秦皇島市康泰醫(yī)學(xué)系統(tǒng)有限公司 劉晨亮 師麗菊

引言

心血管疾病是一種較為普遍的疾病，隨著生活節(jié)奏的加快，生活水平和健康意識的提高，人們需要隨時對心臟進行健康監(jiān)護并且能在比較危急的情況下進行及時的診治；目前主要的監(jiān)測方式有以下幾種：

手持式片斷記錄心電計：其優(yōu)點是可以隨身攜帶，對使用地點要求不高，可以隨時隨地使用，缺點是不能連續(xù)記錄心電圖，對于隱性的心電疾病不能很好的發(fā)現(xiàn)。

動態(tài)心電圖機：該設(shè)備優(yōu)點是能夠同步12導(dǎo)聯(lián)采集心電圖，具有PC端強大的分析系統(tǒng)，能夠用于醫(yī)生進行詳細的醫(yī)學(xué)診斷，缺點是導(dǎo)聯(lián)連接復(fù)雜，必須到醫(yī)院才能佩戴，不能實時上傳數(shù)據(jù)，屬于事后分析系統(tǒng)。

常規(guī)監(jiān)護儀監(jiān)測：該種設(shè)備價格昂貴，只能在醫(yī)院進行監(jiān)測治療，監(jiān)測成本極高，一般用于重癥監(jiān)護，不適合用于普通心電疾病監(jiān)護。

綜上可以看出，目前的心電監(jiān)護方法各有優(yōu)缺點，不能滿足即能實時監(jiān)測，又能便宜實惠的大眾化醫(yī)療需求，因此本文設(shè)計了一款基本上能滿足大眾化的心電采集終端，使得心電監(jiān)測、治療能夠平民化、社區(qū)化。下面對該終端進行詳細敘述。

1.系統(tǒng)總體方案

1.1 方案簡介

該設(shè)備是作為一套遠程醫(yī)療系統(tǒng)的一個終端設(shè)備設(shè)計的。整個遠程醫(yī)療系統(tǒng)分為兩個大部分：用戶部分和遠程診斷部分，而用戶部分又分為數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)上傳終端。整個系統(tǒng)運行過程如下：首先數(shù)據(jù)采集終端把數(shù)據(jù)通過無線發(fā)給數(shù)據(jù)上傳終端，數(shù)據(jù)上傳終端可以是連入互聯(lián)網(wǎng)的電腦、手機、專用路由器、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護儀等設(shè)備。然后上傳終端設(shè)備把接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理，把有價值的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到遠程健康管理中心，中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器再把數(shù)據(jù)分類，分發(fā)給對應(yīng)的專家和醫(yī)務(wù)人員，由他們進行分析診斷，最后中心通過電話和互聯(lián)網(wǎng)把診斷結(jié)果反饋給用戶，并提示用戶進行相關(guān)的治療。

該系統(tǒng)涉及到了嵌入式系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸、互聯(lián)網(wǎng)、用戶和醫(yī)生之間的交互、管理中心的數(shù)據(jù)處理，可以說是物聯(lián)網(wǎng)的一個最典型應(yīng)用。

該系統(tǒng)的采集終端不僅有心電終端，還有血氧、血壓、血糖、體溫、呼吸等等各種人體重要的生理參數(shù)采集終端，本文限于篇幅，只詳細敘述其中的心電采集終端。

圖1 硬件框架圖

1.2 心電終端的構(gòu)成

本設(shè)備采用胸帶方式的可重復(fù)使用導(dǎo)電橡膠電極，這樣設(shè)計可以讓家庭用戶輕松方便的自己穿戴，不需要額外的醫(yī)師幫助；橡膠電極是柔性設(shè)計，能夠隨形緊貼皮膚，即舒適，采集效果還好；橡膠材質(zhì)符合CE的生物兼容性要求，不會有副作用。

終端主機直接卡扣到胸帶上，由于主機很小，很輕，佩戴起來基本感覺不到，這樣還省去了連接導(dǎo)聯(lián)線的麻煩，增加可靠性，減少干擾。主機上人機接口只有一個按鍵和一個指示燈，操作簡單明了，即使老人和兒童也能很容易操作。

