摘 要： 介紹了基于ARM嵌入式微處理器S3C44B0X的心電血壓檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及主要特點，給出了其軟硬件設(shè)計方法。該系統(tǒng)人機接口簡單、使用方便，實現(xiàn)了對人體心電、血壓信號的采集、顯示、打印和傳輸。使用結(jié)果表明,該方案穩(wěn)定可靠、測量結(jié)果準確。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換 PS2鍵盤 通用串行總線
近年來，心臟病和高血壓的患病率逐年增高，動態(tài)心電圖和血壓監(jiān)測為心血管疾病的預測、診斷和評估提供了極有價值的信息。隨著嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)用儀表中的廣泛應用，本文介紹了一種以Samsung公司的S3C44B0X為核心的集血壓和心電檢測功能于一體的便攜式家庭健康監(jiān)護系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用ARM的片內(nèi)資源，實現(xiàn)了人體心電、血壓信號的采集、顯示、打印和傳輸。儀器硬件主要由S3C44B0X主控芯片、心電放大電路、血壓檢測模塊、存儲系統(tǒng)及外圍接口電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。S3C44B0X內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器用于采集心電信號和血壓信號，LCD用于顯示數(shù)據(jù)，微型打印機用于輸出心電圖波形，用戶可通過外接PS2鍵盤控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括選擇檢測血壓或心電、數(shù)據(jù)的顯示和打印等。此外，USB接口可將采集數(shù)據(jù)傳送至計算機以便通過Internet進行專家會診。
1 信號調(diào)理電路
1.1 血壓檢測模塊
人的心臟在射血過程中，主動脈的輸出能加速整個存在于血管中的血液的流動，而血液的慣性則阻礙這個過程，即加速作用只影響到主動脈起始段中的血液，并在此處使壓力升高，引起壓力脈搏，這就是測量血壓時所需要的兩個信息：壓力與脈搏。由這兩種信號可以測定人體最高血壓(收縮壓)和最低血壓(舒張壓)，并計算出脈搏數(shù)，因此要獲取這兩種信息，就是利用心臟搏動時對血管壁的壓力，將脈搏信號和壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。血壓測量模塊如圖2所示。壓力傳感器選用Motorola公司的壓力傳感器MPX53GP02，它具有精確度高、線性度好、成本低等特點，使壓力/電信號轉(zhuǎn)換公式和系統(tǒng)血壓測量的定標操作都得以簡化，節(jié)約了軟硬件資源。MPX53GP將袖套內(nèi)的壓力信號經(jīng)過放大、濾波處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器。脈搏信號經(jīng)放大器、鑒別電路、箝位整形后送S3C44B0X外部中斷計數(shù)。
1.2 心電采集模塊
心電信號是從人體體表拾取的微弱電信號，一般只有0.05～5mV，信號頻率比較低，頻譜范圍在0.05～100Hz之間，具有微弱和易受干擾等特點。心電放大電路包括前置放大、RC高通濾波網(wǎng)絡、100倍的后級放大、RC低通濾波網(wǎng)絡及右腿驅(qū)動等模塊。心電采集模塊如圖3所示。前置放大電路采用了低功耗、高精度儀表放大器AD623。它具有高輸入電阻、低輸入偏置電流、低噪聲和高共模抑制比等特點，可通過1腳和8腳間的外接電阻Rg來設(shè)置增益(1～1000)。由于體表液體與電極之間可能形成原電池，致使電極之間存在固定的電位差，為避免飽和差分放大的增益不能太高，設(shè)定AD623增益為10。后級采用TL084等通用運放構(gòu)成同相主放大電路，增益可以高達100倍，這樣整個電路放大倍數(shù)可以達到1000倍。兩級放大電路之間必須進行直流隔離。
