（电子科学与技术专业论文）基于s3c2410的远程心电监护系统设计.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt h ep r o g r e s so fs o c i a l ，p e o p l e s v a l u e sc h a n g eg r a d u a l l y , a n dt h e yp a ym o r ea t t e n t i o no nh e a l t ha n dm e n t a l a tt h es a m e t i m e ，a st h ei n c r e a s eo fp o p u l a t i o n ，t h eh e a r td i s e a s e ，o n eo ft h es e r i o u sd i s e a s e s ，h a sb e c o m e at h r e a tt oh u m a nl i f e t h i sm a k e san e wa n dd y n a m i c ，i n t e l l i g e n t ，p o r t a b l er e m o t ee c g m o n i t o r i n gs y s t e mb e c o m e s ak i n do fn e e d t h r o u g ha n a l y i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e c gs i g n a l a n de c gm o n i t o r i n gs y s t e m i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fb o t ha th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rw i l ld e s i g nar e m o t ee c g m o n i t o r i n gs y s t e m t h i se q u i p m e n tm a i n l yc o n s i s t so ft w op a r t s ：f i r s t ，l o c a ls e r v e ri sak i n d o fc o m p u t e rw h i c he q u i p p e dw i t hl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dw e bs e r v e r s e c o n d ，t e r m i n a l e q u i p m e n t s ，i sb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo f $ 3c 2 4 10 ，a n da l s oe q u i p p e d 谢ml i n u x ， o p e r a t i n gs y s t e m i no r d e rt of a c i l i t a t et h ep a t i e n t ，o n et h eo n eh a n d ，t h et e r m i n a le q u i p m e n tc a nb e c o n t r o l l e db yl o c a ls e r v e r ；o nt h eo t h e rh a n d ，i tc a nw o r ki n d e p e n d e n t l y ，t h ei n d e p e n d e n t w o r kp a t t e r n sp r o v i d e sa l lk i n d so fe c gs i g n a lc o n t r o l ，s u c ha sc o l l e c t i o n , s t o pa n dp l a y b a c k , s e a r c h ，p r e s e r v i n gf u n c t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：e e gs i g n a l l i n u x m i n i g u i m u l t i t h r e a dw e bs e r v e r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于$ 3 c 2 4 1 0 的远程心电监护系统设计 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或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。 