0 引言
醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)是利用各種模擬手段，再現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)的工作場景，為學(xué)習(xí)者提供一個無風(fēng)險的學(xué)習(xí)臨床知識和技能的條件與環(huán)境。醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)以其對病人無創(chuàng)、方便、操作可重復(fù)、低成本等優(yōu)勢已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)的主導(dǎo)方式之一。我國在臨床醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)設(shè)備還處于比較低層次上，高端的教學(xué)設(shè)備多數(shù)還以進(jìn)口為主，自主研發(fā)并實際應(yīng)用很少。智能模擬人系統(tǒng)正是在這種情況下填補(bǔ)了現(xiàn)在國內(nèi)市場的空白，滿足我國臨床醫(yī)學(xué)高層次實踐教學(xué)需求。
智能綜合模擬人系統(tǒng)采用目前國際醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)中比較流行的觸覺感知技術(shù)，可以逼真地模擬各種醫(yī)療過程，并對各個過程進(jìn)行實時監(jiān)控。本文主要介紹醫(yī)學(xué)教學(xué)和臨床教學(xué)中常用的除顫，CPR和Ventilation的操作實現(xiàn)方法，它們在醫(yī)學(xué)教學(xué)和臨床教學(xué)中起到了橋梁作用，使受訓(xùn)者的理論和臨床實踐很好地結(jié)合起來，極大地提高了受訓(xùn)者的應(yīng)變能力和現(xiàn)場處理能力。
1 S3C2440介紹
由于所需完成的功能眾多，對體積、功耗和性能諸多方面要求較高，如果用傳統(tǒng)的MCU處理，顯然不能滿足需要，所以這里采用S3C2440作為平臺搭建系統(tǒng)，三星公司推出的16／32位RISC微處理器S3C2440，采用ARM920T的內(nèi)核，0．13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元，采用了新的總線架構(gòu)——AMBA。為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格，低功耗，高性能小型微處理器的解決方案，滿足了系統(tǒng)搭建的要求。
1．1 S3C2440的功能
S3C2440的杰出特點是其核心處理器(CPU)，是一個由Advanced RISC Machines有限公司設(shè)計的16／32位ARM920T、的RISC處理器。ARM-920T實現(xiàn)了MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache。每個都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440減少了整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。
綜合對芯片的功能描述，總共有以下17種功能：
(1)1．2 V內(nèi)核供電，1．8 V／2．5 V／3．3 V存儲器供電，3．3 V外部I／O供電，具備16 KB的I-Cache和16KB DCache／MMU微處理器。
(2)外部存儲控制器(SDRAM控制和片選邏輯)。
(3)LCD控制器(最大支持4K色STN和256色TFT)提供1通道LCD專用DMA。
(4)4通道DMA并有外部請求引腳。
(5)3通道UART。
(6)2通道SPI。
(7)1通道I2S-BUS音頻編解碼器接口。
(8)1通道I2C-BUS接口(多主支持)。
(9)AC97解碼器接口。
(10)兼容SD主接口協(xié)議1．O版和MMC卡協(xié)議2．1l兼容版。
(11)2端口USB主機(jī)／1端口USB設(shè)備(1．1版)。
(12)8通道10比特ADC和觸摸屏接口。
(13)具有日歷功能RTC。
(14)相機(jī)接口(最大4 096×4 096像素的投入支持)。
(15)130個通用I／O口和24通道外部中斷源。
