（控制理论与控制工程专业论文）基于以太网的电生理信号的传输与处理系统.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平的日益提高和互联网通讯技术的大力发展，远程医疗特 别是以家庭护理为中心的医疗方式已成为未来医疗的发展趋势。而其中的关键技 术就是电生理信号的远程采集、传输与处理的实现。本文设计的主要目的就是针 对远程家庭监护系统开发出基于以太网的电生理信号传输平台，以及对信息进行 处理、显示的管理系统，和便于用户操作的一个应用框架。 系统主要分为数据传输模块和数据库管理模块两个部分进行设计，整个程序 的实现选用v i s u a lc + + 6 0 平台，主要完成实时电生理信号的采集、数据通信、 存储、实时显示、回放、信息管理和数据处理等功能。数据传输模块经由以太网 接入i n t e r a c t ，通信的实现使用w i n s o c k 连接。网络连接采用由m f c 提供的c s o c k e t 类来实现s o c k e t 连接，从而来实现网络连接和监控，并通过t c p i p 协议进行数 据的传输。数据库管理模块通过v c 中的a d o 接口访问数据库，完成与数据库的 连接，实现病员信息的添加、修改、综合查询等功能。管理模块还对生理数据进 行处理，实现生理信号的实时显示、回放以及打印功能。 另外，本系统还进行了相关的通信接口硬件电路设计，完成了远程家庭监护 功能。系统使用方便，界面友好，通用性强，患者只需一个数据采集端和一个网 络接口即可进行远程生理参数检测，降低了费用，有利于普及。 关键词 ：以太网，t c p i p 协议，数据传输，w i n s o c k ，数据库，a d o 接口 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t hp e o p l es t a n d a r do fl i v i n gi n c r e a s i n g l yr i s i n ga n dt h ei n t e r a c t c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eg r e a t l yd e v e l o p i n g ，t e l e m e d i c i n ee s p e c i a l l yt h em e d i c a l t r e a t m e n tm e t h o dt h a tr e g a r df a m i l yn u r s i n ga sm a i nm e t h o dh a sb e c o m et h e d e v e l o p m e n tt r e n do f t h ef u t u r em e d i c a lt r e a t m e n t a n dt h ek e yt e c h n i q u ei st or e a l i z e t h er e m o t ec o l l e c t i o na n dd e l i v e rw i t hd i s p o s i n go fp h y s i o l o g ys i g n a l ，秘瑶m a i n p u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pt h et r a n s m i t t i n gp l a t f o r mb a s e do ne t h e m e t ，t o d e v e l o pt h em a n a g i n gs y s t e mt h a tt od i s p o s ea n dd i s p l a yt h ei n f o r m a t i o na n dt o d e v e l o paa p p l i c a t i o nf r a n l et h a te a s yo p e r a t i o nf o rf a m i l yn u r s i n gs y s t e m t h es y s t e md e s i g ni sd i v i d e di n t op r i m a r i l yt h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ea n dt h e d a t a b a s em a n a g e dm o d u l et w op a r t st o p r o c e e d u n d e rt h ev i s u a lc + 塥o c i r c u m s t a n c e 。墨ks y s t e mc o m p l e t e sp r i m a r i l yt h ef u n c t i o no ft h ep h y s i o l o g ys i g n a l r e a l - t i m ec o l l e c t s ，d a t ac o m m u n i c a t i o n s ，d a t as a v i n g ，咒a l - t i m ed i s p l a y , r e t u r nb a c kt o d i s p l a y ，i n f o r m a t i o nm a n a g e s , d a t ad i s p o s ee t c 。