作者签名： 业年月q 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名： 导师签名： 巫年月日 啦每月习日 签 名 舀一夕婆腿巍 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 远程心电监护系统国内外现今发展情况 在医学与科技领域，远程医疗是网络科技与医疗技术相结合的产物，随着我国经 济的发展、科学技术水平的提高，以及老龄化程度的加深，发展远程医疗已成为一种 必然趋势。远程医疗从使用对象上可分为面向医院的远程医疗系统和面向家庭的远程 医疗系统。 1 国内发展情况 在我国，远程心电监护系统的发展较晚，其主要方式是以提供医院现场医生诊断为 主。这种方式存在一定的缺点，一方面医生得不到病人的实时心电信息时不可能给出 科学的诊断；二是独居人士在遇到紧急情况时不能得到及时救治。8 0 年代以来，随着 各大中型城市相继建立起冠心病监护病房和重症监护病房，远程心电监护系统逐渐趋 向普及。在国内，随着科学技术水平的提高，国产的、国内组装及合资的中央监护系 统已逐渐进入国内的大中型医院。但与同类的国外产品相比，仍有一定的差距，比如 在系统测量的准确性、性能的稳定性及抗干扰等方面。9 0 年代后，我国大力发展了信 息联网和通信网的基础设施建设，为发展远程心电监护系统创造了有利的条件。同时 还有一些通过电话网和有线电视网传送从文字到视频图像信息，供医生间交流信息， 或向专家进行病案咨询以辅助诊断。远程医疗在几十年发展中，运用了各种技术诸如 传真、电话、无线电通信、实时交互电视技术、以及虚拟现实和远程机器人等一系列 新的通信技术和电子学技术，并与医疗保健技术相结合，形成了许多新的研究方向。 2 国外发展情况 在国外，欧美和日本等国家由于其不仅有先进电子设备，而且也投入了大量的资 金，积累了丰富的临床应用技术，这就是使得这些国家和地区的心电监护系统功能更 加智能化。一般来说，国外的远程家庭医疗更加注重远程患者在家中就可与医生进行 实时语音、图像信息等交流，该系统是以视频会议系统为核心，但该系统的价格比较 贵，一般家庭承受不起，同时受到通信信道带宽的限制，国外一般使用综合业务数字 网( i s d n ) ，而在我国现在普及到家庭的却是普通电话系统( p o t s ) ，尽管通过这也 可实现双向视频传输，但在图像分辨率、每秒传输图像桢数等方面，难以达到远程医 疗的要求，因此，国外的这种心电监护系统目前还难以在我国普及。【l 】 1 2 心电信号波群结构 对于心电信号，它本身具有很多独自的特征，心脏是人体中血液循环的动力源泉， 依靠心脏的有节律的搏动，使得血液不断在体内循环，以维持正常的生命活动。一般 情况下，心脏的起搏点是位于窦房结内的，凡是由窦房结发出的激动所形成的心律通 常称为窦性心律( s i n u sr h y t h m ) 。窦房结发出兴奋，该兴奋经心房内的结间束，包括 前结间束、中结间束和后结问束，一面兴奋心房，一面传至房室交界处，经过一定的 传导延迟后，经房室束及其左、右束支传导到浦肯野纤维网及其所支配的心内膜，最 后兴奋由心内膜向心外膜，该网互相吻合，深入心室肌层，最终使整个心脏全部兴奋。 图1 1 为经典的心电的心电波形大致情况。【2 】 一 0 t 0 朗 _ p r 改 ， ls t 段 p ， 1 厂、 j 厂、 f q 蠹 盯瓣期p r 彝i 】醐 q r s i 图1 1心电波形图 一个完整的心电波形一般由几个波群组成，其中主要涵盖以下几个波： p 波、一个q r s 波群和一个t 波，有时在t 波后，还会出现一个小的u 波。 p 波：由心房除极产生，反映左右两心房电激动过程。p 波波顶光滑成钝形。波 峰间距小于0 0 3 秒，宽度0 0 6 o 1 1 5 ，正常成人幅度在0 2 5 v 以下。 q r s 综合波：由心室除极产生，反映左右两心室的电激动过程。典型的q r s 波群 含三个紧密相连的波，其一是一个向下q 波，然后是高而尖峭的向上的波称为r 波， 继r 波之后的是一个向下的s 波。 t 波：代表心室复极产生的电位情况，波形平滑但不对称。 u 波：该波是在t 波之后出现的一个宽而低的波，历时0 0 2 o 0 4 5 s ，代表心 肌激动的“激后电位”。 2 下面再进行介绍下除了上述的的特征波外的几个重要阶段。 p r 间期：不同导联测量的p r 间期可略有差别，它是心房除极开始至心室除极开 始的时间。反映了心房用户心室之间人体激动的传送过程。 s t 段：为从q r s 波群终末到t 波开始之间的线段，由于此阶段是q r s 波群以后 至心室复原这一期间，因此无电位差存在，此期间波形呈一段平线。正常人的s t 段下 移不超过0 0 5 m v ，s t 段上升不超过0 1 m v 。 q t 段：q t 间期即从q r s 波群开始至t 波的末尾之间的持续时间，也即心室除极 和心室复极的总时间，反应了人的心率快慢。正常人当心率在范围6 0 1 0 0 次分时， 则q t 间期正常值为0 3 2 , - - 0 4 4 5 。【3 j 1 3 心电信号的特征 一般电信号有三大特征：幅度、频谱及信号源阻抗。作为生物电的心电信号也是如 此，同时心电信号属于强噪声下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定 的自然信号，由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所不具有的特点。 ( 1 ) 信号弱：由于心电信号是从人体的体表进行提取的一种生物电信号，因此信号 一般十分微弱，心电信号为m v ( 毫伏) 级信号，幅值大约为0 0 3 一- - 4 m v ，典型值为l m v 。 ( 2 ) 不稳定性：人体是一个与自然界有着密切关系的开放性系统，人体可能处在各 种电磁、噪声等环境中，这就使得心电信号存在了不稳定性和随机性。 ( 3 ) 低频特性：人体心电信号频率较低，频谱范围主要集中在为0 0 5 ，- - l o o h z 。 ( 4 ) 高阻抗：人体作为心电的信号源，拥有可达几kq 到几十kq 的高阻抗，因此 这个特性容易引起心电信号测量的失真。 ( 5 ) 噪声强：人的周围一般存在各种干扰，大概概括为以下几种： 工频干扰：5 0 h z 的工频干扰是最普遍的，此干扰也正是心电信号测量时的主要 干扰。 高频干扰：基于不同频段的电视发射台、无线电广播、通讯设备、雷达等随着 无线电技术的发展而逐渐发展起来，其工作时可以使空中的电磁波大量增加。这些便 产生了高频干扰。 测量设备自身的干扰信号：由于心电信号处理电路部分的电子设备自身也会产 生仪器噪声。这种噪声一般属于具有较高的频率特性的信号。1 4 j 1 4 远程心电监护系统基本种类 目前研究的心电图远程监护系统一般为声音耦合调频模拟传输模式。 所谓的声音耦合调频模拟传输具体是指人体的心电信号在电话网中按照模拟信号 的形式进行传输。即当我们要发送具体的心电数据时，先由d a 转换器将经过数字化 了的心电数据转化为( 即还原) 连续变化的模拟电压信号，然后将处理后的模拟电压信 号送到音频调制电路对其进行调制成音频范围内的调制波，该信号再经音频放大后便 可驱动扬声器发出一定频率的声音，这样可以由手机或固定电话以声音耦合的方式接 收后并通过电话网传送到医院的电话上，医院监护中心端对信号解调后进行最后的信 号分析处理。图1 2 为该种监护系统的示意图。 医院监护中心 图1 2声耦合调频f m 模拟传输模式示意图 今天一些b p 机系统的家庭端一般是基于声耦合调频f m 模拟传输方式的，其主要 是由一个b p 机大小的心电信号监护记录仪以及通信模块单元构成。其中记录仪具有实 时监护携带该设备的病人心电信号的功能，一旦病人心电出现异常或者感到不适时可 当即按下记录仪按钮便可以记录下2 5 0 秒内的心电图，此时病人可将记录仪放在通信 单元上以便记录的心电图可以由转化接口经电话线传送到医院。而对于医院监护中心， 一般需要一台p c 机，这样配合通信单元能完成一对一的心电图接收、实时显示、管理 等功能。1 5 】 1 5 主要研究内容及实现方案、目标 通过分析现今国内外心电监护系统发展情况和具体技术实现方案，结合清华大学 研制的家庭心电监护网系统的思想，开发低价位、高性能、中国自主知识产权的远程 心电监护系统前景广阔，具有重大的意义。本人确定了本次设计的主要思想。 1 本设计的主要特点 ( 1 ) 方便性 该系统采用浏览器n 务器( b s ) 工作模式，整个系统由家庭端的具有网络接口的 4 p c 机服务器和嵌入式终端心电采集设备、i n t e r n e t 网和医院监护中的计算机( 装有浏 览器) 组成。只要把家庭p c 机服务器与i n t e r n e t 相连，医学专家在任何地方通过浏 览器上网，登陆到家庭p c 机服务器，即可通过浏览器上的动态网页进行心电的远程监护 与诊断，这样可以简化医院监护中心客户端软件的设计，同时医生对病人的诊断也不 再局限于医院，医生只需要有台能访问家庭p c 机服务器的电脑即可。 ( 2 ) 实时性 基于$ 3 c 2 4 1 0 硬件平台和l i n u x 操作系统的嵌入式心电采集终端设计为便携式、 可独立工作的一个设备，由于它有一定的存储空间，因此终端采集设备可以保存病人 的心电信息，实现心电波形回放功能，这样病人的活动范围不再仅局限于家里，当病 人携带终端设备在外地出现异常时，可以将当时的采集结果保存到设备的存储器中， 随后可以去医院向医生提供保留在终端设备的采集心电波形，也可以回到家里上传到 家庭p c 机器服务器上，然后医院监护中心通过浏览器进行登录查看病人信息。即能够 实现记录发生病情时的实时信息。 ( 3 ) 低成本 本设计不需设置医院端复杂的客户端软件，也不要设计解调电路，因此成本很低， 并且能够记录病人任何时刻、任何地点的心电波形( 这也是因为终端的存储空间很大， 而病人发病的时候时间也不会很长，只需记录一定时间内的信息。) 2 研究内容 ( 1 ) 根据人体的心音信号特点，考虑心音信号的所受影响及干扰，设计出合理可靠 的心音信号采集电路。 ( 2 ) 本次设计的采集终端硬件平台采用$ 3 c 2 4 1 0 处理器，软件平台采用l i n u x 操作 系统，由于本人实际使用的开发系统是广嵌的开发板，其内核是2 4 版本，为了能够 更加完善自己的终端设备，使其执行效率更高，本人进行了平台的重新搭建，使用了 2 6 内核，这样其他的外设驱动都要自己重新开发。