（生物医学工程专业论文）嵌入式无线多生理参数监测系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en e t w o r ka n dt h ep o p u l a r i z a t i o no ft h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y , t h em u l t i p l ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e ma n d r e m o t em e d i c a lf i e l d se m e r e da r a p i dd e v e l o p m e n ts t a g e i n t h e f u t u r e ， m i n i a t u r i z a t i o n , w i r e l e s sm o m t o r i n gs y s t e mw i l lb et h et r e n do fm o n i t o t i n gs y s t e m e m b e d d e dw i r e l e s sp d a - s t y l em u l t i p l ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sm o n i t o r i n gs y s t e m w i l lh a v eg o o da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ec u r r u n ts t a t u so fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h et e c h n i c a l l e v e lo fd o m e s t i ca n df o r e i g nm o n i t o r i n gs y s t e m ，a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o n so f e m b e d d e ds y s t e m sa n dw i r e l e s st e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fm o n i t o r i n gs y s t e m o nt h eb a s i so fr e q u i r e m e n ta n a l y s i s , w ep r o p o s e dam o n i t o r i n gs y s t e m s o l u t i o nu s i n gw i r e l e s sd a t at r a n s m i tt e c h n o l o g ya n dt h e ns t u d i e dt h ep r e c e p to f w i r e l e s sd a t at r a n s m i te m b e d d e ds y s t e mi nd e s i g n i n go u rm o n i t o r i n gs y s t e m w e c h o o s ei sr f ( r a d i of r e q u e n c y ) a st h ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a f t e ra n a l y z i n gm a i n s t r e a mr fc h i p s ，w ec h o s en r f 2 4 0 1a n dd e v e l o p e dt h e n r f 2 4 0 1r fm o d u l e w e i e a e de m b e d d e do m a p 5 9 1 2d a a l - c o r ep r o c e s s o ra n d m o n t a v i s t al i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma so u rm o n i t o r i n gs y s t e ms o l u t i o n , a n dt h e n d e v e l o p e dt h en r f 2 4 0 1m o d u l e , u s ba n dw i r e l e s sl a nc a r dd e v i c ed r i v e ro f e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i nt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m ，w er e c e i v e dt h ed a t a o fr e a l - t i m ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r