（生物医学工程专业论文）基于usb接口与windows+xp操作系统的多参数监护系统的设计.pdf

中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h em u l t i - p a r a m e t e rp a t i e n tm o n i t o ra l r e a d yw i d e l ya p p l i e d t oc l i n i c a lo p e r a t i n gr o o mg u a r d i a n s h i pr o o m ，f i r s t a i dr o o m ， i sa b l et om e a s u r et h ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e rs u c ha se c g ， h e a r tr a t e ，p u s l e ，b l o o do x y g e ns a t u r a t i o n ，b l o o dp r e s s u r e ， b r e a t hr a t ea n db o d yt e m p e r a t u r eo nr e a l t i m ec o n t i n u o u s l ya n d n o n i n v a s i y e l y u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) e q u i p m e n ti se a s y t oi n s t a lla n do p e r a t e i tm a ye x p a n di o ，c o s tl o w ，s u p p o r td a t a r e a l t i m et r a n s m i s s i o na n dp r o v i d ec e r t a i ne l e c t r i cc u r r e n t f o rt h ep e r i p h e r a l w i t ht h i st e c h n o l o g yu s i n gi nt h ed e s i g n ，t h e p a t i e n tm o n i t o rc o n f o r m st ot h ed e v e l o p m e n tt r e n d c yo fm o r d e n m e d i c i c a li n s t r u m e n tw i t ht h ea d v a n t a g eo fm o d u l a t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，s m a l la n de a s yt ou s e ，n e t w o r ke c t i ts a t i s f i e s t h ed i g i t a lh o s p i t a l ，t h ec o m m u n i t ym e d i c a ls e r v i c ea n dt h e l o n g d is t a n c em e d ic a ld e m a n d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n df u n c t i o no fam u l t i p a r a m e t e rp a t l e n tm o n i t o rw h i c hi sb a s e do nu s b i n t e r f a c e t e c h n o l o g ya n dw i n d o w sx po p e r a t i n gs y s t e m b yw i d e l ys t u d y i n g i nt h e u s bi n t e r f a c et e c h n o l o n g y ，t h es y s t e mu s e st h eu s b - t o 刈a r ts i n g l ec h i pb r i d g ej o i n tt e c h n o l o g ya n dt r a n s m i t sa l1 m o n it o r i n gm o d u l ed a t at ot h ep ch o s to nr e a l t i m e t h es u r v e y m o d u l ea p p l i e st h eh i g h l y i n t e g r a t e da n dh i g ha c c u r a c y1 2b i t s d a t ag a t h e r i n gc h i pa dpc 8 1 2 ，w h i c hi n t e r n a li n t e g r a t e s8b i t s m c u ( w i t h8 0 5 1c o m p a t i b l e ) a n d8c h a n n e la d ca n dw h i c ha p p l i e s 3 2p r o g r a m m a b l ei 01i n e a n ds t a n d a r du a r ts e r i a