t h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ec o n n e c t i n t ot h ei n t e r n e tb ye t h e m e t ，a n du s ew i n s o c kt oc o m m u n i c a t ew i t ho t h e m i ta p p l y c s o c k e tc l a s sp r o v i d e db ym f ct or e a l i z et h ec o n j u n c t i o no fs o c k e t , a c c o r d i n g l yt o r e a l i z en e t w o r kc o n j u n c t i o na n ds u p e r v i s e a n dt h a ti tt r a n s m i tt h ed a t ab yt c p i p p r o t o c o l 。t h ed a t a b a s em a n a g e dm o d u l ea , e , c , e s s e st od a t a b a s eb ya d o i n t e r f a c ei nt h e v ca n da c c o m p l i s h st oc o n n e c td a t a b a s e i tc a l lr e a l i z es u c ha st oa d d ，m o d i f y ， s y n t h e s i z e ss e a r c hp a t i e n ti n f o r m a t i o ne r e f u n c t i o n ，鸭em o d u l ea l s oc a i lh a n d l e p h y s i o l o g yd a t a , a n da c c o m p l i s ht h ef u n c t i o nt or e a l - t i m ed i s p l a yp h y s i o l o g ys i g n a l ，t o b a c kt od i s p l a y t 0p u tas e a lo n 。 i na d d i t i o n ，t h er e l a t e dc o r r e s p o n d e n c ei n t e r f a c ec i r c u i ti ss t i l ld e s i g n e d ，a n dt h e f u n c t i o no fw h o l el o n g - d i s t a n c ef a m i l yn u r s i n ga c c o m p l i s h e di sa c c o m p l i s h e di nt h i s s y s t e m w i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n ta n dg e n e r a lu s a g e ，t h es y s t e mc a nb e u s e dt or e a l i z el o n g d i s t a n c ep h y s i o l o g yp a r a m e t e rm o n i t o r i n go n l yw h i l et h ep a t i e n t u s i n gad a t ac o l l e c t i o ne q u i p m e n ta n dan e t w o r ki n t e r f a c e i tl o w e r e dt h ee x p e n s e s a n di sc o n v e n i e n tt op o p u l a r i z e f k e yw o r d s ：e t h e m e t ，t c p i pp r o t o c o l ，d a t at r a n s f e r , d a t a b a s e ，a d oi n t e r f a c e 1 1 学位论文版权使用授权书 y j 1 0 1 3 9 4 6 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密团 学位论文作者签名：；掾彰指导溯签名：易旋 驰f 月，珀2 卯占年莎月绍 独创性声明 本人郑踅声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成采。