st h r o u g hn r f 2 4 0 1m o d u l e ，t h e nt r a n s m i t t e di t t ot h ew i r e l e s sl a nt e r m i n a lt oa c c o m p l i s ht h er e a l - t i m ed a t as t o r a g e c u r r e n t l y , t h es y s t e m a c h i e v e st h er e a l t i m e p o i n t - t o - p o i n t w i r e l e s s t r a n s m i s s i o no ft h ee c ga n db l o o do x y g e ns a t u r a t i o ns i g n a l s , a n dp r o c e s s e st h e r e a l t i m ed a t as t o r a g et h r o u g ht h ew i r e l e s sl a n t h u sv a l i d a t 鸥t h ef e a s i b i l i t yo ft h e s y s t e md e s i g n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , w i r e l e s sm o n i t o r i n g ，0 m a p 5 9 1 2 ，w i r e l e s sl a n n 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经意表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鎏盘茔或其他教育机构的学位或证书：百使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确i 勺说 明并表示谢意。 ? 学位论文作者签名：口井j 侈 签字日期：加。7 年f 月? 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关傈留、使用学位论文的规定，有更保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本授 权逝姿蠢鲎可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ) 学位论文作者签名：谚彳幸乡 签字日期：2 e 口7 年f 月f z 日 导师签名：1 叶、忱 i 签字日期：三卯1 年月2 1 9 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：书罕壹半导倒喃嬲 电话：2 3 够嘶 通讯地址：浑抖i 南山磁 设园高新申二遂嫱蜉匆走巷 邮编：由舻护d 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 嵌入式系统的发展与现状 1 1 1 什么是嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机 系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的 应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 依据英国电机工程师协会的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器 或甚至工厂运作的装置i l j 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理 器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图形控制器等。软件部分包括 操作系统软件( 0 s ) ( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。有时设计人 员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统 控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特点： 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。 3 ) 可扩展的处理器结构 4 ) 嵌入式微处理器功耗很低 因此，。嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要 素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。嵌入式系统按形态可分为 设备级( t 控机) 、板级( 单板、模块) 、芯片级( m c u 、s o c ) 1 1 2 , 嵌入式系统的发展与应用 由于网络与通信技术的发展，嵌入式系统在经历了近2 0 年的发展历程后， 又进入了一个新的历史发展阶段，即从普遍的低端应用进入到一个高、低端并 行发展。