（生物医学工程专业论文）移动远程监护终端用DSP系统设计.pdf

a b s t r a c t w j m c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yq u i c k l yd e v e l o p i n g t e l e r n i d i c i n et e c h n o l o g yi sa l s oh i g h l yi n c r e a s i n g w i t hal e a d i n ga p p l i c a t i o no f t e l e m e d i c i n e t e l e m o n i t o r i n gg i v e s m o r ea n dm o r e e m p h a s i sb ym o s td e s 蹦岫e r s n o wc a r d i a cd i s e a s es e v e r e l ym e n a c e s p e o p l e sl i v e s t h u si ti sh i g h l yi m p o r t a n t t om o n i t o rp a t i e n t s e l e e t r o c a r d i o g r a m e c o i nt h ec c u i c us i c k r o o m e c g m o n i t o r i n ga p p a r a t u s a r e a b s o l u t e l yn e c e s s a r y a n d i ti so f t e nu s e dd u r i n gt h e h e a l i n go rs a l v i n g o w i n gt on u m b e ro f b e da n dm o n i t o r i n ga p p a r a t u s p r i c e i ti s d i f f i c u l tt om o n i t o ro v e r m a n yc a r d i a cd i s e a s ep a t i e n t a n dt h e ni ti s r e q u i r e dt o d e v e l o p at e l e m o n i t o r i n g a p p a r a t u s u s e df o ri n d i v i d u a l i nt h i s p a p e r w ep u t f o r w a r da ne c gt e l c m o u i t o r i n g s y s t e mb a s e do nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a n d d e s i g nad s ps y s t e mu s e df o rm o b i l et e l e m o u i t o r i n gt e r m i n a l i nt h ep a p e r w er e p r e s e n th a r d w a l f ea n ds o r w a r ed e s i g n so fd s p s y s t e m a n d p r i n c i p a l l ya n a l y s ed e s i g np d i n ta b o u tt h i ss y s t e m d s ph a r d w a r es y s t e mi n c l u d e e c ga c q u i s i t i o nm o d u l ea n dd s pm o d u l e e c ga c q u i s i t i o ni s c o m p o s e do f a m p l i f i e r s f i l t e r sa n da d d s pm o d u l ei sm a d eu po fm e m o r i e s l o g i cd e v i c e sa n d j t a ge t c d s ps o r w a r e s y s t e mi n c l u d ea p p l i c a t i o na n d b o o tl o a d e r n ef u n c t i o no f t h ea p p l i c a t i o na r ed a t aa c q u i s i t i o n r e a l