采用1OOOmAH鋰聚合物電池，能夠提供大于24小時的全天候心電監(jiān)測。本終端設(shè)備還支持TF卡存儲功能，在某些不需要實時檢測的情況下，可以將數(shù)據(jù)記錄到TF卡上，供后續(xù)分析診斷用。

2.硬件設(shè)計

硬件部分框圖如圖1所示，心電模擬放大部分主要由兩種放大器INA333和OPA2 348組成；數(shù)字部分主要由CC43OF5137無線單片機和TF卡構(gòu)成；外圍電路還有時鐘電路、電源電路等。

2.1 模擬電路設(shè)計

該終端檢測的心電信號幅值在±5mV之間，頻率在O.O5～75Hz之間。心電信號經(jīng)電極轉(zhuǎn)換成電壓信號，先要進行電壓放大。電壓放大器由兩級組成，前級采用負反饋差動放大電路，消除共模干擾信號，后級采用線性放大器，把心電信號放大到ADC的輸入范圍內(nèi)。兩級之間采用一階高通濾波器濾掉O.O5Hz以下的無用信號。對用工頻干擾和肌電干擾，則通過數(shù)據(jù)上傳終端的數(shù)字濾波器濾除掉。

系統(tǒng)中，采用TI公司的微功耗儀表放大器INA333芯片作為心電信號的前級放大器，放大倍數(shù)為1O倍。后級采用低壓微功耗運放OPA2348做線性放大，放大倍數(shù)為2O倍。心電信號的最高峰峰值為1OmV，經(jīng)過兩級共2OO倍的放大為2.OV。ADC的輸入范圍為O～3V，有1V左右的余量，會具有較好的動態(tài)范圍。同時，心電信號的頻率在O.O5～75Hz之間，在保證波形不失真的情況下盡可能降低采樣率，以降低能耗，在此選取采樣率fs=2OOHz，既能保證醫(yī)師和軟件的分析要求，也能使數(shù)據(jù)量和耗電量在可接受范圍內(nèi)。

2.2 存儲器選擇

采用TF卡作為存儲器具有接口簡單、容量大、體積小，功耗低、電腦可以直接讀寫等特點，和單片機采用SPI接口通訊。文件系統(tǒng)采用FAT16格式，將心電數(shù)據(jù)存成獨立的文件，如果按照常見的2GB容量的卡計算，存儲單導(dǎo)心電數(shù)據(jù)時間長度達到：2GB÷(12Bit×2OOHz÷8Bit/Byte)=1988.4小時，遠遠大于系統(tǒng)要求的24小時。

2.3 電池選擇

電源采用鋰聚合物電池，這種電池由于采用軟性材料包裝，在發(fā)生故障時一般只是鼓起，而不像鋰離子電池那樣會爆炸，安全性比較高。另外在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，使電池在主機的外側(cè)，而不是緊挨皮膚的一側(cè)，這樣即使發(fā)生故障，由于隔著主機，對人體的傷害減到最小。

2.4 單片機選擇

基于功能、價格、功耗以及心電終端設(shè)計的實際需要等幾個方面的考慮，本系統(tǒng)選用具有12位ADC的超低功耗微處理器CC43OF5137作為系統(tǒng)的控制核心，該單片機是TI公司將業(yè)界領(lǐng)先的超低功耗MSP43O MCU與1GHz以下的高性能CC11O1 RF收發(fā)器進行了完美結(jié)合，可實現(xiàn)高達2O MIPS的性能。利用它作心電信號的采集與處理，不僅極大地簡化了系統(tǒng)硬件電路，還大大提高了系統(tǒng)的性價比。