并且不断提升低端应用技术水平的时代，其标志是近年来3 2 位m c u 的发展【2 】 在8 位机的低端应用中，嵌入对象与对象专业领域十分广泛而复杂；而当 前3 2 位m c u 的高端应用则多集中在网络、通信和多媒体技术领域，3 2 位 m c u 将会集中在少数厂家发展的少数型号系列上。 传统电子系统智能化对8 位机的需求使这些厂家将主要精力放在8 位机的 发展上，形成了3 2 位机发展迟迟不前的局面。当网络、通信和多媒体信息家电 一1 一 浙江大学硕士学位论文 业兴起后，出现了嵌入式系统高端应用的市场 在嵌入式系统的高端应用中，a r m 公司推出了3 2 位a r m 系列嵌入式微 处理器，以其明显的性能优势和知识产权平台扇出的运行方式，迅速形成3 2 位机高端应用的主流地位。 网络、通信、多媒体和信息家电时代的到来，无疑为3 2 位嵌入式系统高端 应用提供了空前巨大的发展空间；同时，也为力不从心的8 位机向高端发展起 到了接力作用。3 2 位机的市场需求发展由两方面所致：一方面是高端新兴领域 ( 网络、通信、多媒体和信息家电) 的拓展；另一方面是低端控制领域应用在 数据处理能力的提升要求。 后p c 时代的到来以及3 2 位嵌入式系统的高端应用吸引了大量计算机专 业人士的介入，加之嵌入式系统软，硬件技术的发展，导致了嵌入式系统应用模 式的巨大变化，即使嵌入式系统应用进入到一个基于软硬件平台，集成开发环 境的应用系统开发时代，并带动了s 0 c 技术自q 发展。 1 1 3a r m 嵌入式平台介绍 a r m 公司不生产和销售芯片。它只出售芯片技术授权。目前，基于a r m 技术的处理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片7 5 的市场份额。目前，a r m 技术 的口核在无线设备，蓝牙。互联网，消费电子，汽车，海量存储设备，成像设 备和安全产品等等领域已经取得很大的成功p j 。 a r m 处理器目前包括下面几个系列的处理器产品以及其他厂商实现的基 于a r m 体系结构的处理器： a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 e ，s e c u r e c o r e ，i n t e l 的x s c a l e 与 s t r o n g a r m ，a r m 与d s p 集成的双核或者带a r m 核的多核系列。 这些处理器最高主频达到了8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w ，m h 匕。对于支持 同样a r m 体系的处理器，其软件是兼容的这些处理器广泛应用于以下领域： 开放应用平台，包括无线系统，消费产品以及成像设备等。 实时嵌入式应用，包括存储设备、汽车、工业和网络设备 安全系统，包括信用卡和s i m 卡等。 a r m 可以支持用户，快中断、中断、管理、中止、系统和未定义等七种 处理器模式，除了用户模式外，其余的均为特权模式。这也是a r m 的特色之 一，可以大大提高a r m 处理器的效率 a r m 架构的处理器芯片都嵌入了在线仿真i c e r t n 逻辑，便于通过j t a g 来仿真调试a r m 架构芯片，可以省去昂贵的在线仿真器。另外，在处理器核 中还可以嵌入跟踪宏单元e t m ( e m b e d d e dt r a c em a c r o c e l l ) ，用于监控内部总 线，实时跟踪指令和数据的执行。 a r m 架构具有协处理器接口，这样，既可以使基本的a r m 处理器内核 尽可能小，又可能方便地扩充各种功能。a r m 允许接1 6 个协处理器，如c p l 5 用于系统控制，c p l 4 用于调试控制器。 另外，a r m 处理器核还具有片上总线o c b ( o nc h i pb u s ) 的a m b a 一2 一 浙江大学硕士学位论文 ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r b u s a r c h i t e c t u r e ) a m b a 定义了三组总线：先进 高性能总线a h b ( a d v a n c e dh i i g hp e r f o r m a n c eb u s ) 、先进系统总线a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 和先进外围总线a f b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。通 过a m b a 来方便扩充各种处理器及i o ，这样，可以把d s p 、其他处理器和i o ( 如v a r t 、定时器和接口等) 都集成在一块芯片中。 以下介绍一下几个主要类别的a r m 体系的特点。 a r m 7 系列处理器是低功耗的3 2 为r i s c 处理器。它主要用于对功耗 和成本要求比较苛刻的消费类产品，其最高主频可以达到1 3 0 m i p s 。 a r m 7 系列包括a r m 7 t d m i 、a r m t d m i - s 、a r m 7 e j - s 和a r m 7 2 0 t 4 种类型。 