t i m ea n a l y s i so fe c ga n d d e s i g no f c o m m u n i c a t i o np r o g r a mb 嘶 r e e nr a b b i t 2 0 0 0a n dd s ph o s tp o r ti n t e r f a c e t h e f u n c t i o no fi x o tl o a d e ri st o 缸a 触ru s e fc o d cf r o me x t e r n a ls o u r c et ot h ep r o g r a m m e m o r yu p o np o w e ru p t h i sa l l o w sc o d et or e s i d ei ns l o wn o n v o l a t i l em e m o r y e x t e r n a l l y a n d b el x a n s f e n e dt oh i 啦 s p e e d m e m o r y w h e ne x e c u t e d k e y w o r d d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 q r sc o m p l e x h o o tl o a d i n g e h p i 8 r a b b i t 2 0 0 0 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和取得 的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学 位或证书丽使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名寺 1 波签字日期 z 3 年l 月弓1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鎏盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权鑫凄盘堂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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 轰 1 波导师签名 签字日期 m j 年1 1 月 1 日 签字日期沙才 年f 2 月罗 日 第一章绪论 1 1 远程医疗概论 第一章绪论 在2 0 世纪5 0 年代末 美国学者w i t t s o n 将双向电视系统用于医疗系统 同年 j u t r a 等人创立了远程放射医学 此后美国相继有人利用通讯和电子技 术进行医学活动 并于1 9 8 8 年出现了 t e l e m e d i c i n e 这一词汇 这就是远程 医疗的由来 所谓远程医疗 就是指利用远程通信技术 计算机多媒体技术及 信息技术来传输医学信息以实现远程监护和远程会诊的一门应用学科 1 f 2 这 里所描述的医学信息包括医学图像 实时的音频和视频 患者的病历 医学设 备输出的数据等 8 0 年代以来 电子 通信 计算机等相关技术飞速发展 极 大的促进了远程医疗技术 进入9 0 年代后 由于互联网在世界范围内的广泛应 用 远程医疗发展也进入了快车道 1 1 1 远程医疗分类及其典型应用 远程医疗系统一般是由前端 通讯以及中心站三部分组成 前端通常是指 患者或医疗诊所 常用的通讯媒介有电话网 i s d n 卫星 i n t e m e t 以及一些 专用网络 譬如移动通信网 中心站则由一些网关 服务器 存储或监控设备 组成 图1 1 给出了远程医疗系统的基本组成示意图 一 o1 患者端 医院端 图卜1 远程医疗系统的组成示意框图 远程医疗从不同的角度看 有如下几种分类方法倒 第一章绪论 1 远程医疗从时问的角度看 可分为实时和非实时两类 非实时远程医 疗系统技术上讲主要是存储和发送两项技术 存储是指将获取的医疗信息 如 放射图像 病理图像 生理电信号 生化数据等 或治疗资料以合适的格式保 存在数据库内 发送则指将这些信息或资料通过合理的方式 如h r r p f t p 等 传送到目的地 非实时远程医疗系统适用于非紧急情况下 两地医护人员 进行技术交流 居民用户获得医疗机构的健康咨询等 优点是费用低廉 实时远程医疗系统指医护人员或居民用户与医护人员通过文字 语音 图 像实时进行交流 实时远程医疗系统主要适用于异地专家通过视频会议方式对 罕见或重大病例进行会诊 急救情况异地专家提供指导 医院本部提供相关医 疗信息 