开发过程软件平台搭建主要包括移 植l i n u x 2 6 2 0 内核，制作c r a m f s 根文件系统，移植c s 8 9 0 0 a 网卡、夏普的l c d 彩色 液晶、触摸屏( 本设计也实现了按键驱动) 、r t c 时钟等外设驱动，同时心电信号的采 集由$ 3 c 2 4 1 0 本身来完成，因此要书写l i n u x 下的a d 采样驱动；应用程序方面，为 了方便用户直接对采集终端设备的控制以及心电波形的观察，图形界面部分采用了国 内白行开发的m i n i g u i 图形库，同时为了方便心电数据的存储、查找、插入等，移植 了适用于嵌入式应用中的s q l i t e 数据库。 ( 3 ) 考虑到简单方便、功能全面、成本和性价比合理、实际的可行性，本系统采用 b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器) 设计模式，使用该模式的最大好处是减少开 发工作量、运行维护比较方便。将b s 工作模式的设计引入到嵌入式网络设计，改变 了过去需要开发复杂的上位机客户端软件的方法，现在只需要在家庭p c 机中集成一个 微型服务器，利用h t m l ( h y p e rt e x tm a r k u pl a n g u a g e ，超文本标记语言) 设计网页 模块，就可在医院监护中心( 浏览器端) 使用i e 等浏览器接收和解析此模板，从而为 用户提供一个视觉效果好、操作方便的工作界面。因此需要设计b s 系统。图1 4 为 本设计的远程心电监护系统设计示意图。 个人家庭p c 机 ( 两个功能) 卜 ，l j 、 基于$ 3 c 2 4 1 0 儿八、 一：作为家庭终端采集设 人体 _ 一心电信号 的便携式终端 备的控制器 处理电路 厂 采集设备厂 - - 作为医院监护中心的 服务器 n 医院监护中心 移杰、j( 以浏览器方式访问家庭p c 机) 、 7 。、一一一一一， 图1 3 远程心电监护系统设计示意图 从上面示意图可知，人体心电信号经过采集电路处理后，得到稳定且可供s 3 c 2 4 1 0 采集的信号，并保存、显示在终端设备上，家庭p c 机( 本地服务器) 控制终端设备， 实现数据回传，最后医院监护中心通过浏览器模式登陆到家庭p c 机服务器后，便可对 病人的心电信号进行查看并控制等，实现真正意义上的“远程现场模拟诊断 。 1 6 本章小结 本章主要是介绍了远程心电监护系统的发展情况，以及国内外的一些产品及其设 计方案，通过对比明确自己的设计方法，最后讲述了本设计要研究的内容。 6 第二章远程心电监护系统的整体设计 2 1 基于s 3 0 2 4 10 处理器硬件平台介绍 对终端采集设备考虑到需要良好的人机交互环境、存储大量数据以及支持网络通 信等功能，所以要求处理器具有功耗低、成本低、丰富的接口和支持操作系统。本设 计选用$ 3 c 2 4 1 0 处理器。 1 处理器$ 3 c 2 4 1 0 主要性能 $ 3 c 2 4 1 0 主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用上。图2 1 为$ 3 c 2 4 1 0 功能框图。 图2 1s 3 c 2 4 1 0 功能框图 7 本次设计中$ 3 c 2 4 1 0 的内核采用的是a r m 公司设计的3 2 位a r m 9 2 0 t 精简指令集处 理器。a r m 9 2 0 t 内核实现了a m b a 总线、m m u 管理和h a r v a r d 高速缓存体系架构，该架 构具有独立的指令c a c h e 和数据c a c h e ，其大小都为1 6 k b 。$ 3 c 2 4 1 0 a 集成的片上功能 主要包括1 8 v 2 0 内核供电、3 3 v 存储器供电、3 3 v 外部i o 供电、外部存储器控 制器；l c d 控制器，提供1 通道l c d 专用d m a 、8 通道l o 位a d c 接口，转换速率最大为 5 0 0 k s p s ( k i l os a m p l ep e rs e c o n d ，千采样点每秒) ；1 1 7 位通用i o 口和2 4 通道外 部中断源；电源控制模式包括正常、慢速、空闲和掉电4 种模式；支持n a n df l a s h 的 启动装载。$ 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消 耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻 烦。本设计采样精度至少为0 0 2 5 m y 。当采用1 0 位a d 转换器工作在正极性、满刻度 电压为2 5 v 时，可分辨的最小输入电压为2 5 m v ，而信号调理电路放大倍数为1 0 0 0 倍，则输入端的最小分辨率约为0 0 0 2 5 m v ，故$ 3 c 2 4 1 0 具有的1 0 位a d 的精度完全满 足系统需求。扣j 2 处理器工作模式 a r m 9 2 0 t 可以工作在下面两种工作状态下的一种： a r m 状态：执行3 2 位字对齐的a r m 指令。 t h u m b 状态：执行1 6 位半字对齐的t h u m b 指令。在这种状态下，p c 寄存器的第 l 位来选择一个字中的哪个半字。 