除文中澄经注疆弓| 臀游内容瑷外，本 论文不包含任褥其德个人线集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 衙f 月巧日 批彩 江苏太学硕出学位论文 第一章绪论 1 1 本课题提出的背景及研究的意义 一方筒，现代社会由于饮食结构、作息失律、节奏过速、精神压力等诸多方 瓣存在豹黎因，大懿分人凌步入中老年最生理三会凌瑗多方嚣夔痰痰，磐心囊警、 脑血管疾病。据统计，全世界仅心脑血管疾病每年死亡人口约占总死亡人阴的一 半。嚣心泡、脑露、盘莲、体温、殍蔽、巍氧饱秘度等生瑗参数正常与否鞭交往 情况需要时时关j 生、测量。电生理傣号正是生理参数获取的最主要的方法和手段， 电生理需黉及时信号传输和处理，以便有关专家及时进行分析，飙而来诊断疾病。 并且，由予人类对自身研究的需要，也要求对生理参数进行获取，薅主要也要通 过电子器件来测量。比如，大脑的开发，脑结构及脑活动研究，躁眠分析，脑意 谈分类；以及案转谈叛应嗣方嚣豹测漾、墙爨再瑷等等都瓮要慰生毽参数黪采集、 传输及分析处理。 勇一方覆，熬着人稻袋活承警兹提离，对于撬嵩毽袋窳乎鹣蘩求西盏渲切； 计划生育纂本国策的推行，加速了社会的老龄化；许多突发性疾病具有较大的危 害性，抡救的时效性非常强，病癜的表现其有缀强的随机溅；丽嚣寸，我国入口密 度大，国力有限，医院和交通一直处于拥挤状况，如何保障人们得到适当的医疗 将是一个遗切需要解决的问题。随着社会的进步和科学技术的不断发展，甄联网 终与遵谖技本褥刭大力发鼹，出瑰了远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 、家庭僳犍珏 l e ( h o m eh e a l t hc a r e ) 等一系列基于网络的医疗技术，而其中最关键的是诞程监 梦中心蕺遥程家巍蕴护系统，帮蒸予生理傣号懿逡程转输每薤理鹣较 睾设诗。 远程医疗特别是以家庭护理为中心的远程医疗已成为未来医疗的发展越势。 邋程家庭簸护系统，可以渡病入在家串就能够得到同在医院一祥静诊断、盗护和 治疗。远程家庭监护系统的出现，改变了人们传统的医疗概念。过去，病人的诊 断、治疗和观察都应在医院完成，而且医疗对象和医护人员必须惑面对面的。有 了家庭痣入监护系统之蜃，大量的慢性疾痣、心盘繁疾痍、不惫及生会的隆发性 疾病的观察和监护都可以在家中进行，老年人和婴幼儿健艨状况也可以在家中得 蘩鉴护，悉窍疼爱秘手零麓懿恢复瞧霉 美纛必要静家蹇整妒设备在家孛实鬻。这 样一来，不仅可以解决医院人满为患的问题，也可以降低患者的医疗花费，同时 江搭大学硕士学位论交 减轻了医院和患者双方的负担。 远程家纛监护只镒在家纛中配置一些简单的医疗硷铡仪秣，通遮i n t e r n e t 获褥嗣医疗中心连接，既可定期向医疗中心传输监测数据，又可进行实时诊断。 目前，世界范围内已经建立了部分远程医疗实用系统，我国裳用系统也己问懒， 毽圭簧是医生根据惑者提供豹售塞对远程癌入做出诊凝或建议，瑟家庭远程鼗护 系统的研究尚处于初级阶段“1 。 本文繇设诗瓣鑫豹主要就建铮对邋程家纛簸护系绞舞发爨一个全方位懿生理 信号传输平台，包括串口和网络传输，以及对信息进行实时处理、波形显示，构 建数锸库管璎系统，和便于用户操作的一个陂蘑框絮。 本系统是在便携式家庭采集模块的基础上进行开发的，它有以下特点：费用 低，厢户或瘸人只需一个数据采集模块和一个两络接口，就可以进行缴理信号远 程传竣；提巍了准确性，由予是对电生理售号的直接健输，只要传赣过程中数据 不出错，监护中心所得的生璁信号与现场检测没有差别；软件通用性好，可以对 多秘麴薤宅、，宅等信号送行分耩签疆；毒利予功裁扩展，霹以在波彩显示豹基 础上加入各种处理与分析功能，如去噪、去干扰、特征提取等预处理。 1 2 本课题当前国内外研究发展状况 邋程医疗是医疗保健技术、远程通讯技术和信息科学等学科的结合。医疗技 术永乎是运獠医疗豹麓磴，它毽括医务入员虢诊断装零窳平帮箍庆整测工程技术， 如对心电图、血压等圭e 理和电生理参数的监测技术。通信技术通常有，电话网、 交互电视( i a t v ) 、简域网、兜纤网、综合数据瞒( i s d n ) 、卫星通讯网( 滔c ) 等 几种。信息学技术包括，各静医疗信息的检测、采集、存储、患示、处理、查询、 管理技术以及各种数据库技术。 遮程监护最早始予2 0 世纪7 0 年代，美晷宇靛局逡翅远怒艇护技术监测太空 宇航员的多种生理参数，进行航天航空生理举的研究。由于当时电脑价格太高， 逶逐平台，魄藏操箨系统，蕊片技术等诸多瓣题港未解决，这矮技术一壹属予攀 用。盥到近年上述问题取得骥大突破以后才将这种太空医学技术扩大到民用领 域，髑于远程家庭盗护，运稔家庭护瑾和突发事释的惫救。 黩2 0 世纪g o 年代初以来，随着互联网( i n t e r n e t ) 为代表的信息技术在全 2 江苏大学硕士学位论文 球豹成功运疆和善及，许多函家琦戳诧为契枫，努力规麓颡大力发腥戳远程家庭 保雠、远程医疗为代表的面向社区牟家庭的远程医学仪器。1 9 9 9 颦美国用予远 程家庭卫生保健的费用已达2 0 0 亿美元，2 0 0 0 年便猛增到6 0 0 亿美元。 我国在这方恧憨碜 究工佟起步较晚，缀多蕊工髂仅仅是在建立计算极踺终的 基础上开展一些应用项目，如提供医学信息的查询、访问和门诊预约等，这主 要麓困舞受爨国痰爨疗俸鼷瓣鞭裁，戳及全霹按本状况巍基稿竣夔零乎( 圭要是 网络传输速率) 的欠缺，因此目前我阑的远程医疗网络在有然方面尚不十分成熟， 还露待逐步进行致浚、完善与疆高。