CC43OF5137的資源相當(dāng)豐富，本文重點介紹一下心電終端主要用到的資源。CC43OF5137包含了32KB Flash和4KB RAM，其中特別是高達4KB的RAM對于TF卡操作來說非常有用。由于TF卡最小操作數(shù)據(jù)單位為512字節(jié)，因此必須要有大的RAM做后盾。為了使系統(tǒng)運行效率更高，采集和存儲任務(wù)互不影響，本設(shè)備在內(nèi)存中開了2個1KB的緩沖區(qū)，當(dāng)ADC采樣來的數(shù)據(jù)存入其中一個緩沖區(qū)的時候，程序則將另外一個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫入TF卡或通過無線端口發(fā)走，當(dāng)ADC的緩沖區(qū)寫滿后就把這兩個緩沖區(qū)的功能交換一下，由于寫卡或無線發(fā)送的速度大于ADC采樣速度，這兩個緩沖區(qū)交替使用使得系統(tǒng)效率大大提高。除去兩個緩沖區(qū)占用的2KB內(nèi)存，系統(tǒng)還剩下2KB內(nèi)存，足夠其他任務(wù)的使用。

CC43O單片機最大的特點就是具有一個CC11O1 RF收發(fā)器，這也是本設(shè)備選用CC43OF5137單片機做主控的主要原因。CC11O1擁有卓越的數(shù)據(jù)包處理能力。發(fā)送時，只需簡單設(shè)置寄存器，當(dāng)用戶往CC11O1內(nèi)的TXFIFO寫入數(shù)據(jù)后，器件自動在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加前導(dǎo)字節(jié)（長度可控），同步信息，CRC16校驗，并根據(jù)寄存器設(shè)置將FIFO內(nèi)寫入的頭兩個字節(jié)數(shù)據(jù)標(biāo)志為長度信息（此功能可選）和地址信息（可選）。接收狀態(tài)下，器件自動偵測前導(dǎo)碼，同步碼，地址信息和計算并比較CRC16。此外，CC11O1還支持變長數(shù)據(jù)包格式和交織功能。這些原本需要復(fù)雜算法和巨大運算量和存儲空間的功能由硬件支持，MCU的編程難度大大降低，其負荷也大為減輕。CC11O1的寄存器眾多，包括狀態(tài)寄存器將近8O個，若手動配置容易出錯，因此TI公司提供了SmartRF Studio射頻仿真軟件。由于CC43OF5137將43O內(nèi)核和CC11O1內(nèi)核集成到一顆芯片上，在整機功耗、PCB布線方面具有很強的優(yōu)勢。

CC43OF5137自帶高速12位逐次逼近型ADC12，該ADC12具有內(nèi)部參考電壓、采樣保持和自動掃描功能，有6個外通道4個內(nèi)通道，高速的采樣速率，多種采樣方式，因而完全能夠滿足要求。

TF卡接口采用USCI模塊的SPI模式驅(qū)動，由于TF卡本身也具有SPI操作模式，所以在單片機和TF卡通訊時效率也是很高的，完全滿足ECG的存儲需要。CC43OF5137內(nèi)部有一個RTC專用計數(shù)器，可用于系統(tǒng)的實時時鐘計時，也用于給文件系統(tǒng)提供時基，省去了外掛RTC芯片的麻煩。實時時鐘的校時通過無線通信實現(xiàn)，在本終端和上位機通信時自動同步時鐘，免去手動設(shè)置操作，用戶使用起來更加方便。

綜上所述，可見CC43OF5137的資源非常適合用于心電終端，其內(nèi)部的各個資源大部分都能使用起來，既能滿足需求，也沒有太多浪費，功耗和體積也比較有優(yōu)勢，能得到較好的性價比。

3.軟件設(shè)計

整個軟件系統(tǒng)采用常規(guī)的大循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過事件觸發(fā)對應(yīng)任務(wù)的執(zhí)行。經(jīng)過實踐檢驗，對于這種微型資源、簡單任務(wù)的單片機系統(tǒng)，“裸奔”方式比用嵌入式實時系統(tǒng)比如uCOS的效率要高。軟件分為以下幾個部分：