心電檢測過程中，存在很多干擾。主要有電極移動引起的基線漂移(一般小于1Hz)、工頻干擾、肌電干擾(幾百Hz以上)。因此將濾波器的通頻帶設(shè)置為0.15～100Hz，這樣的帶寬基本上保留了心電中大部分有用成份，能滿足一般臨床需要。0.15Hz高通采用RC微分實現(xiàn)，100Hz低通采用三階巴特沃思濾波器。用有源雙T網(wǎng)絡濾除50Hz工頻，Q值不能太大，否則電路不穩(wěn)定。一般情況下，硬件電路不能完全濾除干擾，可借助軟件進行數(shù)字濾波。此外，右腿驅(qū)動電路和屏蔽驅(qū)動電路是心電放大系統(tǒng)前端的兩個附屬電路，右腿驅(qū)動電路是為了防止外界電磁干擾在人體內(nèi)產(chǎn)生位移電流，而屏蔽驅(qū)動電路則是為了增加共模信號的抑制。
2 S3C44B0X外圍接口電路
S3C44B0X是Samsung公司推出的基于ARM7TDMI的精簡指令系統(tǒng)的32位高速處理器，它的工作電壓為3.3V，片內(nèi)帶有8個Memory Banks，用于管理外部存儲器，最大存儲容量達256M；兩路UART口，最高傳輸速率為115200bps；71個I/O口，包括8個外部中斷源，可用于鍵盤、LCD背光、照明控制等；LCD控制器，支持單色，4、16級灰度的LCD模塊；內(nèi)置PLL鎖相環(huán)，可以設(shè)置系統(tǒng)工作頻率，最高為75MHz；一路多主機I2C總線、一路SIO總線；四種系統(tǒng)工作模式；一個8路復用10位A/D轉(zhuǎn)換器[2]。片內(nèi)功能部件齊全，能很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計的需求。系統(tǒng)硬件電路如圖4所示。
2.1 存儲器接口電路
S3C44B0X自身不具有ROM，系統(tǒng)中選用Flash ROM SST39VF160來作為代碼存儲器，其映射在處理器的BANK0地址空間，系統(tǒng)上電復位時處理器就自動從0x00000000地址處開始取指令運行程序。考慮到S3C44B0X是按照字節(jié)編址，而Flash ROM 是以16位為一個存儲單元，故Flash ROM的A19~0對應連接S3C44B0X的ADDR20~1，偏移了1位，其片選信號與處理器的nGCS0相連，將BANK0的數(shù)據(jù)總線寬度設(shè)定為16位，即OM1~0=01，在BANKCON0寄存器中設(shè)置tacc=0x6, tacp=0x0。
采集、存儲大量數(shù)據(jù)需要的內(nèi)存較大，本系統(tǒng)選擇了SDRAM-HY57V 161610D[3]。它的數(shù)據(jù)寬度為16位，由兩個BANK組成，共2MB的存儲容量。由于S3C44B0X的BANK6、7支持SDRAM，本身提供了和SDRAM進行直接接口的解決方案，所以只要對與存儲器控制器相關(guān)的寄存器進行適當配置即可。在BWSCON寄存器中設(shè)置BANK6的數(shù)據(jù)寬度為16位，在BANKCON6寄存器中設(shè)置MT=0x3,tred=0x0, SCAN=0x0。
2.2 A/D接口電路
S3C44B0X內(nèi)置8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)用兩路A/D轉(zhuǎn)換通道(AIN0~AIN1)分別獲得心電、血壓信號的采樣數(shù)據(jù)。由于不帶采樣保持電路，僅在較窄頻帶(0~100Hz)范圍內(nèi)的信號才可能獲得正確的采樣結(jié)果，若設(shè)置ADCPSR寄存器為20，則10位A/D轉(zhuǎn)換的時間置為10μs。編程時要注意避免通道間切換延遲所引起的錯誤。
2.3 USB接口電路
由于心電數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)采用USB通信接口芯片USB9603實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速傳輸。USB9603是9602的改進型，使得對USB通訊的編程相對簡單些，它支持USB1.1協(xié)議的節(jié)點控制器，內(nèi)置7個FIFO端點，其中包括1個雙向控制端點、3個發(fā)送端點和3個接收端點。該芯片沒有專用的USB通信命令集，要通過對芯片內(nèi)的各寄存器的操作實現(xiàn)USB通信的控制功能。具體措施:USB控制器與S3C44B0X的BANK3連接，即nGCS3作為USB9603的片選線，S3C44B0X的低8位數(shù)據(jù)線D0～D7與USB9603并行數(shù)據(jù)線相連，USB9603的引腳MODE0和MODE1接地，配置為非復用方式工作；引腳A0作為USB9603片內(nèi)寄存器的選擇線，尋址訪問各寄存器對USB9603的讀寫操作時，分兩個周期：首先把A0置為高電平，將待訪問的寄存器的地址從數(shù)據(jù)線D0~D7寫入USB9603，然后在第二周期把A0置為低電平，由數(shù)據(jù)線實現(xiàn)相應寄存器的讀寫操作。將USB9603的INTR引腳連接到S3C44B0X的外部中斷EXINT1上，設(shè)置USB為中斷請求模式。這樣，整個USB通信過程主要是處理包括接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)在內(nèi)的各種中斷事件。