(16)具有普通、慢速、空閑和掉電模式。
(17)具有PLL片上時鐘發(fā)生器。
1．2 S3C2440的主要特性
S3C2440相對于MCU有許多不同的特性，主要應(yīng)用于智能模擬人系統(tǒng)功能的特性包括以下幾方面：
(1)體系結(jié)構(gòu)：加強(qiáng)的ARM體系結(jié)構(gòu)MMU用于支持Linux。
(2)系統(tǒng)管理器：支持高速總線模式和異步總線模式，尋址空間每BANK 128 MB(總共1 GB)，支持掉電時SDRAM自刷新模式。
(3)RTC(實時時鐘)：32．768 kHz工作，具有報警中斷和節(jié)拍中斷。
(4)通用I／O端口：24個外部中斷端口，130個多功能輸入／輸出口。
(5)UART：3通道UART，可以基于DMA模式或中斷模式工作。
(6)A／D轉(zhuǎn)換和觸摸屏接口：8通道多路復(fù)用ADC，最大500 KSPS。
(7)工作電壓：輸入／輸出3．3 V，同時有5 V供電電壓接口。
2 智能模擬人功能實現(xiàn)
2．1 控制箱功能的實現(xiàn)
模型人信息采集模塊是整個系統(tǒng)正常工作的保證，信息采集的精度、可靠度決定了整個系統(tǒng)的性價比。模型人的信息采集分為數(shù)字量信息采集和模擬量信息采集兩部分。
數(shù)字量信息采集主要是采集模型人身上的開關(guān)量，主要包括對模擬人體生命體征監(jiān)護(hù)儀信息、氣管插管術(shù)信息、模擬靜脈給藥信息、模擬胎兒監(jiān)護(hù)儀信息采集、模擬血壓儀的信息和模擬脈搏氧飽和度信息采集。主控制器實時掃描感應(yīng)器終端，拾取感應(yīng)器信息，經(jīng)處理后通過通信系統(tǒng)傳給上位機(jī)。系統(tǒng)采取了系統(tǒng)擴(kuò)展I／O口和主控制器I／O并行與位置傳感器終端相連采取位置感應(yīng)器信息。
具體體現(xiàn)在智能模擬人的控制箱功能包括：APEX，AED，ECG，BP，TEP，SIP的控制，總共需要14個I／O口進(jìn)行配置相應(yīng)的操作，通過GP-IO驅(qū)動定義S3C2440的外設(shè)引腳功能，當(dāng)對I／O口進(jìn)行上電操作時，通過UART向上位機(jī)發(fā)送14位相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而使相應(yīng)的功能實現(xiàn)，具體表現(xiàn)是上位機(jī)的控制箱界面的相應(yīng)功能按鈕將會顯示綠色，否則，表示未啟動功能(此時狀態(tài)為紅色)，具體表現(xiàn)是上位機(jī)的控制箱界面信號燈不顯示，如圖1所示。
2．2 按壓和通氣功能的實現(xiàn)
2．2．1 按壓和通氣功能的特點
模擬量信息采集主要是指心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集，模型人心肺模擬采用氣囊方式，所以心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集采用了氣體壓力傳感器的方式進(jìn)行。系統(tǒng)采用了MPX2010型雙通道壓力傳感器和LM358運(yùn)算放大器組成的信息轉(zhuǎn)化電路分別對CPR中的按壓和通氣的信息進(jìn)行采集。
智能綜合模擬人系統(tǒng)采用了MPX2010型雙通道壓力傳感器和LM358運(yùn)算放大器組成的信息轉(zhuǎn)化電路分別對CPR中的按壓和通氣的信息進(jìn)行采集。MPX2010能提供一個精確的直接與外加壓力成正比的線性電壓輸出，此類傳感器將應(yīng)變計和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)集成在同一硅片上，用激光修正技術(shù)實現(xiàn)精確的量程校正、零位偏差校正和溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器將壓力傳感器輸出的微小電壓信號放大至與單片機(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器相容的電平，使傳感器與單片機(jī)接口匹配。MPX2010特點有：溫度補(bǔ)償范圍在O～+85℃；電源電壓成比例；微分和規(guī)范操作；主要應(yīng)用于呼吸診斷、航空運(yùn)動控制、控制器、壓開關(guān)。
