòng)地變化, 由此引出光電檢測(cè)器輸出的信號(hào)強(qiáng)度隨血液中的HbO2 和Hb濃度比脈動(dòng)地改變，即可得出SPO2值。
　(2)心電信號(hào)的采集：人體的心電信號(hào)是一個(gè)很微弱的低頻信號(hào)，其幅值一般在1 mV左右，可低至幾十微伏，頻譜分布在0.05~100 Hz，主要頻譜分量集中在5~20 Hz。要采集這樣的信號(hào)，必須設(shè)計(jì)合適的心電信號(hào)采集電路。圖2為心電信號(hào)采集電路的原理圖。

　前置放大器是整個(gè)心電采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了提高信噪比，選用了高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的ADI公司的儀表放大器AD620。前置放大器輸出的信號(hào)并不是純粹的心電信號(hào)，其中除了夾雜著不少工頻干擾外，還有很多直流或低頻信號(hào)，因此選用了截止頻率為0.03 Hz的高通濾波器來(lái)濾除這些直流或低頻信號(hào)。由于有些工頻干擾是以差模形式進(jìn)入放大器的，所以輸出的信號(hào)中有較強(qiáng)的工頻干擾，解決的方法是采用凌特公司的LTC1068-50集成開關(guān)電容濾波器來(lái)構(gòu)成50 Hz陷波器將工頻干擾濾掉。然后需要再次將心電信號(hào)放大，由于混入了許多高頻信號(hào)所以需要用低通濾波器濾除這些高頻信號(hào)，最后讓心電信號(hào)通過電平遷移電路就可以得到心電信號(hào)的雛形了。
　(3)呼吸信號(hào)的采集：對(duì)于呼吸信號(hào)的檢測(cè)，采用的是目前應(yīng)用最廣的胸阻抗原理測(cè)量呼吸參數(shù)，隨著呼吸的變化，病人的胸腔阻抗也發(fā)生變化[8]。將高頻脈沖施加在人體的胸腔上，從測(cè)量電極提出的是一個(gè)被呼吸信號(hào)調(diào)制的高頻調(diào)幅信號(hào)，利用儀表放大器PGA206進(jìn)行程控增益放大，然后利用全波整流電路對(duì)高頻調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，檢出高頻信號(hào)幅值變化的包絡(luò)線，此即隨阻抗變化的信號(hào)，由于呼吸信號(hào)的頻率一般在0.08～10 Hz之間,所以最后還需要將檢波后的調(diào)制信號(hào)通過0.08～10 Hz的帶通濾波器，濾除直流分量和高頻雜波干擾，就可以得到呼吸信號(hào)的原型了。
　(4)血壓信號(hào)的采集：本文將用示波法來(lái)進(jìn)行血壓的測(cè)量。示波法血壓測(cè)量中采用充氣袖帶來(lái)阻斷動(dòng)脈血流，當(dāng)動(dòng)脈血流被阻斷時(shí)，由于近端血液的脈動(dòng)，在袖帶內(nèi)可以檢測(cè)出動(dòng)脈血流產(chǎn)生的氣壓振動(dòng)波。首先將袖帶充氣到高于收縮壓20 mmHg左右，然后使袖帶緩慢放氣。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力高于收縮壓時(shí)，動(dòng)脈阻斷，出現(xiàn)幅度較小的振動(dòng)波。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等于收縮壓時(shí)，振動(dòng)波幅度增大，隨著袖帶內(nèi)壓力的不斷降低，振動(dòng)波幅度達(dá)到最大。當(dāng)袖帶內(nèi)壓力小于平均壓力時(shí)振動(dòng)波幅值逐漸減小，袖帶內(nèi)壓力小于舒張壓以后，動(dòng)脈管壁在舒張期已充分?jǐn)U張，管壁剛性增加，而振動(dòng)波維持在較小的水平。示波法是根據(jù)不同的袖帶壓力下的脈搏波幅度變換特征來(lái)識(shí)別動(dòng)脈收縮壓、平均壓、舒張壓等[9]。血壓信號(hào)原理框圖如圖3所示。