lp o r t t h e s y s t e ma p p l i c a t i o np r o c e d u r eu s e st h eo b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n m e t h o d ，c o n t r o l st h eu s bi n t e r f a c ea n dr e c e i v e sd a t af r o mu s b ， u s e st h ep cf o r m i d a b l ec o m p u t a t i o na n dd a t as t o r a g ef u n c t i o n a n dt h eg o o dm a n - m a c h i n ec o n t a c ts u r f a c e ，h a sr e a l i z e dt h e m o n i t o r i n gp a r a m e t e rr e a l t i m eg a t h e r i n g ，d e m o n s t r a t e sa n dt h e p r o f i l ea n a l y s i sc o n t i n u o u s l y t h i ss y s t e m c a nm o n i t o rt h e p h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e rs u c h a sh e a r te l e c t r i c i t y ，b r e a t h ， b l o o do x y g e na n db o d yt e m p e r a t u r ea n ds oo n 4 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 第一章前言 随着现代医学的发展，医学模式逐步由生物医学模式发展到生 物、心理、社会医学模式。这就要求医院由原来的以医生为中心的服 务模式转变为以病人为中心的服务模式，医学研究重点不单单放在疾 病上，更注重健康的研究；医院从单纯医疗型向医疗、预防、保健型 转化，医院的服务也逐步扩大到社区服务。同时，随着电子技术、计 算机技术、数字信号处理技术的不断发展，现代医学仪器不仅要把病 人的各种医学信息准确地检测到，更重要的是要完成医学信息的存 储、处理、传输和输出等功能，实现信息传输和资源共享。 现代医用电子仪器的智能化、小型化、网络化设计，保证了临床 诊治在时间、空间上的精确性，同时也促进了医学社会化。利用和开 发p c 机、单片机等技术，可以使仪器的操作更加简便，减少病人的 麻烦；利用现代集成技术使仪器微型化低功耗，从而可以进入家庭； 医学仪器的网络化可以实现对医学信息的分散收集、统一管理、信息 共享，提高医院的工作质量和工作效率；依赖于通讯技术的发展，远 程医疗适应了因医疗费用的增加和社会老龄化现象加剧而对家庭监 护的需求，也是解决传染性疾病和边远地区医疗问题的很好方案。 多参数监护仪是l 临床中重要的监护设备。医学临床诊断和监护 中，需要实时检测人体的各种生理参数，如：心电信号、心率、体温、 呼吸信号和频率、血压、血氧饱和度等，确定病人当前的生理状况， 以便进行及时的诊断和护理：同时实现信号波形、参数变化的趋向、 5 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 参数的实时显示和打印，对各种参数进行实时监督报警以及信息的存 储。因此，多参数监护仪是一个强实时系统。 传统监护仪器功能不断完善，技术不断升级，但面对更海量的数 据存储和处理、面对联网和数据共享、面对与日俱增的远程医疗需求、 面对农村看病贵、看病难的问题，统筹考虑性价比的时候，传统监护 仪器没有更行之有效的办法。而对于通用p c 机和便携式笔记本电脑 的普及，为满足以上的需求奠定了基础。充分利用这些资源，结合新 技术、新方法的使用将是解决问题的有效途径。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线) 是一种目前广泛应 用于p c 领域的新型接口技术，为p c 的外设扩充提供了一个很好地解 决方案。u s b 便于设备安装和使用，提供单一的、标准的电缆和连接 头，满足几乎所有的中低速设备与p c 机的连接，普通用户即可完成 相应的操作。它具有即插即用特性，更体现了它的便捷：主机自我检 测外设，自动地进行设备驱动、设置；添加或移除设备时，不必关掉 并重新启动计算机，可动态连接和重置外设。u s b 的扩展i 0 能力， 理论上最多可支持1 2 7 个外设，使用标准化接口，还可为外设提供不 大于5 0 0 m a 的电流。u s b 支持实时数据的传输，为医学信息实时检测 和监护、集成语音和压缩影像等各领域功能提供了一个简单的途径， 这也是u s b 技术得以迅速发展的一个重要因素。 基于u s b 上述性能，u s b 外设的应用在我国正处于高速发展的阶 段，使用u s b 进行数据采集和控制已经得到了普及。考虑到u s b 具有 传输速率高、易于连接、支持即插即用和热插拔、可为外设提供一定 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 量供电等优点，将u s b 接口技术用于便携式多参数监护仪的设计，把 采集的生理参数相关的数据进行基本处理后，再将数据传输到p c 机 作进一步的分析处理和信息存储，不仅满足医院、社区和家庭监护的 需要，借助网络可以实现远程监护、资源共享，实现良好的社会效益 和经济效益。 