a r m 9 系列处理器使用a r m 9 t d m i 处理器和，其中包含了1 6 位的 t h u m b 指令集。a r m 9 系列包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t3 种类型，其主要特点有： 支持3 2 为a r m 指令集和1 6 为t h u m b 指令集 五级整数流水线 单一的3 2 位a m b a 总线接口 a r m 9 e 系列处理器使用单一处理器内核提供了微控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，减小了芯片大小以及复杂程度，降低了功耗 该系列包括a r m 9 2 6 e j - s ，a r m 9 4 6 e j s 和a r m 9 6 6 e - s3 种类型。其 主要特点有： 支持3 2 为a r m 指令集和1 6 为t h u m b 指令集，包括d s p 指令集。 五级整数流水线 集成的实时跟踪和调试功能 单一的3 2 位a m b a 总线接口 1 2 课题背景一监护系统的发展 1 2 1 生理参数监护系统的现状与发展 医疗监护仪是现代医疗中一种不可缺少的重要设备，通过2 4 小时对病人各 种生理机能参数的监测及分析，当参数超出某一数值时发出警报，提醒医护人 员或病人家属进行抢救。其监测参数是医护人员诊断和治疗及抢救的重要参考 指标1 4 】。 监护仪功能各异，其基本工作原理也不相同，但一般都是通过传感器感应 病人的各种生理变化，然后通过放大器将信息强化，再由数据分析软件对数据 进行计算、分析和编辑，最后将结果在显示屏上显示出来，或根据需要记录、 打印下来当监测的数据超出设定的指标时，就会激发警报系统，发出信号引 起医护人员的注意。 近年来，随着科技的发展和国内监护仪厂商的不断进步，国内监护仪产品 一3 一 浙江大学硕士学位论文 呈现了网络化、模块化、多功能、便携式及无线产品等新技术特征，并且软硬 件水平都在飞速提高。随着网络技术的快速发展，目前国内市场上的新型监护 仪已经普遍具有网络功能。在模块化方面，内部硬件组成上来讲，监护仪可以 按功能模块来划分。这一般是硬件电路设计的一个基本原则，这样做除了便于 监护仪的设计和维修，还有利于监护仪科研的专业化。 目前的便携式监护仪大体分为2 类：一类是将传统监护仪采用嵌入式系统 的便携式结构设计，使监护仪在病房或科室之间可以被更为方便地移动。例如： p m 8 0 0 0 便携式多参数监护仪具有灵巧的外形，紧凑的结构，多种外挂方式， 配以完善的监护功能，保证了院前急救、急症病房、院中转运、科室急救等各 种情况临床使用；内置电池保证了监护仪在移动情况下的不问断的监测，掉电 存储功能使监护仪在失去电源的情况下仍可保存病人监测的数据；两通道热敏 记录仪可随时记录病人信息。另一类便携式监护仪采用随身式设计，使病人能 在一定范围内随意移动而监护不会被中断，大多采用无线通信的方式与床边监 护仪或中央主机进行通讯充分地体现了监护仪的人性化设计。 医疗监护仪技术的发展非常迅速。尽管国内的监护仪厂商取得了长足的进 步，但应清醒地看到，我国监护仪产品的总体水平与国际水平相比仍有一定差 距，可以说是挑战与机遇并存。 1 2 2 无线医疗监护技术的应用与发展 建立在线缆连接基础上的传统监护系统往往体积和功耗大，不便于携带， 要求在病人身边使用，限制了病人和医护人员的行动，增加了他们的负担和风 险，已经越来越不能适应当今实时、连续、长时间地监测病人的重要生命特征 参数的医疗监护需求。无线医疗监护是利用无线通信技术辅助医疗监护的简称 无线医疗监护作为一种结合了医疗监护与无线通信的崭新服务，不仅能使人们 在任何时间、任何地点获得生理和病理的监护，而且以便利、高效和安全的方 式为使用者提供健康咨询、辅助诊断以及创新的服务。 无线医疗监护系统主要由生理信息与数据采集单元、无线数据通信单元、 控制和显示单元等组成。系统的工作原理是，首先由控制单元发出开始监测某 项生理参数的指令，然后通过无线数据通信单元把指令发给生理信息与数据采 集单元，采集单元对人体生理信号进行采集后通过无线数据通信单元将数据传 给控制和显示单元中的信息处理模块。控制单元和显示单元，一方面对接收到 的数据进行处理和显示，另一方面将结果数据存入数据库供检索和回放。无线 医疗监护系统的核心是生理信息与数据采集单元和无线数据通信单元p j 除生理信息与数据采集技术的支持外，无线医疗监护系统关键是生理参数 的无线数据传输。生理参数的无线传输方式主要有射频电磁波、红外光和声波 三种，其中最常用的是射频电磁波目前在无线医疗监护系统中支持较近距离 无线数据传输的常用技术为i e e e 8 0 2 1 1 、蓝牙r f 射频和无线超宽带( u w b ) 。 在日益增长的无线健康监护需求驱动和上述技术进步的推动下，各国科研 机构和跨国公司竞相开展，无线医疗监护系统及其应用研究和开发。其中哈佛 一4 一 浙江大学硕士学位论文 大学的c o d e b l u e 系统、法国c r n s 研究机构的m a r s i a n 项目、n a s a 阿莫 斯实验室和斯坦福大学合作开发的l i f e g u a r d 系统、i b m 公司的身体区域网络 ( t h eb o d ye l e c t r i c ) ，东芝公司的l i f e m i n d e r 系统等具有代表性 5 1 哈佛大学开发的c o d e b l u e 系统旨在紧急状态下提供无线医疗监护。