如患者血型等 实时远程医疗系统的特点在于其实时交互性 但使用 费用相对较贵 2 远程医疗从应用角度可分为远程医学教育 远程放射学 远程皮肤病 学 远程病理学 远程心脏病学 远程肿瘤学 远程口腔学 远程眼科学 远 程家庭健康护理 远程急救学 远程手术和远程精神病学等等 从传送的信息看 远程教育主要是文字 图像 多采用非实时远程医疗系 统 对于一些特殊情况如手术演示 则需实时视频会议系统 远程放射学主要 是灰度静止二维图像 光片 或图像序列 c t r d 远程皮肤学和远程病理学 主要是彩色静止二维图像 远程口腔学和远程眼科学主要是放射图像和彩色二 维图像 远程心脏病学主要是超声图像 心电信号 远程家庭健康护理主要是 生理数据 如体温 血压 血氧饱和度 脉博等 和生理电信号 如心电 脑电等 远程肿瘤学主要是放射 病理 皮肤等方面的信息 远程手术主要是手术指令 视频信号 放射图像 反馈信息等 远程精神病学则主要是通过视频和语音信 息与患者交流 随着远程医疗的支撑技术 远程通信技术 医疗保健技术以及信息学技术 迅速发展 远程医疗技术越来越成熟 已广泛应用到诸多方面 主要表现在以 下几类 3 1 远程诊治 借助远程通信的途径实现对远地对象的诊断和治疗的过程 称之为远程诊治 这主要有两类 其一 针对特殊环境的远程诊断和治疗系统 在某些情况下 医护人员无法或难于在现场为患者提供诊断和治疗 如战地伤 者 极地探险人员 恶性传染病人等 此时 可通过远程通信网络 把患者的 病理信息传送给医疗中心的医生 由医生根据患者的病情给出相应的诊断和治 疗意见 其二 远程会诊系统 远程会诊是医生通过对异地患者的图像和其他 信息进行分析作出诊断结论 远程会诊对于传输的医学图像的质量要求较高 可分为同步 交互式 和异步两种 同步系统具有类似视频会议的显式交互工 第一章绪论 具和类似电子白板的隐式交互工具 这要求有较宽的通信信道以支持传送交互 式的声音 图像 异步远程会诊系统基于存储转发机制 各种信息如图像 声 音 视频和文字组成多媒体电子邮件 并在方便的时候发送给专家 专家将诊 断结论发送给相关的医护人员 2 远程咨询 远程咨询与远程会诊的主要区别在于 前者一般为离线方 式 非实时 而后者应为在线的实时运作 一般情况下 远程咨询是在有固定 服务关系的医院进行 只有在非常特殊的情况下才通过网络寻求其他专家的帮 助 目前开展的远程咨询包括病理咨询 远程医学影像咨询 社区诊所与中心 医院问的远程咨询等模式 3 远程手术 外科手术是医疗服务中最常见的一项 近年来 计算机技 术 机器人技术 机械电子学技术 通信技术等的发展为医疗外科机器人手术 和远程出席指导手术的发展提供了必要条件 这两种技术的研究不仅在提高手 术的质量 减小手术创伤 缩短患者的恢复周期 降低患者和医院的开支等方 面会带来一系列的技术变革 而且也将改变传统医疗的许多概念 4 远程监护 远程监护是通过通信网络将患者端的生理信息和医学信号 传送到监护中心进行分析 并给出诊断意见的一种远程医疗模式 在远程监护 系统中 患者端主要是采集被监护对象的生理信息 包括心电图 心率 血压 脉搏 呼吸 血氧饱和度 体温 血糖等多种信息 通信网络可以是有线也可 以是无线的 可以是常见的电话网络 也可以是有线电视等其他通讯网络 监 护中心需配备再现患者信息的设备 有临床经验的医护人员 也可以配置专家 系统 监护中心可以设在大医院内专门成立的监护室 也可以设在中心城市 也可以在社区设置 5 远程战地救护 6 其他应用领域 远程医疗的应用领域越来越广 除前面讨论的应用外 还有远程医学教育 远程医院信息系统等诸多方面 其中 远程医学教育是通 过远程通信网络提供多种多样的医学资源 可实现对医护人员的专业教育 基础 教育和继续教育 获取远地信息 数据库 文献和专家系统 社区医疗保健教 育 特别是迅速发展起来的虚拟现实技术在解剖学 生理学和病理学等医学教 育中 使远程医学教育的应用范围更加广泛 1 1 2 远程医疗发展现状 远程医疗经过近5 0 年的发展 已经由模拟时代转入数字化时代 总体说来 远程医疗主要经历了以下三个阶段 1 基于有线电话的第一代远程医疗系统 第一章绪论 这是通过固定有线电话线路 传输如心电 血压等常规生理电信号 由医 院医生根据接受的生理信号对患者的情况作出判断并反馈给患者 2 基于微波和卫星通信的第二代远程医疗系统 这种远程医疗系统是伴随微波通信和卫星通信的大规模应用而出现的 同 第一代系统相比 它采用卫星和微波通信 给患者提供更大的活动范围 而且 可以推广到不通有线电话的偏远地区 从而更有效的处理在航海 航天 极地 探险等特殊条件下的医疗疑难问题 它使用的地域范围更加广泛 传输的信息 更加完善 并可同时传送音频信号和视频图像 