本人所在的项目组多年从事生理信息的检测、多参数监护系统等 医疗设备的设计与开发。为适应市场对医疗监护产品模块化、多功能、 便携式、方便实用、实时信号处理和网络化的发展趋势，本课题通过 监护系统中u s b 接口技术的合理运用，实现产品的性能改善，满足数 字医院、社区和家庭监护、远程医疗的需求。本课题通过技术改进， 利用数字化技术，在减少硬件模拟电路的基础上，设计了高性价比、 低功耗、小型化的监护参数( 心电、呼吸、血氧饱和度、体温) 的信 号采集和数据处理功能模块；数据通讯在硬件电路上采用u s b 转u a r t 桥接器，软件上采用v c + + 编程语言和面向对象的设计方法，多线程 编程，将数据实时传输到p c 机，利用计算机强大的计算和数据存储 功能以及良好的人机界面，实现监护参数的实时采集、连续显示及波 形分析。 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 第二章u s b 简介 2 1 u s b 的定义 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，即“通用串行总线”。 它并不是一种新的总线标准，而是应用在p c 领域的新型接口技术。 u s b 是一种串行总线系统，带有5 v 电压，支持即插即用功能，支持 热拔插功能，最多能同时连入1 2 7 个u s b 设备，由各个设备均分带宽。 u s b 技术诞生于1 9 9 4 年，当时是由p c 界的几位巨头，如康柏、 i 蹦、i n t e l 和m i c r o s o f t 共同推出的，并成为一种串行通信的标准， 至今已广泛地为各p c 厂家所支持。在1 9 9 6 颁布真正的u s b 标准，当 时的标准是u s b l 0 。在1 9 9 8 年，u s b 才迎来实质上的应用，首先是 业界巨头们坐下来制定了新的u s b l 1 标准，使u s b 技术更加成熟可 靠；接着w i n 9 8 发布，宣布正式对u s b 接口提供支持。在这些基础上 u s b 才得以真正发展起来，现在生产的p c 几乎都配备了u s b 接口， m i c r o s f t 的w i n d o w s 9 8 、n t 以及h a c o s 、l i n u x 、f r e e b s d 等流行操 作系统都增加了对u s b 的支持，u s b 成为当今的主流的接口技术。现 在的版本为u s b 2 0 ，我们可以在下面的网址上免费下载u s b 2 0 的规 范，同时也可以找到最新的u s b 信息，b ! 乜；z 么曼婴：坠璺坠：q ! g 。 2 2u s b 特点 u s b 具有许多的优点，当外部设备要连接到计算机上时，u s b 接 口是优先的选择。它具有下列的优势： 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 1 ) 容易使用。当用户将u s b 设备连接到计算机上时，w i n d o w s 操作系统会自动检测该设备，并且加载适合的驱动程序；不需要用户 设置，u s b 外围设备并没有用户设置的选项，例如指定通信端口地址 或中断号码等等。它容易连接，u s b 外围设备是属于外接设备，你不 需要打开计算机机箱来安插扩充卡，通常p c 机至少会有两个u s b 连 接端口，你可以在p c 与u s b 外接设备开机的状态下，插入或是拔掉 u s b 连接头，而不会造成对p c 或是u s b 外围设备的损害。它不需要 电源，u s b 接口包含了+ 5 v 的电源线与接地线，你可以从计算机或是 集线器提供电源。在5 0 0 m a 下u s b 外围设备可以直接使用信道提供的 电源。它具有相同的接口，不同种类的u s b 外围设备可以使用相同的 接口，不必设计另外的连接类型。 2 ) 传输速度快。对于速度方面，u s b 支持三种信道的速度： 低速( 1 0 ws p e e d ) 的1 5 m b s ，全速( f u l ls p e e d ) 的1 2 m b s ，以 及高速( h i g hs p e e d ) 的4 8 0 m b s 。( 注：u s b 标准工d ) 3 ) 价格低。虽然u s b 接口比起以前的接口来得复杂，不过它 的组件与电缆都不贵。与先前的接口比起来，u s b 接口甚至可能只需 更少的花费。如果是低速模式的u s b 设备，其硬件成本会更低。 4 ) 低能耗。u s b 外围设备处在待机状态的时候，会自动启动省 电的功能来降低耗电量。当要使用设备时又会自动恢复原来的状态。 在使用电池来驱动的计算机系统上，这个省电特性特别有用。 5 ) 稳定性。不管是硬件的设计或是数据传输的协议，u s b 都很 稳定。u s b 驱动程序、接收器以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪 9 中i 国t 0 , 和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 声的干扰来产生错误的数据，如果u s b 协议检测到数据有错误，它也 会通知发送端重新传送数据。这些特性都是由硬件来完成的，不需要 另外在程序中拦截错误通知。 