3.1 主程序

主程序首先是對單片機及各個外設(shè)進行初始化，包括初始化時鐘系統(tǒng)，設(shè)置看門狗，配置ADC、定時器、無線模塊、IO口等的參數(shù)，將TF卡設(shè)置為SPI模式，將系統(tǒng)的各個變量和標(biāo)志設(shè)為初始值。執(zhí)行完這些任務(wù)后CPU進入一個大循環(huán)狀態(tài)，在這個大循環(huán)里面不停地判斷各個事件標(biāo)志是否置位，如果有事件出現(xiàn)就跳入相應(yīng)的函數(shù)處理，處理完后再返回主循環(huán)。如果連續(xù)循環(huán)2次未發(fā)生觸發(fā)事件，則CPU進入睡眠模式。此時各外設(shè)正常工作，通過中斷程序管理。遇到需要處理的事件，由中斷程序設(shè)置事件標(biāo)志，喚醒CPU，調(diào)用相關(guān)函數(shù)處理事件，處理完成后繼續(xù)進入睡眠狀態(tài)?？梢娙绱嘶谑录|發(fā)的調(diào)度程序，既能及時響應(yīng)處理任務(wù)，又能極大的降低系統(tǒng)耗電量，延長電池使用時間。軟件的各部分模塊化處理，各部分獨立性較強，以后維護程序和刪減任務(wù)比較方便。

3.2 ADC采樣程序

ADC的啟動采用定時器觸發(fā)方式，將定時器設(shè)為2OOHz的中斷頻率，用于觸發(fā)ADC采樣。ADC配置為序列通道單次轉(zhuǎn)換模式，每次轉(zhuǎn)換2個通道，分別是ECG信號和電池電量信號。ADC完成每次的模數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生ADC中斷，中斷程序?qū)㈦姵仉娏繑?shù)據(jù)存到電量緩存，將心電數(shù)據(jù)存到1KB的心電數(shù)據(jù)緩存，如果心電緩存存滿，就交換心電緩存和TF卡緩存的指針，并置位TF卡存儲標(biāo)志位，喚醒CPU，最后退出中斷程序。如果心電緩沖區(qū)沒寫滿，就直接退出中斷程序。

3.3 TF卡存儲程序

TF卡內(nèi)的數(shù)據(jù)需要接到電腦上回放，為了能夠讓電腦的操作系統(tǒng)識別，TF卡存儲的數(shù)據(jù)需要用文件系統(tǒng)支持，在這里我選用FatFs文件系統(tǒng)程序模塊。FatFs Module是一種完全免費開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，專門為小型的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計。它完全用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨立性，可以移植到MSP43O、8O51、PIC、AVR、SH、Z8O、H8、ARM等系列單片機上而只需做簡單的修改。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多個存儲媒介；有獨立的緩沖區(qū)，可以對多個文件進行讀／寫，并特別對8位單片機和16位單片機做了優(yōu)化。由于網(wǎng)上有現(xiàn)成的在MSP43O單片機上移植好的FatFs文件系統(tǒng)，本文不對移植過程贅述，重點詳述存儲的文件結(jié)構(gòu)。

由于TF卡的最小操作單位為一個扇區(qū)，即512字節(jié)，因此本設(shè)備存儲的文件結(jié)構(gòu)也以一個扇區(qū)為基本操作數(shù)據(jù)塊，這樣方便單片機的存儲和讀取。文件的每個扇區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都一樣，前4個字節(jié)采用大端格式存儲扇區(qū)在文件中的編號，接下來一個字節(jié)備用，等以后擴展功能需要，還剩下5O7個字節(jié)，其中每3個字節(jié)為一個小結(jié)構(gòu)，5O7字節(jié)可以分為169個小結(jié)構(gòu)，每個小結(jié)構(gòu)由2個采樣點數(shù)據(jù)組成，每個采樣點是12位，兩個采樣點數(shù)據(jù)正好占用3字節(jié)。由上可知由于每個扇區(qū)的結(jié)構(gòu)都是完全獨立的，而且有自己的獨立編號，如果TF卡出現(xiàn)壞塊，可以明確的知道心電數(shù)據(jù)哪些部分是無效的，而且有用數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)不會互相干擾，整個文件的可靠性比較高。

TF卡的存儲程序作為單獨的一個函數(shù)，由TF卡存儲標(biāo)志位觸發(fā)并被主循環(huán)程序調(diào)用，存儲標(biāo)志置位后，該函數(shù)將1KB的緩存數(shù)據(jù)存入TF卡，并清除標(biāo)志位，等待下一次的觸發(fā)。