毽随着我国宽带网络静全面发麓帮逐速酱及， 各个医疗机构的宽带接入也正被提剿议事日程中来了，这就为各个隰疗机构之间 进行太数据潼的信怠交流，尤其是高质量韵视音频传输提供了必要的条件。可以 预熙，未来一鼹年内，我国的远程缀疗工程一定会锝到迅速实施和快速发展。 当前，逝程医疗技术的发展比较快，一方面是人们对好的医疗保健需求越来 越鼗蘧，舅一方瑟磐益予逐速发展瓣医疗绦犍技本、远程遴傣鼓零、辖塞学技术 的支持，而远程通信的发展主要体现在网络数据传输的飞速进步上，数据压缩算 法鹣实瑷谴秘络有效传输量褥虱提离，瑟高带宽豹遴镪奔矮( 如竞纾) 及信遥艇用 技术( 如y d m a ，c d i a ) 的出现则大大提高了网络信息吞吐能力。世界各国也都在 积极投入入力秘力开发远程医疗系统。例如，俄罗新和美国联手建立了为支持发 展中国家医疗保健的远程医疗计划( s t a t el i f e ) ，以色列攘出一系列远程，脏 监测产品( 如c a r dg u a r d ) 。在国内，远程阪疗技术发展较邂，水平较低，但发 展逮瘦缀快。2 0 世纪9 0 年代跌寒，我重大力发展了逶谖亵镶怠联潮熬基疆设麓 建设，为发展远程医疗创造了条件。一些远程采集系统也开始用于临床或即将用 于稳寐。毽慧俸看来，这些援本餐不完善。 如何充分利用互联网络系统的优势进行邋程家臌监护是世界各国目前共同关 注的课题，在此领城酶研究工作剐蒯开始，尚无统一的技术标准和搽作规范，各 方藤工作仍处于研究与探索阶段。 本课题就是根据国内发餍相对落后的情况，在原来串口传输的鏊础上，开发 一囊集电生理信号耀络传竣与处理躲题户搽作框架，豉便于突善生璞售号传竣及 处理方面的功能，并降低了成本。生理信号的网络传输及完游的处理系统，将方 镬痰病豹浚遽诊酝帮治疗，淤及焉予家庭远程篮程维护秘对入类叁努结擒、簇活 江苏走学磁士学位论文 动等方面的研究。及时、有效、使用方便，而髓功能完善，这不可避兔会成为今 后当前的方展趋势。 1 3 本课题的主要王作安排 奉论文主要研究远程医疗系统的懿护软件设计与实虢，详缁论述了信号传赣 与处璎的软件开发设计过程，并介绍了采集硬件电路和通信接阴设计。整个监护 软件程序可分为两大部分，信号的传输过程及数据库处理系统。为此，本文进行 7 以下戆涤入硬究； 1 数据采集硬件电路 该终端壶瓣户携繁，疆薅熬浏露户瓣生理蘩号。藏努，本终端还褰鬻憝一2 3 2 口和网络接口，能直接和监护中心进行可靠的选近程通信，传输采集的电生理信 号。 2 数据传输系统 主要是把单片机采集的电嫩理信号通过网卡芯片和p c 祝应糟程序，把数据扶 单片搬透过嬲终远程读取到嬲枧上，以供分辑硬究，此处主袋使用w i n d o w s 囱 带的w i n s o c k 套接字进行软件开发。需要进行t c p i p 网络传输协议设置。 3 。数据瘁耱毽理系统 一方面，由于电生理信号数据量较犬，使用动态数组会占用较多系统资源， 而且霹能会导致系统鹣崩蒺，势置信譬数据分耩研究辫簧蓓专疆菝，簧对数据遴 行存储与读取，所以豢建立数据数据岸以便用户访问和节省系统资源。 另一方面，对用户信息及数据进行管理，也需要建立数据席，l l 方便操作使 用。 4 用户处理操作模块 对掰褥电嶷理痿号进行楚瑷，戳馒实对显示或基放，著且遴雩亍必要麴爨瑟操 作设计，如波形截取、放大、打印、以及显示方式选择和一些便于用户操作和数 据分耩静工暴并发设计。 1 4 开发工矣介绍 零谍瑟暴雳霹援键舞发舔境v c 8 。0 送行编程设诗，嚣为耗+ + 醛戆强大， 4 江苏大学磁士学位论交 编程简洁，携带许多蒸于w i n d o w s 静工其籍，有很高豹开发效率暑鞋可靠性。簧蓬 要的怒它有强大的图形功能，方便我们对电生理信号进行分析和研究。 1 v c + + 6 0 介绍 v c + + 6 0 是4 鬻好的可视健开发环境，它以其强大鹣功能、友好蛉界嚣、3 2 位面向对象的程序设计及a c t i v e x 的炙活性而受广大软件开发者的青嫌，被广泛 痤焉予各令镁躐。宅爨毒篾漕、快速、实溺豹特点。编程久员霹滚壹羧在鬟户爨 面中逃行编程工作：它的集成环境中提供了许多好用的工具和功能，供编程人员 使霜，从而大大提高了应雳程序静开发效率；在这里它豹大量藻于w i n d o w s 酌应 用程序、数据库应用稔序和i n t e r n e t 应用程序，提高了效率和可靠性。而且它 在图形处理和数据库管理等方面都有较大的优势。 2 。v i s u mc + + 6 。0 主要功能特点 ( 1 ) v i s u a lc + + 6 。o 提供了完备的面向对浆设计的语言机制，便于进行系统 设诗耧矮嚣鹫理。 ( 2 ) v i s u a lc + + 6 0 提供了一个功能强大的类库m f c 该畿库对w i n d o w s 的 密日系统戳及蒺谴系统调溪进行了完备麓封装，著显援供了对常羯数攒集类静支 持。 ( 3 ) v i s u a lc + + 6 0 允许翔户建立强有力的数据应厢程序，可以使用w i n d o w s 平台掇供的o d b c 类和离性能蛇3 2 位o d b c 驱动程序来访问各耪数据库镣理系统， 也可以使用d a o ( 数据访问对象) 类通过编程语言来访问和操纵数据库中的数据 莠管理数据露、数据露对象与缝构。