2 3u s b 的结构与工作原理 2 3 1 物理结构 u s b 的物理拓扑结构如图2 1 所示。在u s b 2 0 中，高速方式下 h u b 使全速和低速方式的信令环境独立出来，图2 2 中显示了高速方 式下h u b 的作用。通过使用集线器( h u b ) 扩展可外接多达1 2 7 个外设。 u s b 的电缆有四根线，两根传送的是5 v 的电源，另外的两根是数据 线。功率不大的外围设备可以直接通过u s b 总线供电，而不必外接电 源。u s b 总线最大可以提供5 v5 0 0 m a 电流，并支持节约能源的挂机 和唤醒模式。 图2 1u s b 物理总线拓扑 ；。词笾矗如以 。 瓣盖“_ r 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 图2 2 高速工作方式下h u b 的连接 2 3 2u s b 设备的逻辑结构 u s b 的设备可以分成多个不同类型，同类型的设备可以拥有一些 共同的行为特征和工作协议，这样可以使设备驱动程序的编写变得简 单一些。u s bf o r m a 在u s b 类规范中定义了u s b 的设备类型( 图2 3 ) ， 比如音频、通信、h i d 、h u b 等设备类。每一个u s b 设备会有一个或 者多个的逻辑连接点在里面，每个连接点叫端点。在u s b 的规范中用 4 位地址标识端点地址，每个设备最多有1 6 个端点。端点0 都被用 设备类型( d e v i c e设备举例类型常量( c l a s sc o n s t a n t ) c l a s s ) 音频( a u d i o )扬声器 u s b _ o e v i c e _ c l a s s - a u d i o 通信 脚d d e m u s b _ d e c i c e - c l a s s c o m m u n i c a t i o n s h i d 键盘、鼠标 u s b _ d e v i c e _ c l a s s _ h u m a n _ i n t e r f a c e 图像 摄相机、扫描仪u s b _ d e l ，i c e - c l a s s i m a g e 显示监视器 u s bd e v i c e - c l a s s _ m o n i t o r 物理回应设备动力同馈式游戏操纵杆 u s b _ d e v i c e c l a s s p h y s i c a l _ i n t e r f a c e 电源不间断电源供应u s b d e v i c e _ c l a s s _ p o w e r 打印机 u s bd e v i c e _ c l a s sp r i n t e r b u l k 存储器硬盘u s bd e v i c e _ c l a s s s t o r a g e h u b u s b - d e v i c e _ c l a s sh u b 图2 3u s b 设备类型( d e v i c ec l a s s ) l i 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 来传送配置和控制信息。管道实现了在主机的一个内存缓冲区和设备 的端点之间的数据传输，连接端点0 的叫做缺省管道。管道是具有多 个特征的信道，如带宽分配、包大小、管道类别以及数据流向。管道 有两种类型分别是流管道( s t r e a mp i p e ) 和消息管道( m e s s a g ep i p e ) 。 流管道传输的数据包的内容不具有u s b 要求的结构，它是单向传输 的；流管道支持批量、等时和中断传输方式。而消息管道与流管道具 有不同的行为。首先，由主机发请求给u s b 设备，然后在适当的方向 上传输数据，最后是到达一个状态阶段。为了保证三个阶段的数据传 输，消息管道定义了一个数据结构使命令可靠地被识别和传输。消息 管道是双向的，它只支持控制传输方式。对于同样性质的一组端点的 组合叫做接口，如果一个设备包含不止一个接口就可以称之为复合设 备( 见图2 1 ) 。对于同样类型接口的组合可以称之为配置。但是每次 只能有一个配置是可用的，而一旦该配置被激活，里面的接口和端点 就都同时可以使用。主机从设备发过来的描述字中来判断用的是哪个 配置哪个接口等等，而这些描述字通常是在端点0 中传送的。 2 3 3u s b 通讯分层模型 一台主机到设备的连接需要许多层与实体之间的相互作用。u s b 总线接口层提供了主机和设备之间的物理信令包的连接。在系统 软件看来，u s b 设备层执行的是一般的u s b 操作。功能接口层提供和 应用软件层相对应的附加功能。分层模型如图2 4 所示，虽然逻辑上 u s b 设备层和功能层各自与主机上的相应层通信，但物理上都是通过 u s b 总线接口层实现数据传输的。 1 2 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 主机u s b 设备 物理信息流 虚拟信息流 需实现的区域 图2 4u s b 通信分层模型 2 3 4 四种传输方式 u s b 提供了四种传输方式，以适应各种设备的需要。这四种传 输方式分别是： 1 ) 控制传输方式。控制传输是双向传输，数据量通常较小，主 要用来进行查询、配置和给u s b 设备发送通用的命令。