它通过 将低功耗、小型可携带的脉冲血氧计，2 导联心电图机等传感器能够检测心率、 血氧饱和度、心电，通过短距离0 0 0 m ) 无线网络与p d a 或笔记本等移动终端连 接，数据可以在终端上实时显示并记录在病人健康档案中，当生理参数超出正 常范围时报警。 l i f e g u a r d 系统是n a s a 阿莫斯实验室和斯坦福大学合作开发的，用于监 测处于运动中宇航员的生理参数。它由穿戴式生命征候监测器( c r e wp h y s i o l o g i c o b s e r v a t i o nd e v i c e ，c o p o ) 和基站组成穿戴在身体上的c o p d 能连续记录心 电、呼吸率、心率、血样饱和度、体温等生理参数这些参数可以通过内置的 蓝牙被传送到基站或存储在3 2 m b 的闪存里再通过串口送入计算机中1 6 1 。 图1 1t h el i f e g u a r ds y s t e m 1 2 3 远程医疗的国内外发展与现状 欧洲著名的远程医疗学者r i s t e p a n i a n 将远程医疗定义为：通过远程通 信方式来远距离地监护和共享医学知识( t e l e m e d i c i n ec a nb ed e f i n e da st h e d e l i v e r yo fh e a l t l lc a r ea n dt h es h a r i n go fm e d i c a lk n o w l e d g eo v e rad i s t a n c ，u s i n g t e l e c o m m u n i c a t i o nm e a n s ) 。 7 1 美国的学者将远程医疗定义如下：远程医学系统 就是指这样一个平台，它通过通信和计算机技术为特定人群提供医学服务。远 程医疗目前主要应用于3 个领域： - - 5 浙扛大学硕士学位论文 1 在家庭监护的应用：目前市场上主要的家庭监护装置，多属于视频交互 式，结合视频摄像头、无线心电传输功能、无线听诊功能，通过宽带电缆线、 卫星通讯及数字技术实现实时双向高速通讯，快速传递诊断级数字临床图像。 利用便携式、无线式检测仪器，将患者的生理参数传递到数据中心。 2 在急救医学中的应用：远程医疗从其诞生之日起就与急救医学密不可 分。2 0 世纪6 0 年代，美国国家宇航局( n a s a ) 就已着手远程医疗方面的研究， 采用远程医疗技术监护宇航员的生理功能。近年来国外更将远程医疗技术引入 到院前急救中来。m a r y l a n d 大学研制成功一套救护车移动远程医疗系统，在伤 员后送途中该系统可将伤员的多种生命体征传给急救中心，在伤员尚未到达医 院时，医师就可以对伤员的情况有比较全面的了解，做好抢救的准备。 3 在军事上的应用：由于现代战争是高技术条件下实施的短时间、高强度、 全方位的激烈军事对抗。要求机动、快速救治的特点。传统的分级阶梯救护模 式已不能很好地满足其需要，必须寻找更有效的救治途径。远程医疗已受到各 国军队的青睐。 远程医疗的发展水平是不平衡的，美国和欧洲要领先其它国家很多。他们 起步早，国家投入大，远程医疗的支撑技术成熟。远程医疗中的一些子系统发 展水平较高，比如医院的信息化系统( h o s p i t a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，h i s ) 和电子 病历( e l e c t r o n i cp a t i e n tr e c o r d ，e p r ) 以及图片存档及通信系统( p i c t u r ea c c e s s a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，p a c s ) 等技术非常成熟 我国现代意义的远程医学活动开始于2 0 世纪8 0 年代自2 0 世纪9 0 年代 中期开始，在“金卫工程”的带动下，远程医疗的项目纷纷上马，极大地促进 了我国远程医学事业的发展。但尽管已经过l o 多年发展，多数系统当前仍处于 研究或试运行期，比较成功的应用主要集中在远程医学教育方面。 另一方面，我国远程医疗尚未向社区基层医疗机构和家庭发展，尽管已有 像清华大学开发的“远程, oe g _ d 血压家庭监护系统”、珠海中立电子公司开发“院 外心脏病集群监护系统”等等，但都未得到推广应用1 8 j 。 目前，面向家庭、个人的远程医疗监护系统成为远程医疗领域的热点，随 着移动数字通讯技术的发展和完善，基于第三代g s m 移动医疗也将成为远程 医疗发展的发展趋势之一，在人们的日常生活中会起到举足轻重的作用。该网 络传输的容量更大，可以实现实时信号处理，进一步完善移动远程医疗的功能。 1 2 4 嵌入式系统在生理参数监护系统中的应用 随着我国人口老龄化进程加快，残疾人数目的增加，亚健康人群的剧增， 他们的护理问题对社会构成很大的压力。与昂贵的医院相比，家庭或社区的护 理相对来说费用较低并且可以在热悉舒适的家庭环境下养病，使得患者可以 很好的恢复。