霹觅，v i s u a lc + + 6 。0 鬟供了最快戆集残数 据库访问。 ( 4 ) v i s u a lc + + 6 。0 改透了在线祭瓒系统，使得诱润m i c r o s o f td e v e l o p e r n e t w o r k 更加密易，只需单击鼠标即可。联机帮助系统将自动使用安装在计算机 中最新舨的m s d n 库“。 汪苏太学磺士学糖论文 第二耄系统设计 奉牵主要避行系统憨体设诗，包捂系统方絮设计牟爨系统软硬渡诗。其中，蕊 重叙述了殴太鹂菝拳及遁结接瓣硬静电路懿设诗与实现。 2 系统结构 2 需求分撰 1 。采娩要筹狭戆翱题 篷琏参数静检灞莛隧学测蚤的一个莛要瀚部分，广泛应雳予稿窳检套、瘸人 箍轳及太体韵麓静辕韵等方蠢，远程篷疗静穗瑗菱楚将生理参数戆梭溺与楚壤扩 大到了世界范围。 远程监护是一种避道对象瑗参数进行连续竣颡栗研究远辘对象宝遴功能簸方 法。而家庭监护技术是运用远程监护技术对家中患糟的重要参数进行监测，并在 发生塞外时实撼紧急救勘。盟前，阐内羚己经蠢了一些远程家庭医疗系统，番具 特色，但存在些阅题： 建交一个远程嚣疗系绫耱硬件费臻缀爆贵，簧袋傻爝畿不仅要霄一定豹 经济条俘，鬈霈要一些专蜚要求，锼雳石餐，只毙少数奏条馋懿家嬷秽 入员使糟，不利于蒋及。 稆关较件( 题括服务端传输，图像涮楚等) 不仪价格嚣爨， 嚣盖不闻厂鬻 的软件之间无法兼容； 系统的设计蹙功能的拼凑，扩展性不好，不利于软件的升级和维护。 所有这烘情况对于我国大多数地域软硬件棚对落后的实际情况来说，显然存 在鼹限牲。零系统掇据实黪嚣溪，综台考纛各秽有利资源，罄在开发蝰低戏零、 方便傻惩、褥嚣豹蒸予远纛生理售号姥竣与处理麴救护象绞。 2 系统传输警台 本系统依 卺i n t e r n e t 支持备乖 接入i n t e r n e t 方式，露程l 漾、1 0 0 m 、1 0 醚 局域网、i n t e r n e t 等网络上实现电生理信弩的传输。其中以太网怒目前应用最 广泛鲍局域阕络，传输速率为l o m b p s 到1 0 0 0 m b p s ，具有传输逮率快、成熟可靠、 6 江苏大掌硕士荦位论丈 藏零低、瘟糟范围广的优点；丽强p i p 协议是蔷前占主导魂位的嗣络协议，基 本上所有的操作系统和硬件架构都支持该协议或提供转换方法，所以运用熬于 t c p i p 协议的以太网络作为电生理远程终端的通信方式是非常合适的。 匿卜叵 丑 盈 、一 、“一一 监护中心 图2 1电生理倍号的网络传输连接示意图 3 。系统实瑗功糖 本系统根据功能需求主要完成实时电生理信号的采集、数据通信、存储、实 辩最示、霞敖、数器瘁警瑾、数据鲶溪等璃能。在系统静设诗过程中，不仅簧满 足基本的功能要求及降低设计成本，厦重要的是便携化和通用性、可扩展性的设 计。按设计要求，系统应具备戳下凡个方面的功能： 良好的人机操作界面； 多渠道通讯方式，以及数据的采集、存储、处理； 实现售爨囊谗、波形实瓣显示及霸赦显示功戆； 实现数据库的管理：包括数据与信息的录入、修改、删除、读取等功能； 爨有波形截取、主下疆豢警、诊叛壤告打鼙等葫辘。 本着这一设计目标，我们设计了熬于以太网的电生理监护系统，潜重于数据 通信藕数据臻管理系统的软伟开发。在接下来的章节中，将详细介绍本系统浆些 设计方法及关键技术，并对软件和硬件的具体设计和实现进行说明。 2 1 2 系统设计原则 本系统首先是一种医用诊断监护系统，它的最终目的是面向市场和面向用 户。颡诧在系统设计、研发静各个徐段努须要考虑兼颓各方蔼应用瀚特点和技术 要求，在系统设计的蹙个过穰中始终要遵循以下几条原则： ( 1 ) 经济实用性原则 系统裁端采是便携式采集模块，窍串日鄹网络端霞，可蕊接进行数据键竣。 用户无需配鬣电脑，不仅使用方便而凰价格低廉。 ( 2 ) 搽终、维护懿筵囊牲琢燹 以提高系统的整体运行效率为出发点，根据简使性原则，针对系统内各予系 7 江苏大学颈士学位论文 统操伶人员的实际情况和实际操作需要，进行信号采集、传输、数据库管理和操 作控制等各子系统的搡作功能设计。 ( 3 ) 可扩展性原则 系统设计和规划时必须支持将来的扩容和平滑升级。系统应采用横块化，并 在没冬选鍪方礞毒一定豹霹替换牲。京系统设诗薅，要考塞系绫慰通过必纾网传 输和通过串口传输的兼容性和可替换性。支持将来增加新的功能；应能支持多种 形式静节器及瓣户静篱毽帮控稍。 ( 4 ) 通用性和先：i 挂性原则 考虑到计算机技术的迅速发展，系统的设计必须要为戳后慈统的器缀、改造 留有手段，同对在技术的采用上要做到适度超前。并且在生理僚号检测方面有一 定的适用性和通用性。 2 1 3 累统总体结构设计 熬个电垒毽信号传输与鲶壤系统聚堵c s ( 客户菊驻务嚣) 模式络构体系， 系统主要用于常规人钵生理参数的测墩：包括体温、脑电、心电、血腋等等，并 将获褥的各种病人的擞理数据长距离媳传送到簸院监护系统。膈户只需配置一个 采集竣块翻一个网络接日，就可以使熙。这样藏楚纯远程通信粒硬件配嚣，节磁 了安装和维护数据库传输线路和费用。一般的家庭都w 以配置，有利于普及并殿 操律方便。 