控制传输主要 用在主计算机和0 s b 外设中端点0 之问。 2 ) 等时传输方式。等时传输提供了确定的带宽和间隔时间。它 被用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定 的数据传送率的即时应用中。例如进行语音业务传输时，使用等时传 1 1 琶 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 输方式是很好的选择。 3 ) 中断传输方式。中断方式传送是单向的并且对于主机来说只 有输入的方式。中断传输方式主要用于定时查询设备是否有中断数据 要传送，该传输方式应用在少量的、分散的、不可预测的数据传输。 键盘、游戏杆和鼠标就属于这一类型。 4 ) 大量传输方式。主要应用在没有带宽和间隔时间要求的大量 数据的传送和接收，它要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。 在开发u s b 设备时通过设置接口芯片中相应的寄存器使端点处 于不同的工作方式。 2 3 5u s b 通讯协议 u s b 的物理协议规定了在总线上传输的数据格式，一个全速的数 据帧有1 5 0 0 字节，而对于低速的帧有1 8 7 字节。帧的作用是分配带 宽给不同的数据传送方式。一个最小的u s b 的数据块叫做包，包通常 有同步信号、包标识、地址、传送的数据和e r e 。包的i d 由八位组 成，其中后四位是纠错位。根据包功能的不同，在u s b l 1 中定义了 以下四类十种：t o k e no u t i ns o fs e t u pd a t ad a t a o d a t a l h a n d s h a k ea c kn a ks t a l l s p e c i a lp r e 。在u s b 2 0 中又增加了几 种类型的包以满足高速传输的需要。其d a t a 类型增加了d a t a 2 和 m d a t a ；h a n d s h a k e 类型增加了n y e t ；s p e c i a l 类型则增加了e r r ， s p l i t ，p i n g ，r e s e r v e d 。 事务是在主机和设备之间不连续地数据交换。一个事务通常由主 机开始，一般分三个阶段：第一阶段发送t o k e n 包，第二阶段发送是 1 4 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 d a t a 包( 可以向上也可以向下) ，在数据包传送完之后，就会由设备 返回一个h a n d s h a k e 包。当客户端程序通过一个u s b 管道发送或接收 数据时，它首先会调用w i n 3 2 a p i ，a p i 会发送一个i r p 到u s b 设备驱 动程序。u s b 设备驱动程序的任务就是把客户端的请求通过一个管道 发送到外设合适的端点。为了实现这个任务，u s b 设备驱动程序会递 交请求给总线驱动程序，总线驱动程序可以把这些请求转变成事务， 然后将这些事务组合成帧在总线上传输。 由此可见，u s b 技术无论从传输的速度、类型、可靠性，还是从 易用性等终端用户特点，均优于传统的串行接口技术。 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 第三章系统的组成及工作原理 3 1 系统组成 系统由测量模块、u s b 数据通讯组件与笔记本电脑或个人计算机 组成( 参见图4 1 ) 。 测量模块中，集成了心电测量、血氧测量、呼吸测量、体温测量 电路。模块中的参数测量电路负责各生理信息的拾取，它们由两个 5 1 单片机共同控制，分别管理心电、呼吸、体温和血氧饱和度的数 据采集、控制和通讯功能。模块c p u 主要负责a d 采样与简单的数据 处理并接收计算机发来的命令，将处理的数据通过设备端的u s b 接口 传送给计算机。测量模块可以接驳心电导联线、血氧探头、体温传感 器，测量心电、心率、血氧饱和度、脉率、呼吸、体温等生理信号。 计算机端装有u s b 的驱动程序与多参数监护程序。当测量模块通 过u s b 接口插入计算机时，计算机端的监护程序自动识别测量模块。 计算机上的监护程序发出测量启动命令并接收u s b 口传来的数据，测 量数据以波形和数值的形式在计算机上显示出来，从而形成监护的功 能。 3 2 系统工作原理 首先将u s b 测量模块插入计算机的u s b 接口，计算机自动识别 u s b 设备。计算机在识别u s b 测量模块后，向测量模块发送启动测量 命令，测量模块接到启动命令后，通过心电导联、血氧探头、体温传 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 感器采集人体生理数据，经前级放大及处理后，进行模数转换，进入 到测量模块的c p u 中，经c p u 作滤波等数字信号处理，通过u s b 端口， 按照约定的传输协议将数据传送给计算机。计算机收到数据后，按传 输协议将数据解析成与各生理参数相对应的波形数据与数值，然后在 计算机屏幕上显示出来，从而实现监护功能。当拔下u s b 测量模块时， 监护程序自动识别出u s b 设备的离开，停止对数据的接收。 下面分别介绍测量模块及计算机端的设计。 