在此背景下，家庭和小区医疗多生理参数监护系统作为一种新的 医疗服务模式融合了远程医疗和智能住宅的思想，可以于社区和家中实现远程 一6 一 浙江大学硕七学位论文 监护功能，降低了护理的成本和压力，提供了简单、可靠、家居化的健康辅助 护理。 国外远程医疗系统发展迅速，小型化，高性能的p d a 模式的嵌入式系统在 穿戴式医学检测中有广泛应用。如美国研究人员设计的一种可以穿着的嵌入式 医学设备。主要性质有：前端包含传感器的为士兵使用的夹克；可以获得e c g ， e m g ，体温和血压生理数据：g p s 定位；l c d 显示和键盘( 穿戴在上臂上) ； 录音；射频发射生理数据，录音和g p s 定位信息到1 5 英里远的接收站；低功 耗( 至少1 0 小时连续监测) 嘲图1 2 为其系统构架。 图1 2 远程医疗系统构架 然而，目前国内对于生理参数监测的研究有一定的局限性监护系统普遍 存在检测参数单一，交互能力，适应能力或扩展能力差的问题。 目前，国内主流的远程医疗仍然处于p c ，大型设备等阶段，但是随着 e m i t ( e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 嵌入式微型网互连技术的发 展，嵌入式设备可接入i n t e m e t ，利用该技术可将i n t e r n e t 延伸到广泛应用的8 位、1 6 位和3 2 位单片机软件平台上，可实现基于i n t e m e t 的远程数据采集、远 程控制，上传下载数据文件等功能。 在家庭与小区式的远程医疗领域，嵌入式系统应用的范围较为广泛与普及。 主要分为以下两种模式： 以无线传感器结点，或者是穿戴式传感监护的采集前端，发送数据到 p d a ，再以p d a 整合数据，通过g s m ，g p r s 等移动网络发送到远程 监护终端在这种模式中，前端的无线传输方式一般分为无线射频模 块通讯与蓝牙通讯两种方式。 这种模式的监护系统优势在于可以利用移动网络，移动性强，在网 1 浙江大学硕士学位论文 络方面由于人体生理参数的信号频率不高，用移动网络可以满足数据带 宽的要求。缺点在于，由于同时负责处理g p r s 等移动网络的数据发送， 液晶显示，前端的p d a 系统性能一般不够高，对于数据直接在p d a 上综合处理能力不够。而往后发展的速度受到移动网络发展的限制，带 宽可能满足不了大型应用。 将传统监护仪采用嵌入式系统设计和便携式结构设计这类系统利用 了嵌入式系统的控制能力与网络能力，大多数系统采用单片机以及 a r m 7 平台作为数据采集系统，并通过以太网络，g s m g p r s 将数据发 送到远程终端上这类系统数据采集能力有所提高，部分研究基于以 太网，也提高了数据传送的带宽。但是由于将数据采集前端与数据处 理发送终端设计在一起，其便携性相对较差，同时嵌入式平台的信息 处理能力也不够 1 3 课题研究目标和论文结构 1 3 1 课题研究目标 针对国内外多生理参数监护系统以及远程医疗领域的研究进展，结合现阶 段国内p d a 模式的生理监护系统的研究，以及嵌入式在无线生理参数监护与医 疗领域的良好应用前景，本课题提出设计一个高性能的p d a 模式，可以无线采 集多生理参数数据的嵌入式系统。该系统计划通过短距离无线技术，实现五大 人体生理参数的信息采集与监测，数据整合，并实现无线局域网的数据交互功 能，为系统将来能够应用到远程医学领域提供关键技术 1 3 2 论文结构 第1 章简要介绍了多生理参数监护系统的现状与发展，以及在远程医疗领 域的应用 第2 章简要介绍了本系统的总体设计方案的对比选型与整体设计，随后介 绍了嵌入式系统的开发模式与开发平台 第3 章详细介绍了基于高性能嵌入式处理器的生理参数采集系统的实现， 以及系统的无线网络实现过程。 第4 章介绍了嵌入式硬件系统的e d a 开发流程，嵌入式系统的核心子系 统的硬件研发。 第5 章对课题进行了总结和展望。 1 4 参考文献 1 侠名嵌入式系统的定义与发展历史丛韭；z ! 竖：! 韭i n g ：q 2 堑i i 蛆! i ! 丛 一8 一 浙江大学硬士学位论文 i l 鲤i 4z 8 鲤：h 地! 釜2 0 0 7 - 4 - 1 6 2 周立功等a r m 嵌入式系统基础教程北京航空航天大学出版社，2 0 0 5 年1 月 3 杜春雷a 蹦体系结构与编程清华大学出版社，2 0 0 3 年2 月第一版 4 杨谦，何明霞我国医疗监护仪技术的最新进展医疗卫生装备。2 0 0 6 年第2 7 卷第8 期 5 严壮志，张静，施俊等无线医疗监护技术综述中国医疗器械杂志，2 0 0 6 年3 0 卷第 5 期 6 m u n d tc l r ，m o n t g o m e r y 肼。