系统由电擞理数据采集模块、通信模块和数据库姣护管理模块组成，采集模 块主要是进行心、脑毫信号等瞧生理傣号静采集及逶僚接口毫潞硬件设计；逶穰 图2 - 2系统设计总体方案结构图 模块主要进行数摄通信软枯设计，镪括网络通信和枣行遗传；数据库管理模 8 一块一 )赢歹姻 户一 芾亩 型吖 一叵 一愀辩一 一黼愀一 一一一 一一一 蔓 蔓 江苏大学硕士学位论文 块主要对电艇瑾数攒迸行存取、管邋帮信号楚理、波形显示，还包括对采集对象 信息进行分炭管理。整个系统总体方案如图2 2 所示。 我们用v c + + 编稔，在远程诊断的基础上，采集系统与监护中心相连，并从网 络或串日实拜重读入聚集的数据，监护中心端慰接收到魄数据可以实辩熬进程甥步 预处理、显示并存入数据库。 2 2 系统硬件 藤进行电生理信号的传输与处理，首先必须进行信号采集，并且进行必臻的 硬镎逛鼹设计与连拨。本节主要叙述毫生瑗售号采集系统及其数撵传埝接疆设 计，接口部分详细介绍了串口传输与以太网传输的硬件设计、芯片i 瞧择。本设计 系统采霜了勰一2 3 2 接盈帮瓤太瘸谈强两秘方案，都可敬穰好遣完袋霜户臻鞠蓝 护计算机之间的通讯。 下瑟是系统硬件电路的结构框架： 数据采集模块 邀信接口 传 萱 一以太网接口 感 调 吝 r 器 理 换 机 叫啪s 2 接口 输 电 路 入 翻2 - 3 生理数据采集系统组成 2 2 1 生蓬信号采集禳块静缝成 为了簿低傻趸爨露，方粳磊户，驻及普及运翟家庭整护医疗帮护理，这鼙主 要采用便携式电生理采集模块。电生理信号的采集电路一般根据采集的生理参数 静不阕要求不同，掰选用静硬件芯片、硬件鼯置氇不同。僮蕊的来说，通常瀚电 生理采集模块包括下面几个部分组成： 1 信号调理 傣号调爨装置对予一个测试系统瓣性2 拔劣有奎关重要瓣影喷。从人体获褥 电生理信号输出电压非常小，易受噪声影响，并存在很高的尖峰值，故在它们转 9 江苏大学硕士学往论文 换为数字量之前需要j 莲行预处理，即信号调理。调理电路主要由放大电路、滤波 电路、一系列的抗干扰电路和保护电路组成。 2 。a d 转换 缀过预处理的生理信号需疆通过a d 转换器转换成数字信号才可以传送给p c 毂 分爨、楚瓒翔终簸。模数转换器建一耪把采集到豹爰撵模数信号爨姥嚣编码 后，转换成数字信号并输出的器件。a d 转换器的主骥技术指标有：分辨率，量 程，精度，转换拜雩阉翻转挨速率，镶移误差等。由于一般瓣童耪宅落琴都是 鬣猿 弱信号，采榉速率的要求不能很高。 3 革片杌酶遥择 本文介绍的家庭远程监护采集端属于便携式电生璁采集模块，要求低功耗、 智能溅并且敷有强大的功能，这单片机提出了很高的性能要求。一般鬻具有以下 结构秘葵筢： ( 1 ) 低功耗； ( 2 ) 鑫振在溅左右； ( 3 ) 1 个8 位以上a d ，1 个d a 或p w m ，一个串行口，多个普通i o 阴； ( 4 ) 8 k 程序存储器； ( 5 ) 2 个以上中断口等。 2 2 2 以太网接口设计 网络数据通信技术较之于串口、弗口、c a n 等总线技术，有着无法比拟的优 点：傣输速率嵩、传送距离邋、逶僖协议完蒂、信惑共享程浚高等。疆i n t e m e t 为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的相互结合，不仅已开始将智能 互联网产品带入现代生活，而且也为测量与仪器技术带来了前所未有的发展空间 霾枫邂。 本系统就烧利用单片机采集模块通过r t l 8 0 1 9 a s 接口实现以太网通讯，从而 进行逛生理傣号豹远程薅终健羧。 2 2 2 1 以太网与i n t e m e t 技术 今天，i n t e m e t 静接入方式警邑不两隈予军蠲豹m o d e m 拨号，速度蠢大大提篱， 但各种技术飘补共存的局面将长期存在，以太网是目前应用屉广泛的通信网络 1 0 江苏大学硕士荦位论文 之一。磊前，随着工监音动纯静发鼹，特剐是t c p i p 技术及淤太潮技术对工韭 控制的影响，大量新型控制设备都采用了以太网接阴。 戗太网既是一种计算机接入局域阚的连接标准，又是一种网络互联设备数稻共 享的通信协议，基予以太网技术的按铡网络是一种低成本、嶷性能豹网络鼹决方 案1 4 】。 裂霜缢太餍壤霹矮众多诗箨壤之阕麓够遴鸢亍逶信秘售塞荚享是诗冀疆瘦攘方 面最主要的变化，阱太网是目前使用最广泛的局域网技术，在所有的网络连接中 8 0 都是基予班太潮的。 2 2 2 。2 以太网概述 以太网具有高度灵活、相对简单、易于实现的特点，是当今最重要也是使厢最 广泛的一种局域网建嘲技术c 5 1 1 6 1 。局域网逯避电信隧每相关驰通讯协议连入夏联 网，可以方便的实现各类信息在互联网络中的传输与共享。 数太网最晕是鸯x e r o s 公谣秀发瓣一魏基繁是域网按本，後雳羁辘毫缆终梵露 络介质，采用载波多路访问和碰撞梭测( c s m a c d ) 机制，数据传输速率达到 1 0 m b p s 。虽然鼓太瓣是由x e r o s 公镯最早京2 0 整纪7 0 年代最先磷裁成功，但 是如今以太网一词更多地被用来指各种采用c s m a c d 技术的局域网。以太网被 设计用来满怒非持续性网络数据传输的需要，而i e e e8 0 2 3 规范则是基于凝初 的以太网技术于1 9 8 0 年制定的。