　由DSP來(lái)控制氣泵和電磁閥實(shí)現(xiàn)血壓的定時(shí)自動(dòng)檢測(cè)，利用MPX5050GP壓力傳感器檢測(cè)臂帶的壓力在這個(gè)過程中的波動(dòng)即可獲得血壓信息，然后將血壓信號(hào)通過帶通濾波器，濾除干擾和噪聲信號(hào)就可以得到血壓信號(hào)的原型了。
    (5)體溫信號(hào)的采集： 體溫信號(hào)的采集需要通過專門的體溫傳感器，一般要求傳感器的溫度測(cè)量范圍在20～45 ℃之間，由于體溫是平穩(wěn)變化信號(hào),為了提高測(cè)量精度，在A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)候，需要用過采樣的方式來(lái)提高測(cè)量精度。
3 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3．1 嵌入式系統(tǒng)的工作原理
　嵌入式系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心部分就是嵌入式處理器，在此選用AT91RM9200。嵌入式軟件部分一般來(lái)說(shuō)是由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分組成。軟件可以分成啟動(dòng)代碼(bootloader)、操作系統(tǒng)內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、圖形界面和應(yīng)用程序等幾部分[9]。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，AT91RM9200首先運(yùn)行固化在32 MB Flash中的bootloader程序，把64 MB Flash中的Linux內(nèi)核搬移到64 MB內(nèi)存中運(yùn)行,完成嵌入式內(nèi)核的啟動(dòng),以及對(duì)U盤的掛接和Qtopia文件系統(tǒng)的啟動(dòng),然后進(jìn)入到嵌入式Qtopia的用戶界面[10]。
　Qtopia是Trolltech公司為采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái), Qtopia包含完整的應(yīng)用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序啟動(dòng)程序以及開發(fā)框架。為了實(shí)現(xiàn)USB的圖像采集和程序設(shè)計(jì)，選擇的軟件操作系統(tǒng)是Linux和Qtopia，由于Qtopia文件系統(tǒng)比較大，把它固化到Flash中，會(huì)增加成本，如果被用戶在使用過程中損壞，系統(tǒng)將難以恢復(fù)。因此本文采用把Qtopia文件系統(tǒng)放在U盤上。如果U盤中的Qtopia文件系統(tǒng)發(fā)生損壞，可以將備份在PC上的Qtopia文件系統(tǒng)重新拷貝到U盤中，從而將整個(gè)系統(tǒng)快速恢復(fù)，現(xiàn)在的U盤也很便宜,可以大大地降低成本和極大地?cái)U(kuò)展該系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量。該方法保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性，并且可以實(shí)現(xiàn)該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)升級(jí)。
3.2 嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)一般采用的方法是：先在PC機(jī)上調(diào)試好應(yīng)用程序然后再通過交叉編譯生成可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，最后將二進(jìn)制文件下載到嵌入式計(jì)算機(jī)主板上運(yùn)行。在此過程中交叉編譯尤為重要，現(xiàn)將它的主要步驟介紹如下：
　(1)把需要用到的可執(zhí)行文件的路徑寫進(jìn)注冊(cè)表vi /etc/profile在Pathmunge/usr/local/sbin/ 后面添加Pathmunge /usr/local/arm/3.3.2/bin。
    (2)./configure –xplatform linux-arm-g++ -dep ths 16–qconfig qpe （看提示進(jìn)行選擇，當(dāng)出現(xiàn)qvfb時(shí)選擇no）如果是多線程的程序則在qpe后面添加-thread就可以了。
　(3)進(jìn)行make。
　(4)將應(yīng)用程序生成的Makefile文件進(jìn)行修改，用Vi命令打開Makefile文件，將里面的LINK=gcc改為L(zhǎng)INK=arm-linux-g++；將LIBS=$ (SUBLIBS) –L$(QTDIR) /lib –lm–lqte改為：LIBS=$ (SUBLIBS) –L/usr/local/arm/3.3.2/lib–L$(QTDIR) /lib/-lm–lqte。
　(5)再進(jìn)行make。
   經(jīng)過上述操作一個(gè)可以在嵌入式計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的二進(jìn)制文件就產(chǎn)生了。
4 基于Qtopia的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的軟件設(shè)計(jì)
　基于Qtopia多生命參數(shù)監(jiān)護(hù)應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了血氧、心電、呼吸、血壓和體溫等多參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸。程序流程圖如圖4所示。