a r m 9 2 0 t 将存储器空间视为从o 开始由字节组成的线性集合，字节0 到3 中保存了 第一个字节，字节4 到7 中保存第二个字，依此类推，a r m 9 2 0 t 对存储的字，可以按照 小端( l i t t l ee n d i a n ) 或大端( b i ge n d i a n ) 的方式对待。 ( 1 ) 大端格式 在这种格式中，字数据的高字节存储在低地址中，而字数据的低字节则存放在高 地址中，如图2 2 所示为其示意图。 图2 2大端模式示意图 ( 2 ) 小端格式 与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字数据的低字节， 高地址存放的是字数据的高字节。【7 】如图2 3 所示为其示意图。 2 2 系统总体设计结构 图2 3小端模式示意图 由于本系统采用b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器) 模式设计，同时终端采集 设备本身需要提供用户良好的人机界面操作，因此涉及的外设等比较多，图2 4 为本次 设计具体的系统框图。 b s 系统 厂 i i i i i i 用户输入 与p c 机 便携式终端采集设备 s o c k e t 通信 ”“”“1 一 j rt 嵌入b 0 a 服务 触摸屏模块网卡模块 o 一 器的家庭p c 、r 1 一一一一一一一一i i机 一 电 日f j 高、低 陷 压 i 电 端 通滤波提 i a d 采集 s 3 c 2 4 l or t c 时钟 放- - - - i _波- - - - - i 升i 模块核心处理器模块 极 器、二 器 大 级放大 电 l 器 路 l 信号处理部分! l c d 显示模n a n d f l a s h 存 块储器 心电i 旌护仪 医院 界面显示 数据存储 监护中心 ( 浏览器) 图2 4 系统总体设计框图 9 在上图中对于心电采集部分，利用生物电引导电极采用标准导联方式将人体心电 信号拾取出，然后经过导联线传输到信号处理模块，信号处理模块主要负责该信号的 滤波、放大后等，最后得到初级的生物电信号。 由于一般心电信号的频率在0 0 5 h z l o o h z 之间，而幅值为0 i m w - - 5 m v ，因此属于 低频微弱的生物电信号，在检测中存在的干扰信号主要来自于电极板与人体之间的极 化电压、仪器内部噪声和仪器周围电磁场干扰、5 0 h z 工频干扰等。因此需要设计满足 高输入阻抗、高共模抑制比( c m r r ) 、低噪声、低漂移特性的前置放大器。同时对心电 信号频率之外的信号我们要设计高通和低通滤波器，对5 0 h z 的工频干扰我们通过陷波 器进行处理，最后为了得到适合$ 3 c 2 4 1 0 采集的信号，还要通过升压电路进行进一步 的处理。 经过处理的信号再经由$ 3 c 2 4 1 0 自带的a d c 引脚进行采集，心电信号在$ 3 c 2 4 1 0 中经过各种运算分析后得到反映心脏特征的信号，彩色液晶l c d 用来实时的显示心电 波形和病人的个人信息，以及显示用户一些操作控件，其中输入设备诸如触摸屏按键 主要用来实现病人对设备的各种操作，这样输入设备和l c d 显示设备实现了良好人机 交互界面。心电信号最终存储于片外n a n d f l a s h 中，以便实现数据的回放，回传到本 地服务器等。网卡外设实际用来提供终端与服务器之间的s o c k e t 网络通信，实现家庭 p c 机服务器对终端的实时控制。而对于r t c 时钟模块主要是用来配合l i n u x 操作系统 提供的时间函数共同来实现时间的更新，达到准确记录病人心电数据的时间信息，以 便实现心电波形的回放，以及方便本地服务器更新数据库等，同时也为医生提供了一 个参考时间来诊断病人的病情。 2 3 本章小结 本章主要介绍了终端设备将要用到的核心处理器s 3 c 2 4 1 0 ，以及本设计的总体思 想，以便为以后的内容作铺垫。 1 0 第三章远程心电监护系统的硬件设计 前几已经说明了本设计的大体方案，本章将进行具体的心电信号处理部分电路的 设计。图3 1 是处理电路部分的框图，也是我们要进行设计的具体内容。 前端放大器及其 1 高通滤波r 1 嚣陷h器r_1升i 器r 1 电路右腿驱动电路 图3 1心电信号处理流程图 由于心电图信号的检测是属于强噪声、强干扰环境下，且频率范围一般在0 5 1 0 0 h z 之间，幅度在0 1 - - 5m v 范围内的超低频，微弱信号。因此这种心电信号属于具有 微弱性、低频特性和随机性和不稳定性等特点。 在进行心电信号时测量时存在较强干扰，包括测量电极与人体之间构成的化学电 池所产生的直流极化电压；5 0 h z 且以共模电压形式存在的工频干扰；肌肉收缩引起的 肌电干扰：人体运动、呼吸引起的基线漂移等，这就要求设计一种满足高输入阻抗、 高共模抑制比( c m r r ) 、低噪声、低漂移和高安全性前置放大器。本设计中前置放大器 采样的是通用仪表放大器a d 6 2 0 ，该芯片约有5 0 倍的放大倍数，通过该芯片可以实现 将微弱的心电信号受到来自人体内外的多种干扰预处理掉。 