2.4 電路鍵盤接口及LCD顯示
鍵盤顯示以PS2鍵盤配合LCD液晶顯示模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的矩陣按鍵和數(shù)碼管顯示，無需鍵盤顯示驅(qū)動芯片而與S3C44B0X直接連接，接口簡單方便。PS2鍵盤接口為mini-DIN6引腳連接器，通過DATA、CLK與S3C44B0X的PC4、EXINT0引腳連接。這里只涉及PS2鍵盤向S3C44B0X發(fā)送數(shù)據(jù)的單向通信，S3C44B0X作為主機對總線有控制權(quán)。PS2鍵盤在時鐘作用下向S3C44B0X發(fā)送鍵值數(shù)據(jù)，S3C44B0X在時鐘下降沿接收數(shù)據(jù)，時鐘信號由PS2鍵盤內(nèi)部產(chǎn)生。PS2鍵盤發(fā)送時序及數(shù)據(jù)格式如圖5所示。目前使用的PS2鍵盤都默認采用第二套掃描碼集。掃描碼分為通碼和斷碼兩種類型，當一個鍵被按下時，鍵盤將該鍵的通碼發(fā)送給S3C44B0X，而該鍵被釋放時鍵盤會將其斷碼發(fā)送給S3C44B0X。S3C44B0X通過外部中斷EXINT0串行讀取鍵值的通碼與斷碼來確定按鍵，從而選擇系統(tǒng)的工作狀態(tài)。第二套掃描碼集可見參考文獻[4]。
S3C44B0X內(nèi)置LCD控制器，可以通過編程控制相應的寄存器值，以適應不同的LCD顯示板。本系統(tǒng)選用EPSON公司的TCM-A0902單色、320×200LCD模塊，可直接通過S3C44B0X的BANK2來控制。為保證顯示正常，對LCD操作時應加入適當?shù)难訒r。
3 軟件設(shè)計
編程調(diào)試、軟件仿真是在SDT2.5的調(diào)試平臺上用標準C語言完成的，系統(tǒng)軟件由初始化、PS2鍵盤處理、A/D轉(zhuǎn)換、LCD顯示及USB通信幾部分構(gòu)成。初始化是通過Bootloader完成對S3C44B0X外部中斷、內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器、I/O口及LCD控制器的設(shè)置；鍵盤處理是通過外部中斷EINT0讀取鍵值，按預定鍵值設(shè)置系統(tǒng)的工作模式，完成數(shù)據(jù)的采集、顯示、打印及傳輸?shù)裙δ埽恍盘柕娘@示則是從S3C44B0X的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)送LCD顯示；USB接口部分主要是固件程序的開發(fā)，完成與計算機的通信，可根據(jù)芯片廠商提供的固件開發(fā)包來完成。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。
本文介紹了利用S3C44B0X微處理器作為核心控制器件，充分利用其片內(nèi)外設(shè)資源實現(xiàn)了對血壓、心電信號的采集、顯示、打印與傳輸。系統(tǒng)實用性強，人機接口簡單可靠，體積小、功耗低、便于攜帶，可以方便地在家庭中和社區(qū)內(nèi)使用，是一種經(jīng)濟實用的健康監(jiān)護系統(tǒng)。
參考文獻
1 Samsung Electronics. S3C44B0X User Manual. http://www.samsung.com.2000
2 胥 靜.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例詳解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005
3 蕭世文. USB2.0硬件設(shè)計[M]. 北京:清華大學出版社，2002
4 Chapweske A著, Roy S譯. PS/2技術(shù)參考.2002
5 汪葉斌,趙繼敏. ARM CPU S3 C44B0X在水表智能抄表系統(tǒng)中的應用.電子技術(shù)應用,2001;(9):28~30