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 第四章测量模块的设计 本设计的多参数监护系统可监护心电、呼吸、体温、血氧等生理 参数，测量模块主要包括：生理参数模拟测量电路、c p u 控制数据采 集和处理、i ) c - d c 隔离，通过u s b 接口与计算机连接，形成监护功能。 图4 1 为多参数监护系统的模块框图。参数测量电路负责各生理 信息的拾取，它们由两个5 1 单片机共同控制。心电、呼吸、体温共 用一个c p u ，实现数据的采集和数据处理、数据通讯和控制功能；脉 搏血氧饱和度测量模块采用高度数字化技术，利用1 6 位a d 将a d 采样前移，减少模拟电路，从而减低电路噪声、提高性能、降低功耗， 独立使用的c p u 完成数据采集、控制信号增益、调节发光强度以及实 现数字滤波等。以上数据流经i ) c - i ) c 隔离后，通过u s b 接口芯片实现 与计算机之间的通讯。 图4 1多参数监护系统的构成 下面分别介绍各参数测量部分的设计及功能。 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 4 i 心电检测 图4 2 为心电检测框图。 图4 2 心电检测框图 心电测量模块将通过导联线引自病人的l m v 左右的心电微弱信号 进行放大、整理。在输入端利用放电管的放电作用可抵御起搏器脉冲 的冲击。输入电路采取抗高频电刀干扰措施设计，避免高频电刀使用 过程中通过电极漏泄造成的灼伤。 考虑极化电压的影响，放大器的增益不宜太高，因而本系统采用 了前置差模放大电路和电压放大电路两级放大的方法。对前置放大电 路的要求是：输入阻抗高、失调温漂小、共模抑制比高、输入噪声小， 前置放大倍数取的比较小( 增益为1 0 倍) ，以避免极化电压的影响。 设计采用的供电电压( 经u s b 电源转换而来) 为8 v ，考虑极化电压 在3 0 0 m y 时，前级放大后为3 v ，不会产生饱和。心电信号通过电极 输入后，通过输入电路整理和导联系统进入高共模抑制比的仪表放大 器a d 6 2 0 差动放大，以抑制共模噪声。后级电路进行放大并完成低通 滤波。一定幅值的心电信号送至采样和c p u 数据处理，最终与主机实 现u s b 通讯。 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 电路中还包括右腿驱动电路以减少共模干扰；电极脱落检测电 路，以实现电极脱落报警功能。 4 2 呼吸检测 图4 3 为呼吸检测框图。 胸前 心电 电极 图4 3 呼吸检测原理框图 呼吸测量是肺功能检查的重要组成部分。本系统设计中，呼吸的 监测不需要专用传感器，是利用人体胸部阻抗随呼吸变化的原理从心 电导联提取呼吸信号。由电路产生频率5 0 h z 幅值不大于1 0 0 l la 的激 励电流，电路输入端提取随呼吸变化的电压信号，通过模拟信号的处 理即可得到呼吸信号。电路的前级通过高频变压器与心电导联r a 、 l a 相连，激励电流通过高频变压器输出到人体，而电压信号( 阻抗 信号) 又通过变压器耦合至前级检测电路，经过放大处理后，送入解 调电路，将信号的包络检出。检出后的信号经过进一步的放大，并利 用反馈控制消除基础阻抗，提取变化的阻抗信号，此信号放大后一路 进行数据采集，一路触发计数电路，并送入c p u 计数呼吸频率。 4 3 体温检测 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 图4 4 体温检测框图 流 体温检测框图见图4 4 。本测量系统设计可同时测量双通道体温， 即体腔温度和体表温度。温度传感器采用国际标准热敏电阻为测量元 件，精度高，传导迅速，测量时间短。温度信号通过精密电路转换为 电压信号。设计有校准电路，实时校准由于环境温度漂移带来的测量 误差。这种设计，无须定期校准，在经过c p i j 数据处理后，既能保证 温度测量的精度又能保证实时校准实时测量。信号采集方面，采用分 时采集，并经过多样值滤波技术减少干扰。 4 4 血氧检测 人体血液中氧浓度的测定在临床上有十分重要的意义。在外科手 术中或危重病人监护中，避免病人缺氧、时刻了解血液中氧含量是十 分重要的。血液中氧的载体主要为血红蛋白，氧合血红蛋白占全血的 百分数即为氧饱和度，表示为： h b 0 2 l o o h b 0 2 + h b 不同波长光的吸收与血液中还原血红蛋白的含量有直接关系，如 图4 5 所示。 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 图4 5光吸收系数与光波长关系曲线 人体对9 4 0r i m 和6 6 0a m 波长的光的吸收可分为几个部分：组织、 静脉血、动脉血，而搏动成份仅由动脉血造成，并引起透射光强的变 化，此变化值用于氧饱和度的计算。 图4 6 为血氧检测框图。 流： 图4 6 血氧检测框图 该部分主要有传感器探头、光源驱动电路、精密电源系统、前级 放大电路及可控增益放大电路等组成。由发光管及光电探测器组成专 用传感器探头。微机控制发光时序脉冲，分时驱动( 红光一红外光一 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 不发光) ，光探测器按时序检测到二种光和背景光的信号，利用专门 设计的去背景光电路排除背景光的干扰，由d a 控制的恒流源电路保 证发光管工作在最佳点。为把微弱的脉搏信号从直流信号和干扰信号 中分离出来，硬件电路设计有电流电压转换、高精度放大、高位采样 电路，软件设计有数字高低通滤波、数字模式识别以及对数据进行加 权递推平均等处理，既保证了探测的灵敏性，又保证了测量输出值的 稳定可靠。 