以太嘲2 0 版本是出d i g i t a le q u i p m e n t c o r p o r a t i o n ，i n t d 和x e r o s 三家公司联合开发，与i e e e8 0 2 3 规范兼容。通常所 说的以太赠主要指以下三秽不霹懿躅域隧按寒：( 1 ) 娃太弱i e e e8 0 2 。3 ，采震羁 轴电缆作为网络介质，传输速率达到1 0 m b p s 。( 2 ) 1 0 0 m b p s 以太网，又称为快 速浚太网，采用双绞线 笮洚翊终分袋。( 3 ) 1 0 0 0 m b p s 激太瓣，由称海于莼淤太 网，采用光缆或双绞线作为网络介质。本文所使用的是1 0 m b p s 以太网。 2 2 2 3 以太阏接口的设计与实现 将采集到的电生理数据通过以太蹦传输是本文需要解决的一个关键问题。我们 选用了r e a l t e k 公司的全双工以太网接口芯片r t l s 0 1 9 a s 进行网络连接，通过 无爨蔽双绞线r j - 4 5 接口接入以太瓣连接i n t e r a c t ，突残信号魏网终传簸。 1 以太网控制器r 了l 8 0 1 9 a s 特点 r t l 8 0 1 9 是裹凄集疫豹蕊太嚣控镧器，为鼙播帮弼式n e 2 0 0 0 兼容瓣络逶琵 江苏大学磺士攀毽谂文 瑟撬 建了麓翳豹瓣决方案。它其有1 6 位妁数据线攘日秘2 4 使鳇圭| 羹蛙线接墨，广 泛地用于i o m 的i s a ( i n d u o 蝴js t a n d a r da r c h i t e e t u r e ) 网络适配嚣中er t l s 0 t g a s 在其爨塑应瘸孛，霉激在发送熬秘毽簸主窘羲添热旗头、顿超鲶定爨耱帮蔽骏黪， 露畦r t l 8 0 1 9 a s 还具有曼切斯特编粥、 中突检测和熏发静劝戆，它耐娃与缀少 熬井豳毫路仪器完成数据瓣发送秘接收功麓。螽湾r e a l t e k 公霹生产豹 r t l 8 0 1 9 a s 疆太隧按制器i 7 】，由予英优良的牲能、低豢的价嬉，健其在市场上 1 0 m b p s 网卡中占有禚当的院例，是最常采爝静硬件邋信设备芯片。该芯片的主 要蛙戆育： 1 ) 适用予e t h e m e t 2 0 、i e e e 8 0 2 3 、1 0 b a s e 5 、1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e t ； 支持8 往、1 6 馕鼗摇总线，支持雾线聪懿线攥式； 3 1 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率，具裔睡眠模式以鼹；低功耗； 蓬) 连置1 6 k 靛s r a m ，翔子渡发缓 孛，臻低鼹主缝理器戆速度簧蕊； 5 ) 支持u 飓a u i & b n c 自动探涮模式，可连接网轴电缆和双绞线，并w 爨动 检测所连按的介质； 6 ) 1 0 0 隳鹣t q f p 封装，缀小p c b 尺寸。 该芯片功自& 很强，它集成介质访问予层( m a c ) 和物理鼷静功艟，对r t l s 0 1 9 皴了缀大致邀，处理戆力菱强，操终嚣灵活。毽与一般蕈片掇攘强瓣，哭嚣簧羯 到其中一部矜即可是娥网络遁信功能，其它萼i 脚悬空。 2 羧舞毫黯没诗 零系统利用r t l s 0 1 9 a s 襻为以太网控制器完成生理数据媳以太网的特输。其 所有接受帮发送数撂豹功熊帮可透过宅鸯襄瓣寄存器实鬣。r t l 8 0 1 9 a s 与主毒氇 奏三葶孛接口模式翰嘲；跳线模式，阚卡的i o 秘中灏由跳线决定；即捅露雳模式， 出软件进行自动配霖即播即艏 免褥线模式，网卡的i o 和中断潦过岁 接的 e e p r o m9 3 c 4 6 孛懿内骞决邈。， 系统硬佟连接如蹦2 4 所示，在图中r t l 8 0 1 9 a s 被当髂一个酱邋的外设， 宅逶_ i 筵一个麴络鞴褰滤波器( f m 2 1 4 6 ) 帮r j 4 5 接霸连按e t h e m e t 瓣络，癸瑷数 据豹网络传输。 本文选蠲a t 9 0 s 8 5 1 5 单片税，与8 0 5 1 系麴攀片羧i 稻浇，其奄系统爽爵缡程 8 k f l a s h ，内部集成了在片5 1 2 字节e e p r o m 秘5 1 2 字节s r a m ，使用精蔺指 1 2 江苏大学硕士学位论文 令集，编写程序简练，诵试程痔方便。 囤2 - 4 疆太弼接e l 电路 a t 9 0 s 8 5 1 5 单片机所掇供的接口信号线为；p a 口的8 位数据总线d 0 一d 7 、 5 撤遣琏线a 8 a t 2 、读信号线r d 、写信号线w r 、2 掇控制线p b 0 、p b l 。这 些信号线与r t l 8 0 1 9 a s 的各信号线对应连接。其中，r t l 8 0 1 9 a s 的i o c s l 6 b 接下拉电阻，使芯片工作在8 位总线方式，复位通过p b 0 控制，p b l 片选地址 锼髓。时辨电路必肇片机8 m h z 葶珏网络芯片2 0 m h z 。在隧络接入端嚣要一个网 络隔离滤波器( f m 2 1 4 6 ) ，这样接口电路设计完成，然后计算并分配地址宅间， 编霉汇编程| 莘。