u d o h u e ，e t a l a m u l t i p a r a m e t e r w e a r a b l e p h y s i o l o g i c m o n i t o r i n gs y s t e mf o rs p a c ea n dt e r r e s t r i a la p p l i c a t i o n s i e e et r a n s a c t i o n so f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi nb i o m e d i c i n e ，2 0 0 5 ，9 ( 3 ) ：3 8 2 3 9 1 阴杨勇，彭承琳国外远程医疗发展近况医疗卫生装备，2 0 0 5 年第2 6 卷第l 期 【8 】徐庐生，唐慧明从信息技术看我国远程医疗的发展中国医疗器械信息2 0 0 6 年1 2 卷 1 期 9 s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rh e t e r o g e n e o u sd e v i c e s m a k i n gt h em o s to f0 姒p h t t p ：们n v m i s t r a l s o f t w a r e c o m h t m l p r o d u c t o m a p _ p r o d u c t s h e t e r o g e n e o u sd e v i c e sw i t ho m a p p p t 一9 一 浙江大学硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 系统整体设计 2 1 1 系统的数据采集对象 系统需要对人体五大生理参数进行同步数据采集。数据是由前端的信号采 集节点完成，并由无线传输到监护系统上，因此需要以人体生理参数的信号类 型作为系统选型的依据。 人体五大生理参数包括心电，血氧饱和度，血压，呼吸，体温。五种信号 的特点如下： 心电： 心电信号一般采用三导联或者1 2 导联的电极方式来采集，大小一般在m v 级，频率在0 l o o h z 以内，因此采样频率一般为2 0 0 1 0 0 0 h z 若以1 6 位 a d c 进行采样并传输数据的话，传输数据的频率应为3 2 0 0 - 1 6 kb p s 之间。 血压： 便携式的血压测量一般均采用无创式血压测量的方法无创血压测量分为 连续与非连续两种大类型。在这里用连续无创血压测量方法来说明连续无创 血压测量有扁平张力法与脉搏波法两种其中脉搏波法应用较为广泛，是通过 对人体血管的脉搏波进行连续的测量得到的。脉搏波的主要频率范围在2 0 h z 以下。因此一般仪器的采样频率为1 0 0 h z 1 0 0 0 h z 左右传输数据的速率在 1 6 0 0 - 1 6 kb s p 之间。 血氧饱和度： 血氧饱和度是根据测量出两种波长的透射光在一个完整的脉搏波中光强度 的变化量而计算出的【1 1 。血氧传感器的由简单的两部分组成：光发射和光接收 部分组成。通过对人体生理波形的分析可以知道，人体的脉搏次数在3 0 - 2 5 0 次分钟，对应的频率是0 5 - 4 1 h z 。在实际上，取采样频率为1 2 0 h z ，可以保 证信号的无失真。使用1 6 位a d c 的数据传输率为1 9 2 0 b p s 。 呼吸： 呼吸测量采用胸阻抗测量法测量呼吸波。由于呼吸使胸廓扩张使得电阻按 呼吸频率变化，其变化范围o 1 0 3q ，相对q 来说为慢变信号。呼吸测量电 路由载波驱动、预放大、解调电路、增益调节电路、模数转换和微处理器组成。 呼吸波形也是慢速的低频信号，采样频率1 0 0 h z 已经能满足需求。如果数据为 1 6 位量化需要1 6 0 0 b p s 的传输速度。 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 体温：人体的体温是一个波动很小的信号，一般的仪器设计是一秒更新一 次体温数值，范围3 0 4 5 分辨率o 1 c 精度o 2 0 ，存储2 4 小时趋势图。 若数据用1 6 位表示的话传输速度为1 6 b p s 。 将上面的参数列成一个表，如表2 1 所示，数据采样位数定为1 6 位这在 目前的生理参数采集的设计中已经属于高精度： 表2 1 五大生理参数信号参数 信号频率范围( h z )采样率( h z )a d c 位数 数据传输率( b p s ) 心电o 1 0 0 2 0 0 一1 0 0 01 63 2 0 0 一1 6 k 血压( 脉搏波)o 2 0 1 0 0 一1 0 0 0 1 61 6 0 0 1 6 k 血氧饱和度 0 5 4 i1 2 01 6 1 9 2 0 0 呼吸波o o 3 1 0 01 61 6 0 0 体温 0 0 11 1 61 6 就单一的参数来说，由于采集的采样频率不高，数据传输的速度也不高， 完全可以通过无线射频模块或者蓝牙模块将数据发送至信息接收终端一基于 a r m 的嵌入式系统。 2 1 2 , 短距离无线通信技术的选择 短距离无线通信有多种方式的选择，例如红外传输i x d a ，蓝牙，r f 射频 等等。这些技术的对比如表2 2 ： 表2 2 短距离无线通信参数对比 i e e e8 0 2 1 1 蓝牙 红外r f 射频 功耗较高较低低 不定 传输距离 1 0 0 mo l0 il m视频率等而定 带宽 5 4m b s l 3 m b s 1 m b s不等 频率2 4 g h z 5 g h z 2 4 g h z3 0 k h z 范围较宽 穿透性 强 。强弱强 模块成本偏高高低一般较低 稳定性高较高低较高 如表2 2 所示，四种无线技术之中，红外技术的稳定性不好，穿透性弱， 带宽较低。同时i e e e8 0 2 1 1 技术是新一代移动技术，稳定性好，传输速率高， 但同时功耗较大，成本也偏高。