4 5 数据采集和处理的设计考虑 心电、呼吸、体温、血氧等信号经传感器检测到微弱信号、放 大、滤波等处理，送到a d 采样，由c p u 进行数据处理。 4 5 1c p u 微控制器采用美国a d 公司的a dpc 8 1 2 。该芯片是高度集成的高 精度1 2 位数据采集系统，芯片内不仅集成了可重新编程非易失性闪 速电擦除程序存储器的高性能8 位( 与8 0 5 1 兼容) m c u ，还包含了高 性能的自校准8 通道a d c 及2 通道1 2 位d a c ，极有效地简化仪器设 计中数据采集系统部分。该芯片单电源3 v 或5 v 工作，它有正常、空 闲和掉电工作模式，可提供适合于低功耗应用的灵活的电源管理方 案。芯片本身带有8 k b 闪存程序存储器、6 4 0 b 的闪存程序数据存储 器和2 5 6 b 的数据r a m 。芯片集成了全部辅助功能块以充分支持可编 程的数据采集核心，这些辅助功能块包括看门狗定时器( w d t ) 、电源 监视器( p s m ) 以及a d cd m a 功能。另外，为多处理器接口和i o 扩 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 展提供了3 2 条可编程的i o 、1 2 c 兼容的s p i 和标准u a r t 串行端口， 可满足各种串行器件的接口问题。与以往的8 0 c 5 1 单片机不同，a d i jc 8 1 2 具有独特的在线调试和下载功能。 a d i lc 8 1 2 功能方框图见图4 7 。 图4 7 a d l ic 8 1 2 功能方框图 本系统设计中采用2 个a dl lc 8 1 2 分别进行数据采集和处理，一 个a d l ic 8 1 2 用于心电、呼吸、体温参数的数据采集和处理，一个a d l jc 8 1 2 用于血氧饱和度的数据处理，从而保证了血氧饱和度测量控 制运算的需要和整个系统测量时间的实时性。 4 5 2a d 采样 4 5 2 1a d uc 8 1 2 内集成的a d c 心电、呼吸、体温等参数检测的a d 采样采用了a d pc 8 1 2 内集 成的a d c 模块。如上所述，a d l lc 8 1 2 内集成的a d c 模块包含了8 通 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 道、1 2 位、单电源a d 转换器，这些转换器由基于电容d a c 的常规 逐次逼近转换器组成，接收的模拟输入范围为o - + v r e f ( + 2 5 y ) 。该 模块还提供片内基准、校准特性，所有部件能方便地通过3 个寄存器 s f r 接口来设置。总之，a d pc 8 1 2 的a d c 模块具有与一般a d c 芯片相 比的性能，并且操作简单、可靠性高，采集速率可高达2 0 0 k h z 。 为达到规定的性能，基准电压使用外部基准。因片内基准高精度、 低漂移且经工厂校验，其内部基准电压作为一个2 5 v 的参考电源使 用，在v r e f 和c r e f 引脚与a g n d 之间分别连接l o o n f 电容以便去耦， 该去耦电容电路设计中放在紧靠v r e f 和c r e f 引脚处。 仰i lc , 8 1 2 的p l 口用作心电( l e di 、l e d i i 、l e d c ) 、呼吸( r e s p ) 和体温( 矩即、t i l n 、t 2 i n ) 的模拟输入。 4 5 2 21 6 位模数转换器a d s 8 3 2 2 为减少电路噪声、降低功耗和提高测量精度，血氧饱和度检测的 a d 采样采用德州仪器公司的1 6 位模数转换器a d s 8 3 2 2 。该芯片包括 一个1 6 位的基于电容器的s a r ( 连续渐进寄存器) a d c ，此a d c 内置 采样保持功能和一个内部2 5 v 参考基准；还能提供一个全1 6 位的高 速并行接口，并可提供单电极输入及o 一5 v 电压的输入范围。该芯片 在5 0 0 k s p s 全速运行状态下功耗仅为8 5 m w ，具有良好的性价比，特 别适合高精度应用。 4 5 3 软件 多参数监护系统的软件设计主要包括参数检测部分的单片机程 序和p c 机下的应用程序。单片机的程序主要完成：a d 数据采集、数 2 5 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 字滤波计算、u s b 中断服务程序等。本设计选择微控制器时采用美国 h i ) 公司的a d l lc 8 1 2 ，该芯片m c u 与8 0 5 1 兼容，本系统仍采用5 1 汇 编语言，对原有监护产品软件功能模块进行改进，快速便捷地完成多 参数监护系统测量模块的性能升级。同时，为使测量模块尽量体积小、 功耗低，通过软件实现5 0 h z 滤波以替代相应硬件电路的功能。 4 6 隔离电路 监护仪器的设计保证安全有效是最高宗旨，电路和仪器安全是保 证正常使用的前提，因此在电路设计中必须考虑安全指标的要求。 心电输入导联对地漏电流要求小于1 01 1h ，应用端对网电源电解 质强度要求抗4 k v 的高压，为此设计采用电路浮地技术。电源方面， 浮地隔离采用抗3 0 0 0 v 以上的d c - d c 隔离电源和抗1 5 0 0 v 以上的 a c - d c 电源的双重隔离技术。