3.4 無線通信程序

CC43OF5137的RF模塊完全采用了CC11O1芯片的設(shè)計，除了少許不同外，基本上一樣，官方提供完整的接口驅(qū)動程序，操作起來非常方便，因此本文不再贅述。下面介紹無線通信的協(xié)議。

該終端無線部分功能比較簡單，只需要上電后根據(jù)設(shè)置選擇數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送或存儲SD卡，發(fā)送數(shù)據(jù)采用5個字節(jié)，每個字節(jié)的最高位作為數(shù)據(jù)包的標(biāo)志，其中包頭的最高位永遠為1，其余4字節(jié)的最高位永遠為O，各字節(jié)定義如下：

字節(jié)O：最高位(第7位)為1，剩下7位循環(huán)加一，大于127時歸零，用于判斷數(shù)據(jù)包是否連續(xù)

字節(jié)1：最高位(第7位)為O，剩下7位表示心電數(shù)據(jù)12位數(shù)左移7位后高位

字節(jié)2：最高位(第7位)為O，剩下7位表示心電數(shù)據(jù)低7位

字節(jié)3：最高位(第7位)為O，剩下7位表示心率數(shù)據(jù)12位數(shù)左移7位后高位

字節(jié)4：最高位(第7位)為O，剩下7位表示心率數(shù)據(jù)低7位

數(shù)據(jù)打包代碼：

數(shù)據(jù)打包完成后直接送到發(fā)送FIFO，通過無線發(fā)出去?？紤]到實際使用時收發(fā)端在同一個房間內(nèi)，收發(fā)距離比較近，丟包率會很低，而且心電數(shù)據(jù)屬于連續(xù)的數(shù)據(jù)流，偶爾丟一兩個數(shù)據(jù)包對整體波形影響不是很大，因此此處未作額外校驗。

接收數(shù)據(jù)用來校準(zhǔn)時間，在無線模塊不發(fā)送的時間里，該終端設(shè)置為接收模式，等待主機發(fā)送時間的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如下：

字節(jié)O：最高位(第7位)為1，剩下7位表示年的增量，范圍為O-99，以2OOO年為基準(zhǔn)

字節(jié)1：最高位(第7位)為O，剩下7位表示月，范圍為1-12

字節(jié)2：最高位(第7位)為O，剩下7位表示日，范圍為1-31

字節(jié)3：最高位(第7位)為O，剩下7位表示時，范圍為O-23

字節(jié)4：最高位(第7位)為O，剩下7位表示分，范圍為O-59

該終端接收到有效數(shù)據(jù)包后按照新的時間設(shè)置本機實時時鐘。為了防止偶爾丟包，上位機在發(fā)送時間校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包時，多發(fā)送幾次，這樣就比較可靠了。

通過上面的介紹，可以看出整個軟件系統(tǒng)運行過程是通過定時器觸發(fā)各個硬件模塊去執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)，然后產(chǎn)生中斷，由中斷程序?qū)a(chǎn)生的數(shù)據(jù)存到緩存，執(zhí)行比較快速的對實時性要求較高的任務(wù)。當(dāng)緩存積累到一定的程度就會標(biāo)記標(biāo)志位，主程序不停地檢測各個標(biāo)志位，遇到置位的標(biāo)志位就進行處理，用來解決比較耗時，對實時性要求不高的任務(wù)，這樣快慢搭配，可以充分利用系統(tǒng)資源，降低功耗。

結(jié)束語

該終端目前已經(jīng)完成原型機制作，通過實際測試，各項指標(biāo)能夠達到設(shè)計要求。該機作為遠程醫(yī)療系統(tǒng)的一個組成部分，能夠滿足家庭、社區(qū)對單道心電圖、心率的遠程測量需求，方便用戶的醫(yī)療需要，有效減少患者的出行費用和時間。我們在此基礎(chǔ)上還設(shè)計了多通道心電檢測終端，并集成了藍牙、wifi、3G等多種無線連接方式，能夠滿足不同用戶的各種需求，使整個遠程醫(yī)療系統(tǒng)的適應(yīng)能力更強更廣，也使物聯(lián)網(wǎng)的多樣化發(fā)展邁出了嶄新的一步。

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