LM358包括有兩個高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。LM358的特點如下：內(nèi)部頻率補(bǔ)償；低輸入偏流；低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流；直流電壓增益高(約100 dB)；單位增益頻帶寬(約1 MHz)；電源電壓范圍寬：單電源(3～30 V)；
CPR信息采集采用了MPX2010型雙通道壓力傳感器，經(jīng)過LM358進(jìn)行線性放大后傳給MCU的A／D采集控制器進(jìn)行采集，電路圖如圖2所示。
在完成之上所述的信號采集后，選用S3C2440自帶的UART串口完成ARM與上位機(jī)軟件的串口通信。
串行接口是S3C2440與外部設(shè)備的主要通信接口之一。只需要1條信號線就可以進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳送。由于線路簡單，價格相對較低，得到了廣泛應(yīng)用。PC機(jī)與下位機(jī)串口連接如圖3所示。
一般情況下，串口通信采用兩種方法：一種方法是利用Windows的通信API函數(shù)；另一種方法是利用Visual C++的ActivateX控件。Windo-ws的API函數(shù)使用起來比較靈活，實現(xiàn)通信的效率也是最高，所以系統(tǒng)采用利用Windows的API函數(shù)進(jìn)行串口通信的開發(fā)。程序中thread_com類對串口操作的WindowsAPI函數(shù)進(jìn)行了封裝，此類實現(xiàn)了對串口同步接收、異步接收以及線程監(jiān)控模式異步接收。thread_com類的成員函數(shù)如表1所示。
2．2．2 通氣和按壓功能的實現(xiàn)
根據(jù)上面所說的情況，可以完成CPR中通氣和按壓功能的實現(xiàn)，將ADC驅(qū)動燒錄至S3C2440進(jìn)行壓力傳感器的信號采集和轉(zhuǎn)換，由于采用的雙路信號，就需要將壓力傳感器的取值范圍分為兩段，取中值后，設(shè)定大于中值時，完成按壓功能響應(yīng)；小于中值時，完成通氣功能響應(yīng)；在不對傳感器操作的時候，不響應(yīng)。在采集到壓力信號的同時，向上位機(jī)發(fā)送8位UART數(shù)據(jù)，進(jìn)行按壓和通氣顯示條的操作，具體表現(xiàn)為：當(dāng)按壓或者通氣值滿足系統(tǒng)設(shè)定的條件時(初始狀態(tài)為藍(lán)色)，按壓或通氣條顯示綠色，否則為紅色。具體如圖4所示。
3 功能實現(xiàn)過程中遇到的問題
用S3C2440可以很好地滿足設(shè)計功能需求，顯示效果也比較滿意，但是在具體實現(xiàn)過程中，遇到很多問題，比如，S3C2440內(nèi)核自帶的ADC驅(qū)動的中斷號和編寫的ADC驅(qū)動的中斷號沖突的問題；一些外擴(kuò)的I／O口已經(jīng)被占用的問題；與上位機(jī)通信過程中，數(shù)據(jù)包的傳輸問題；按壓和同期進(jìn)度條顯示速率的問題等。通過以下步驟可以很容易地解決這些問題：
(1)根據(jù)用戶手冊，重新燒錄Bootload時，要對I／O口進(jìn)行重新配置，使之滿足智能模擬人控制箱的配置需要；
(2)如果不需要使用觸摸屏的話，可以對S3C2440進(jìn)行裁剪，卸載ADC觸摸屏驅(qū)動；如果仍需要使用觸摸屏，可以改用查詢方式完成功能；
(3)對上位機(jī)和下位機(jī)設(shè)置同樣的波特率，并建立鏈表，在滿足條件的情況下，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，避免傳輸數(shù)據(jù)有誤造成的功能顯示問題；
(4)對按壓和通氣進(jìn)度條的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，同時結(jié)合上位機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置加權(quán)系數(shù)，可以完善進(jìn)度條顯示速率問題。
4 結(jié)語
主要討論了用S3C2440開發(fā)智能模擬人控制箱和按壓通氣功能的實現(xiàn)，并介紹了上位機(jī)與下位機(jī)的通信，對在此過程中遇到的中斷號沖突，進(jìn)度條顯示速率過慢等問題，也提出了相應(yīng)的解決的方法。