实际应用中采用国内厂家生产的e 0 5 1 2 sd c d c 变换器( 可抗3 0 0 0 v 高压) ，将u s b 电源进行浮地转换， 1 2 v 双路电源为模块测量电路和数字电路供电。而a c - d c 适配器市 场上的合格开关电源都能满足要求。 数字信号的隔离采用隔离度大于2 5 0 0 v 的高速光耦合器，既能满 足高速数据通讯的要求，又能满足信号输入输出端高度隔离的要求。 实际中所选用的为6 n 1 3 7 光耦，它是一种满足t t l 兼容的产品，最大的 输入信号电流为5 m h ，输出电流不低于1 3 m h ，可驱动8 个t t l f l 电路。 最大通讯波特率为l o m b i t s ，电隔离不低于2 5 0 0 v 。 4 7u s b 转u a r t 数据转换器 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 如前言所述，现代医学模式对医学仪器设计提出的智能化、小型 化、网络化等要求，需要建立现代医学诊疗和服务系统。因此，需要 在主机和各种医学仪器之问进行大量实时数据传输，以便主机从医学 仪器中获取各种医学信息，或者实现主机对医学仪器的控制。多参数 监护仪使用中要进行大量医学数据的处理，需要医学仪器既能保证与 主机之间进行高速、有效的通信，又要严格控制接口的大小。 利用传统串口( r s 2 3 2 ) 因瓶颈效应的限制，进行大量数据交换 不能满足主机与仪器间实时数据传输的要求；有些厂家使用厂家专用 通讯协议而不能通用，限制了便携式医学仪器的发展。因此，需要有 一个统一、规范、能实现高速传输的通讯协议。 新兴的串行通用总线( u s b ) 技术克服了传统接口在易用性、扩 展性、速度、成本等方面存在的诸多问题。而利用u s b 转u a r t 桥接 器等，将u s b 接口技术与已有传统串口医学信息检测技术结合，即可 方便快捷地提升产品性能。 c p 2 1 0 1 是一种高度集成的u s b 转u a r t 桥接器，提供一个使用最 小化的元件和p c b 空间实现r s 2 3 2 转u s b 的简便解决方案。该芯片包 含一个u s b 2 0 全速功能控制器、u s b 收发器、振荡器和带有全部的 调制解调器控制信号的异步串行数据总线( u a r t ) ，全部集成在i c 中，无需其他的外部u s b 元件。片内e e p r o m 可以通过u s b 在应用板 上进行编程，这使得在产品制造和调试过程中就可以实现对它进行编 程，使用相应的器件驱动程序即可很容易地将c p 2 1 0 1 用于实现一个 有效的c o m 口。 2 7 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 c p 2 1 0 1 的虚拟c o i l 口( v c p ) 器件驱动程序允许一个基于c p 2 1 0 1 的器件以p c 机的应用软件的形式作为一个增加的c o m 口( 独立于任 何现有的硬件c o m 口) 使用。c p 2 1 0 1 的u a r t 接口处理所有的r s 2 3 2 信号，包括控制和握手信号，所以现存的r s 2 3 2 设计系统固件无需改 动，通过c p 2 1 0 1 即实现从r s 2 3 2 到u s b 的更新。运行在p c 机上的应 用软件以访问一个标准的硬件c o m 口的方式访问基于c p2 1 0 1 的器 件，但p c 与c p 2 1 0 1 器件间的数据传输却是通过u s b 完成的，因此， 无需修改现有的c o m 口应用就可以实现通过u s b 向基于c p 2 1 0 1 的器 件传输数据。 c p 2 1 0 1 是一个可以有u s b 总线驱动的器件，电源由u s b 的、，b u s 信号提供。另外，u s b 挂起和恢复信号支持功能便于c p 2 1 0 1 器件以 及外部电路的电源管理。c p 2 1 0 1 挂起模式出现时，s u s p e n d 和 s u s p e n d 信号被取消，而在c p 2 1 0 1 复位期间会暂时处于高电平，因 此需要使用一个1 0 zq 的下拉电阻来确保s u s p e n d 在复位期间处于 低电平。c p 2 1 0 1 的电路框图见图4 8 。 图4 8c p 2 1 0 1 的示例电路框图 中国协和医科大学中国医学科学院硕士学位论文 4 8 测量模块的功耗 u s b 具有的很大优点之一是主机可以对直接相连的u s b 设备提供 一定的电源供其使用，这类设备称为总线供能设备。u s b 所能提供的 电源电流，使得低功耗的外设完全摆脱了供电的额外设计，这样既降 低了外设成本，又增加了设备的方便性和便携性。 通用u s b 总线可以为外设提供不大于5 0 0 m a 的负载电流，这在很 大程度上解决了外设的电源供电问题。要使用u s b 供电，需要对负载 ( 外设) 进行很好的设计。在多参数监护中，必须较好地控制各检测 参数需要的电源电流以适应u s b 供电的要求。 电路设计中心电单元主要采用低功耗芯片、降低供电电压和单片 机使用低速时钟来降低功耗。在原有简化电路的基础上，将普通运放 芯片l f 3 5 3 和l f 3 4 7 用t l 0 6 4 和t l 0 6 2 代替，运放的功耗下降近1 0 倍。而进一步在电路允许的情况下将供电电压从1 2 v 调整为8 v ， 将c p u 的时钟从过去的1 2 m 改为7 3 7 2 8 m ，经过设计改进，功耗下降