其次，后端电路采用了高通和低通滤波器，滤波器的作用是将0 0 5 - - - , 1 0 0h z 以外 的信号进一步进行处理，这样可以抑制基线漂移和高频噪声的影响。然后通过5 0h z 的陷波电路再次处理信号。 为充分利用$ 3 c 2 4 1 0 的a d 转换精度，在进行对心电信号具体采集前还需要将信 号放大到a d 转换器电路参考电压的7 0 左右，同时考虑到信号中有附加的直流成 分，需在a d 转换电路前增加电平调节电路。综合上面的分析，最后设计的心电采集 电路应该有以下几部分：a d 6 2 0 前端放大、0 0 5 h z 的低通滤波和l o o h z 的高通滤波、 5 0 h z 陷波器和电平升压电路。下面将进行具体电路的设计。 3 1 右腿驱动电路 首先要进行的是对5 0 h z 共模电压的调节。这是由于人体本身从环境中可通过各种 渠道拾取工频5 0 h z 交流电压，这种电压在心电信号的测量中形成几伏以上的交流共模 干扰，我们采用右腿驱动电路后可以使5 0 h z 共模干扰电压降到1 以下。 采用了右腿驱动电路取代直接接地，它是心电信号提取中非常有用的方法，这种 与右腿接地的方法比较，右腿驱动技术对抑制交流干扰的效果更好，但由于存在交流 干扰电压的反馈环路，对人体形成不安全因素，因此在使用时需外接限流电阻。 图3 2 为右腿驱动电路。 c 1 图3 2右腿驱动电路 对于右腿电极主要有以下两个主要作用： 测量共模电压的基准参考电平。 反相a c 电压的驱动。 如上图所示，平均交流共模电压被送入驱动放大器的反相放大端子，其中的平均 交流电压是由电阻网络取出来的，然后加到右腿电极，r 1 是限流电阻。这种电路结构 实际是电压并联负反馈电路，只是以人体为相加点的。 这里的辅助运放采样了0 p a 2 7 7 芯片，为了使输入能够尽量对称以达到最好的设计 r 性能，我们可以通过调节图中一l 设定放大器增益来可保证r 4 = r 5 ；为了限制电流这里 的r l 要达到m 级；调节c 2 以使右腿驱动平衡。【8 ，9 】 3 2 前置放大电路的设计 由于心电信号相对比较微弱，容易受到各种干扰，比如交流电磁干扰信号等，而 这些干扰信号要比心电信号大很多，并且一般这些干扰信号对输入电路来说属于共模 信号，所以要求我们设计的前置放大电路有较高的共模抑制比。 本设计选用美国a n a l o gd e v i c e s 公司提供的模拟放大芯片a d 6 2 0 a n 作为前置放大 器，它能够满足心电前置放大高c m r r 、高输入阻抗、低噪声、低漂移的设计要求，a d 6 2 0 是具有低偏置电流、低失调电压、高精度并且低功耗等特点的仪表放大器，其电路设 计比较简单，仅需外接一个增益电阻就能设置放大倍数。同时由于该芯片具有1 0 9 q 高 1 2 输入阻抗、可达1 3 0 d b 高共模抑制比、最高可达1 0 0 0 倍高放大倍数、以及最大5 0pa 低输入失调电压、低噪声等优点，很多的国内外心电监护系统在信号处理部分都采用 了该芯片。【1 0 】 对于电磁干扰，由于电磁干扰会严重影响高精度电路的d c 性能。放大器相对低的 带宽不能正确的放大m h z 级的r f 射频。但这些带外信号很可能会耦合到放大器的输入 和电源引脚，在输出引脚就可能出现不可解释的和不希望的d c 偏移。图3 3 前置放大 电路。 图3 3前置放大电路 如上图所示，信号来自于v i n 一、v i n + ，输出为v o u t ，其中r i + r 2 和c 3 构成了差 模；r 1 c 1 ，r 2 c 2 构成了共模。该滤波器可以消除以上提到的干扰，其中输入串联电 阻组成了低通的差模和共模滤波器，同时也可以用来限制电流。本设计中电阻取值为 r i = r 2 = i o k ，电容取值为c i = c 2 = i o p f ，c 3 = 3 3 0 p f 。为了防止在v i n 的一些共模输入信号 会在放大器的输入转化成差分信号，因此要求r i c i 和r 2 c 2 要很好的匹配。电容 c 3 主要用来帮助削弱共模滤波器由于匹配不好而引起的差分信号。 在上面的每个电源脚和仪用放大器的参考点之间还要加一个旁路电容，采用一个 0 0 1uf 和0 3 3uf 电容并联作为去耦电容，这样的去耦效果较好。之所以加入去耦方 法是因为a d 6 2 0 芯片有以负电源为参考的积分器。【l l 】 3 3 二级放大高通、低通滤波电路设计 通过前面对心电信号的分析可知，在0 0 5 l o o h z 范围内的信号才是有用的心电 信号，而且前级还存在幅值为几毫伏至几百毫伏不等的、由于测量电极与人体皮肤表 面接触形成的半电池而产生的直流电压。为了提取我们所关心的心电信息，消除极化 电压对心电信号的影响，所以设计了一个截止频率为0 0 5 h z 二阶高通滤波电路。 根据n i q u s i t 采样准则，采样频率必须大于截止频率的2 倍，否则会造成频率混 叠，因此需要加上低通滤波器。由于我们设计的心电采采集系统的频率范围为0 0 5 h z l o o h z 之间，因此采样频率设置为2 0 0 h z ，这样我们就需要设置一个截止频率为l o o h z 的低通滤波器。图3 5 为二级放大高通滤波、有源二阶低通滤波电路。 