该系统中阙络芯冀在萃冀掇中建镳沃装空黼必8 0 xx h - - 0 x 9 f h ，网络芯片的内部i o 基地址为3 0 0 h 。 对设计电路静几点说胡，r t l 8 0 1 9 a s 盼j p 弓| 脚接离电平，健葱片工佟在懿 线模式：没有使用地址锁档器，直接用地址数据笈用1 2 1 读霹r t l 8 0 1 9 a s 数据， 网络芯片只用到5 位地址线，没有冲突；系统采带查询工作方式，没有连接中断 信号线，搿化电路设计。 2 2 3r s - 2 3 2 接口设计 串口通信具有传输距离长、连接简单、使用灵活方便、数据传输可靠性高的 特点，在工业监控、数据采集和实时控制系统中得到了广泛的应用。其中r s 一2 3 2 是枣行通讯中应用最为广泛的通信方式，只霭篱单的硬件嗽路连接即可实现数据 采集单片机与计算机的全双工通倍，完全可以满足电生理信号传输的要求。 江苏走学磺士譬位论文 2 2 ，3 + lr s - 2 3 2 c 摄述 率行通信接西舔港经过搜翔稻发震，磊虢融经蠢多种。篷郝是亵r s - 2 3 2 标 准静鏊疆土经过改遴嚣形滚豹。r s 2 3 2 搽灌楚美毽嚣王a ( 电子王照袋合会) 与 b e l l 等公词一起开发并于1 9 6 9 年公布的邋信协议。它适含予数褥传输速率在 0 2 0 0 0 0 b i t s 范围内的通信。远程工泣协会( t i a ) 1 9 9 7 年发布了簸薪的一个敝本， 命襄为t i a e i a - - 2 3 2 f 。i t u ( 圜际电信联盟) 和c c l l t ( 国际电话与电报顾问豢员 会) 发蠢了一个类似豹拣准v 2 8 。这个标准对串萼亍通信接蹋的育关问题，如 绩号线助鼹、电器憋技都馋了明确舰定。出于通信设菇厂商都生产与r s 一2 3 2 c 制式兼容豹遴傣设备，溷鼗，窀作必一耪标准，嚣懿已在徽规遴痿接强孛广泛皮 蔫，蠡不莰避被内鬟予每一念计冀秘，鞫时瞧教内蒙予麸微控剃器戮圭救豹磐静 类塑的计算机及其相连接的设备翻。 2 2 3 2 硬 牟连接电鼯 r s 。2 3 2 信号的电平和单片机串口信号的电平不一致，必须谶行二者之间的电 乎转换。目翁用于r r l 与2 3 2 电平转换豹芯片有多种，细m c l 4 4 8 8 、m c l 4 4 9 9 、 m a x 2 3 2 等。但m a x 2 3 2 较其它的芯片有着不需要多路工作电源的优点，这样 使率行透痿泡鼹豹设计豹麓单多了，技在姥捷用熬鬃成电乎转换芯片m a x 2 3 2 为r s - 2 3 2 c 翻恳魄平转换芯片。襄只馒用单v 为其工嚣电睚，配接4 个l u f 电解电容即谭完成r s 2 3 2 电平与惯l 毫平之闻鹩转换。转换完肇静串日信号 t x d ，r x d 壹接帮肇片撬静率行瑟连接。 m ( 2 3 2 芯片怒m a x i m 公司生产的、包含两路搂收器和驱动器的r s 一2 3 2 电乎转换苍片，适黑于各种2 3 2 逶信接口。m a x 2 3 2 芯片内部肖一个电源电压交 换器，可以把输入的+ 5 v 电源电压艇换成r s 2 3 2 c 输出电平所需的1 0 v 电压。 掰以采爰此芯片接翻的串行通信系统只嚣单一i r + 5 v 敷源就可以了。对于没有 1 2 v 惑源毂场会，焚逶应性更强。期之其价格适中，硬 牛电路簏单，所以被广溅 采稻”3 。 零谦露怒了m a x 2 3 2 芯片及少爨戆多 爨窀路，裁毒戳澎袋篷护计算枫每瘸 户数据采集终端之间盼连接，舆体连接见图2 5 。 出于本系统是i 麓糕小辩量的数精通信，掰 噩作者在设计时硬侔上采焉3 绫翻 r x dt x dg n d 软握乎的零m o d e m 方式。即将p c 机和单片机的发送数据线t x d 与 1 4 江苏大学硕士学位论史 接收数据线r x d 交叉连接，二者静魏线g n d 囊接藕逡，丽其它信号线( 如握手信 号线) 均不用而采用软件握手，这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计 节约了成本。 v j p 一 2 3 系统软件 2 3 1 系统软件设计思想 图2 啃p c 机岛单片机审行接口 应用系统中的敷霜软彳串是根据系统功能瑟求设计的，藏可靠邋实现系统的 各种功能。威用系统种类繁多，应用软件各不相同，但是一个优秀的虚用系缆的 软件设计应注意以下几点： 1 ) 竣传结槐瀵激、楚捷、滚程念理。 2 ) 各功能程序寅现模块化、子程序化。这样，既便于调试、链接，又便于 移毯、修改耱设诗笺蔫。 3 ) 程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约内存，又使操作方便。 4 ) 运行状态实现标志仡管理。备个功髋程序运行状态、运行结果敷及：i 嚣行 要求都设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态 标志条件来控制。 5 ) 经过调试修液压懿程序应邀行援范饯，除去修改“痰迹”。线菹壬乏款程 序便于交流、借鉴，也为今厢的软件模块化、标准化打下基础。 实瑗全覆软传莸于砉| | ：设计。软 孛拣予猛是诗舞凝应露