生理参数采集的数据并不需要用到这么高的带 宽，若一个传感器采集节点用一个模块的话，蓝牙与r f 射频的带宽已经足够 满足需求。 对比蓝牙技术与r f 射频技术，蓝牙技术使用已经相当普及，是成熟的技 术，同时提供了良好的稳定性与低功耗，但是缺点是模块成本高，蓝牙模块的 价格一般都很昂贵。而r f 射频模块的选择很多，可以灵活的根据自己的需求 选择自己需要的射频模块，成本很低，许多模块的实现电路也很简单，降低了 一1 1 浙江大学硕士学位论文 r f 射频模块的开发难度许多r f 射频模块也能够达到高速传输数据的带宽。 基于成本与灵活性的考虑，选择了r f 射频模块的技术进行本系统开发。 在系统的互连结构中，为一个传感器节点选用一对独立的r f 射频模块，r f 模 块之间是点对点进行传输的 2 1 3 中长距离无线技术对比和选择 在中长距离无线技术主要有g p s 卫星技术，g s m g p r s w c d m a 等移动 网络技术和新一代正在流行起来的w i r e l e s si a n 无线局域网技术其中，g p s 是全球定位系统，并不适用与本系统的数据传输方式。因此中长距离无线技术 将对比移动网络技术以及w i r e l e s sl a n 技术。 表2 3i e e e8 0 2 1 1 与g r p s c d m a 对比 功耗 传输距离 带宽 频率 穿透性 使用成本 稳定性 网络覆盖范围 i e e e8 0 2 1 l 较高 1 0 0 m 5 4m b s 2 4 g h z 5 g h z 强 无 高 不足5 g r p s c d 姒 高 l o o k m i _ r d e v ) ； i f ( n u m = m a xp o r t )r e t u r n - e n o d e v ； i f ( _ i o ct y p e ( c m d ) ! = g p i oi o cm a g i c ) r e t u r n - e n o t t y ； i f ( _ i o c _ n r ( c m d ) = g p i om a x n r ) i e n 蜘- e n o t r y ； s w i t c h ( n u m ) c a s c0 ：p 1 s w i t c h ( c m d ) c a s eg p i o s e t p i n ： i f ( a r g 1 6 ) o u t w ( 1 u a r g , g p i os e td a t a o u t _ r e g ) ； b r e a k ； c a s cg p i o s e t a l l p i n ： i f ( a r g l 们o u t w ( a r g , g p l os e td a t a o u t _ r e g ) ； b r e a k ； c a s eg p i o c l r p i n ： i f ( a r g l 价o u t w ( 1 u a r g , g p i o _ c l e a r _ d a t a o u t _ r e g ) ； b r e a k ； c a s eg p i o c l r a l l p i n ： i f ( a r g l 酗o u t w ( a r g , g p i oc l e a r _ d a t a o u tr e g ) ； b r e a k ； c a g p i o s e t p i n o u t ： i f ( a r g l 价 o u t w ( i n w ( g p i od i r e c t i o n _ r e g ) & ( - ( 1 u a r g ) ) ，g p i od i r e c t i o n _ r e g ) ； break；。 一 c a s eg p i o s e t p i n i n ： i f ( a r g l o u t w ( i n w ( g p i o _ d i r e c t i o nr e g ) ( 1 u a r g ) ，g p i od i r e c t i o n _ r e g ) ； 。 b r e a k ； c a s eg p i o s e t m u l t i p i n o u t ： i f ( a r g 1 6 ) o u t w ( i n w ( g p i o _ d i r e c t i o n _ r e g ) & ( - a r g ) ，g p i o _ d i r e c t i o nr e g ) ； b r e a l ； s eg p i o s e t m u l t i p i n i n ： i f ( a r g 1 6 ) o u t w ( i n w ( g p i od i r e c t i o n _ r e g ) l a r g , g p i od i r e c h o nr e g ) ； b r e a k ； c a s eg p i or e v e r s ep i n ： i f ( a r g l 酌 一3 0 浙江大学硕士学位论文 o u t w ( i n w ( g p i os e