图3 4高低通滤波器原理图 来自于前级的信号，进入到上面电路中，电阻r 1 、r 2 、r 3 及放大器u 1 构成了一 个同相放大器，放大增益可以由式g = r 9 r i + i 来确定。在上述的电路图中，其中一阶 高通滤波器是由c 1 和r 2 构成，由式3 1 可计算出下限频率。 11 一= ：_ _ = 二一o 0 3 h z ( 3 1 ) 。l 2 万以c 1 2 x 3 1 4 x 5 x l 这里的低通滤波器采用了巴特沃兹有源二阶低通滤波器，该滤波器比较适合于对 生理信号进行进行滤波。本设计中r 4 ，r 5 ，r 6 ，r 1 3 电阻以及c 3 和c 4 电容与放大器 u 2 共同构成了巴特沃兹有源二阶低通滤波器。其上限频率可由计算式3 2 得到。【1 2 】 二l 一= 三一10 j = 2 5 7 h z 2 7 c a 2 x 3 1 4 6 2 x 0 1 ( 3 2 ) 3 4 双t 有源陷波器电路设计 工频干扰是心电信号的主要干扰，对于心电信号来说，我们关心的只是频率范围 在0 0 5 l o o h z 之间的，但是在这个范围内有一定的工频干扰信号，比如5 0 h z 的工频 干扰，它是由于人体耦合电容而引入的。因此这个频率的信号我们要设计带阻滤波器 将其剔除，进而达到抑制的目的。 在本设c t 中力h h y x 2t 有源陷波器，图3 6 为本该设计的陷波器。 1 4 图3 5双t 有源陷波器电路 经过高低通滤波器的信号进入到上面的陷波器中，上面的5 0 h z 陷波电路是一个q 值可调的有源双t 带阻滤波电路，通过变阻器r 1 3 可以调节品质因数q 。这里记r 1 3 的上半部电阻为r n ，下半部电阻为r m ，取电阻r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 为相同的阻值，记为r ， 电容c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 也取相同的值记为c ，通过这些我们可以求出电路的一些参数， 比如中心频率，品质因数，下面是基本的表达式： 1 中心频率：石= i 杀 ( 3 3 ) 踬瞰渺毒 3 5 电压提升电路 ( 3 4 ) 这里面进行了电压提升电路的设计，之所以设计该电路，是为了对心电信号进一 步处理，使其幅度提升到$ 3 c 2 4 1 0 能够采集的范围内。具体的升压电路是在输出端接 一个5 v 的齐纳二级管完成电压提升。图3 7 为具体的电压提升电路。 澹波处理后输入的信 + 1 2 v 3 6 本章小结 图3 6电压提升电路 本章主要通过分析心电信号的特点， 可以采集到相对稳定、准确的心电信号， 设计了具体的信号处理电路，以便$ 3 c 2 4 1 0 在下章中将进行终端设备的具体软件设计。 1 6 第四章基于s 3 c 2 4 10 远程心电监护系统的软件设计 本章将阐述终端设备软件的具体实现方法。主要包括终端设备平台的基本确定、 设备主界面过程函数的实现、显示子界面过程函数的实现、终端设备各线程任务的实 现以及最终设备测试效果。 4 1 终端设备平台的确定 对于终端设备平台的确立，由于本系统的基本平台是对广嵌开发板原有系统进行 的升级，因此需要重新搭建具体运行环境，同时为了丰富终端采集设备的功能需要移 植图形库以及数据库等。这里主要涉及内容有内核的移植、根文件系统制作、数据库 移植、m i n i g u i 移植等。对于具体的外设驱动这里不作为讨论对象。 4 1 1l i n u x 2 6 2 0 内核的移植 随着科学计算任务变得越来越复杂，计算机逐渐被应用到了科学计算以外的其它 领域。硬件设备比以前更加丰富和复杂了，程序规模迅速扩大，直接操作硬件，对程 序员来说变得越发困难。于是出现了操作系统，帮助程序员管理和操作硬件设备。程 序员们可以将精力集中于开发需要的任务，烦琐的如任务装载、分配释放内存、内存 寻址、设备驱动、数据存储等等硬件相关操作统统交给操作系统管理。而在众多种操 作系统中以l i n u x 系统最具有代表性。l i n u x 操作系统主要有以下几大特性。 第一，l i n u x 内核被设计成单巨内核结构，因此效率高，紧凑性强。 第二，2 6 版本将抢占技术引入了l i n u x 内核，使得其变为内核抢占系统，提高 了任务响应速度。 第三，l i n u x 系统对设备驱动或新文件系统等采用了模块化方式，用户在需要时 可以现场动态加载，使用完毕可以动态卸载。同时对内核，用户也可以定制，选择适 合自己的功能，将不需要的部分剔除出内核。这两种技术都保证了内核的紧凑性和扩 展性。 第四，l i n u x 内核的采用虚拟内存技术使得内存空间虚拟扩展到了4 g b 之多，其 中0 3 g b 属于用户空间，称为用户段，3 g b 4 g b 属于内核空间，称为内核段。这样使 得用户编写程序可以使用远远大于实际内存的存储空间。 第六，l i n u x 的文件系统最大特点是实现了一种抽象文件模型v f s ( 虚拟文件 系统) ，该文件系统属于u n i x 风格。使用虚拟文件系统屏蔽了各种不同文件系统的内 在差别，使得用户可以使用同样的方式访问各种不同格式的文件系统。 