    從圖4可以看出應(yīng)用程序首先是根據(jù)用戶選擇，打開與多生命參數(shù)模塊連接的串口1。要實(shí)現(xiàn)對(duì)多生命參數(shù)模塊的正確控制，必須有嚴(yán)格的通信協(xié)議做保證，為了提高通信的效率，在數(shù)據(jù)通信的過程中對(duì)通信的數(shù)據(jù)也進(jìn)行了一定的壓縮處理。所以在啟動(dòng)多生命參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)的時(shí)候，必須根據(jù)用戶的設(shè)置要求，例如心電信號(hào)的采集模式、增益設(shè)置、導(dǎo)聯(lián)方式等相關(guān)信息生成采集心電命令數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到多生命參數(shù)的采集模塊中，多生命參數(shù)采集模塊根據(jù)接收到的心電信號(hào)的采集命令包，對(duì)其進(jìn)行解碼，設(shè)置對(duì)心電信號(hào)的采集模式、增益控制、導(dǎo)聯(lián)方式的選擇，然后進(jìn)行心電信號(hào)的采集。對(duì)于呼吸信號(hào)和血氧信號(hào)同樣需要生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)命令包，控制多生命參數(shù)模塊對(duì)呼吸和血氧信號(hào)的采集。當(dāng)這些數(shù)據(jù)命令包都發(fā)送完后，最后還需要生成一個(gè)數(shù)據(jù)命令結(jié)束包，啟動(dòng)多參數(shù)模塊在設(shè)定的工作模式下實(shí)現(xiàn)多生命參數(shù)的監(jiān)護(hù)，并且啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)讀取串口緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。定時(shí)讀取緩沖區(qū)的采集數(shù)據(jù)流程圖，從圖中可以看出，對(duì)串口1進(jìn)行冗余檢查，增加接收數(shù)據(jù)的合法性。在數(shù)據(jù)通信的過程中，為了提高通信效率，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的壓縮處理，傳送到上位機(jī)，所以在上位機(jī)中必須對(duì)一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，查找數(shù)據(jù)的幀頭，校驗(yàn)數(shù)據(jù)累加正確否，然后從中提取有效的采集數(shù)據(jù)。在一幀數(shù)據(jù)中包含了血氧、心電、血壓、呼吸和體溫等數(shù)據(jù)信息，也必須根據(jù)事先約定好的通信協(xié)議對(duì)血氧、心電、血壓、呼吸和體溫的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分離，然后調(diào)用繪制波形函數(shù)QCurveWidget分別繪制血氧、心電、呼吸數(shù)據(jù)的波形。
5 多參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸與接收
5.1 多參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸
　該嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)護(hù)的同時(shí)，也可以將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)中，監(jiān)護(hù)人員可以實(shí)時(shí)地觀察病人的情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，這時(shí)需要打開連接在嵌入式計(jì)算機(jī)主板上的串口2，通過串口2連接到GPRS模塊，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信流程圖如圖5所示。

    從圖5可以看出，當(dāng)用戶啟用遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)時(shí)，嵌入式計(jì)算機(jī)首先打開連接在串口2上的GPRS模塊，對(duì)GPRS模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，當(dāng)GPRS模塊與PC機(jī)建立連接后，通過AT指令可以對(duì)GPRS模塊進(jìn)行控制，同時(shí)也可以進(jìn)入到發(fā)送監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的流程。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將收到的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)正確后，在本地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形的顯示，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)通過串口2發(fā)送出去。對(duì)于嵌入式計(jì)算機(jī)而言，因?yàn)槭窃谌该鞯哪Ｊ较逻M(jìn)行的數(shù)據(jù)通信,這完全等同于PC機(jī)直接進(jìn)行串口通信，但是具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程卻是通過GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次的封裝打包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)到達(dá)醫(yī)院的數(shù)據(jù)中心。

5.2 多參數(shù)的接收
    采集到的多參數(shù)數(shù)據(jù)是以JPEG圖片格式發(fā)送到醫(yī)院數(shù)據(jù)庫(kù)中的，對(duì)于JPEG格式的圖片數(shù)據(jù)流有數(shù)據(jù)幀頭0XFFD8、數(shù)據(jù)幀尾0XFFD9做保證，在PC機(jī)上可以根據(jù)雙方約定的協(xié)議正確地對(duì)接收的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、解碼和顯示，對(duì)于圖片接收的流程圖如圖6所示。

    該監(jiān)護(hù)儀將DSP技術(shù)與ARM技術(shù)相結(jié)合,充分發(fā)揮了DSP在信號(hào)處理上的優(yōu)勢(shì)和ARM在系統(tǒng)平臺(tái)上的優(yōu)勢(shì)，從而最大限度地降低了成本與功耗。本文詳細(xì)介紹了血氧、心電、呼吸、血壓和體溫采集電路的設(shè)計(jì)與工作原理，嵌入式計(jì)算機(jī)的組成和基于Qtopia的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)完成了樣機(jī)的設(shè)計(jì)。該監(jiān)護(hù)儀具有體積小、靈活、成本低、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和良好的市場(chǎng)前景，對(duì)于我國(guó)的醫(yī)療事業(yè)具有一定的促進(jìn)作用。
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