第七，l i n u x 提供了一套很有效的延迟执行机制下半部分、软中断、t a s k l e t 1 7 26 内核新引入的工作列队等，这些技术保证了系统可以针对任务的轻重缓急，更 瞳度的选择执行时机，保证了系统运行时尽量在安全时n u ( 不关中断) 。i t s i l i n u x 2 6z 0 内核移植过程 本设计中采用的l i n u x 262 0 内桉，因此需要对其进行移植，使其适合自己的丌 系统。大致移植步骤有以下几处关键地方( 对于移植具体细节本文不进行讨论) 。 ( i ) 修改m a k e f i le 文件确定a r m 平台以及使用的交叉编译工具。 主要是修改文件1 1n 叶262 0 m a k e f i l e ，主要修改部分为： a r c h ? = a r m c r o s sc o & i p i l e ? = a r m ll ( 2 ) 根据开发板修改n a n df l a s h 纠始化代码，对其进行分医，一般分区包括 j t l o a d e r 引导程序部分、内核部分、文件系统赢；分。此时主要修改的文件是 肿s m d kc ，该文件位于l i n u x2 62 0 a r c h a r m p l d ts g c 2 4 i 0f 。 ( 3 ) 配置内核，执行m a k em e n u c o n f i g 。 根据具体硬件平台的外设配置和实际需要进行配置内核，图4l 为配置界面。 幽4i内核配置界面 4 ) 根据配置好的内核进彳亍编译，执行m a k ez l m a g e 。【”3 图4 2 为d - c j 内核后的截 文件蝙辅奇看 终瑞 转剥蟑帮l 岫 【t o o i 氨，】# c d h o m e t a n z h ic h a o d o 、k n l o a ds 11 1 1 u x 一2 6 【t o o t 1i n l j x 一26 2 0 3 】# is ar c hdr ivpr sk er n e in e l b l o c kf s 1i b r i r i n d n e 0 呀y l n g l n c l u d em 、i n l h i 卜i i r s m 巾( n l1 k 眦矗 也d j l 苫i n i lk e f erc ii p tx c r y p t o1 p c m ms e cl r l t y d o c u r r e n ta t i o n 胁u i l d 由d u i e s y u v ers s o u n d 【t o o i 国l 帅i i n u x2 62 03 1 # c dar c h ar 州b o o ， 【t o o i 黼b o o i # ih o i p c o u pt es se d i i 一 r o o f 霸w wb o o t 】# i 图42内核生成肝截幽 41 2c r a m f s 根文件系统制作 i 1 n u x 支持多种文件系统包括e x t 2 、e x t 3 、v f a t 、n t ts 、1s 0 9 6 6 0 、j f f s 、r o m f s 和n f s 等，为了对各类文件系统进行统一管理，1 1 f l u x 引 了虚拟文i 1 系统v f $ ( v i r t u a l f 1 l es y s t e m ) ，为备类文件系统提供一个统一的操作界面和应用编挥接u 。图4 3 为 m n u x 下文件系统层次结构。 p 层厂百扩 虚拟文什系统v f s 审自审囱囱臁 * 层l j 丽每 眄毒 幽43文什系统层敞结构 下面介绍基本的文件系统区别，以便选出台适自己系统的文件系统 ( 1 ) 基于f l a s h 的文件系统 在嵌入式l i n u x 下，m t d ( m e m o r yt e c h n o l o g yd e v i c e ，存储技术设备) 为底层硬件 ( 闪存) 和上层( 文件系统) 之间提供一个统一的抽象接口，即f l a s h 的文件系统都是基 于m t d 驱动层的( 参见上面的l i n u x 下的文件系统结构图) 。使用m t d 驱动程序的主要 优点在于它是专门针对各种非易失性存储器( 以c i j 存为主) 而设计的，因而它对f l a s h 有更好的支持、管理和基于扇区的擦除、读写操作接口。 j f f s 2 ：日志闪存文件系统版本( j o u r n a lli n gf l a s hf il e s y s t e m ) 主要用于n o r 型闪存，基于m t d 驱动层，特点是可读写的、支持数据压缩的、基 于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。 y a f f s y a f f s 2 ( y e ta n o t h e rf l a s hf i l es y s t e m ) y a f f s 是专为嵌入式系统使用n a n d 型闪存而设计的一种日志型文件系统。它具有 速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小的特点。 c r a m f s ：c o m p