使医生有更完善的现场感 3 基于公共数据网络 移动通信网和互联网等 的第三代远程医疗系统 这种远程医疗系统基于公共数据通讯网络 面向大众 便于推广是一种极 具发展潜力的远程医疗和远程监护系统 新一代互联网和第三代的移动通信网 络均可以提供良好的多媒体通讯服务 能提供更大的带宽以保证能大容量快速 地传输数据 移动通信网络更具有高度的使用灵活性 无线上网技术使得人们 能在任何地方自由上网 以3 g c d m a 标准为例 它可以实现在大范围快速移动 的交通工具上有1 4 4 k b p s 传输速率 小范围缓慢移动物体或人体可获得8 4 k b p s 的速率 目前远程医疗中常用到的通信网络有 1 电信网的d d n 线路 2 宽带综 合业务数字网 可获得1 5 5 5 2 m b i t s 以上的传输速率 3 i n t e r n e t 4 利用有线电视网络 这些网络提供了广泛便捷 内容丰富的信息传输环境 因 此 互联网和第三代移动通信的结合 将改变现有的远程医疗模式 使患者能 在任何地方 任何时候得到医生的帮助和救护 特别是偏远地区和事故突发地 以及战场上 更能发挥这种系统的优势 随着各国对远程医疗的重视 以及远程医疗支撑技术的快速发展 远程医 疗技术发展趋势及其主要特点主要表现为 1 远程医疗技术更加完善 国际上制定了医学影响设备 如c t x 线 b 超等 的图像传输接口的标准 使医学影像的自动采集和远程传输成为可能 用于远程医疗的专用设备 如电子听诊器 视频显微镜 视频腹腔镜等都有实 用产品问世 因此 在远程医疗领域 医学图像和生理信号等的自动采集和远 程传输技术将有革命性进展 2 远程医疗产品的多样化 这主要表现在目前远程医疗系统正向通用化 专用化和小型化方向发展 以及远程医疗系统与医院信息系统 h i s 医学图 像档案与通讯系统一体化的发展趋势 第一章绪论 1 2 无线远程监护的意义及其研究现状 随着生活水平的不断提高 社会竞争的压力增大以及人口老龄化发展 解 决长期慢性病的监护目前已经成为了亟待解决的社会问题 因此远程生理信号 的监护也越来越占据着更为重要的作用 其意义表现在 第一 缩短医生与患 者之间的距离 减少患者或医护人员的路途奔波 节省社会的医疗资源 第二 把慢性病患者的监护在家中完成 一方面节省患者开支 另一方面也节省医院 的床位 第三 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行 减少患者心理压力 提高诊断的准确性 第四 对于自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活实 施远程监护 可以随时了解监护对象的健康状况 在患者病情突变恶化时报警 为患者提供及时的救助 提高了社会弱势群体的生命安全度 远程监护按照所使用的通信媒介分为两大类 一类是采用有线接入技术 一类是采用无线接入技术 由于有线接入技术在网络覆盖区域 使用成本和数 据传输能力上的优势 依托有线网络的远程医疗系统相对发展较快 但是 在 通过有线接入技术实现远程医疗系统过程中 人们发现有线接入技术有一些明 显缺点 首先是在一些地区实现远程医疗项目时 比如在偏远的农村 山区和 岛屿 人们发现铺设和维护高速有线网络的成本过于高昂 从而导致这些地区 的居民很难甚至无法使用远程医疗服务 其次 对于家庭和社区医疗的应用 有线网络的远程医疗监护系统 由于线缆的限制会给使用者带来不便 在一定 程度上影响到使用者的工作生活 此外 在车船 飞机等处于移动状态下的交 通工具上 还有在战争 自然灾害等突发事件中 人们都有使用远程医疗服务 的需要 以便对伤员或病人进行及时救治 对此有线网络根本无能为力 因此 针对个人及家庭的应用 人们纷纷把研究重点转向为基于无线接入技术的远程 医疗系统的开发 在远程监护系统中 患者端主要是采集被监护对象生理信息 包括心电图 e c g 心率 血压 脉搏 呼吸 血氧饱和度 体温以及血糖等多种信息 通信网络可以是有线也可以是无线的 可以是常见的电话网络 也可以是有线 电视等其他通讯网络 监护中心需配备再现患者信息的设备 有临床经验的医 护人员 也可以配置专家系统 监护中心可以设在大医院内专门成立的监护室 也可以设在中心城市或在社区设置 由于心电信号是一种比较重要的人体生理信号 因此关于心电监护系统的 研究比较多 以往的心电监护系统主要有两种 一种是固定使用的心电监护系 统 另一种是2 4 小时记录病人心理数据的h o l t e r 前者只能用在医院病房中 要在家庭等医院外环境中使用 则必须通过网络 后者可以由使用者携带 但 箱一章绪论 不能及时诊断 如果在使用过程中出现异常情况 就不能得到及时处理a 因此 需要一种使用者在活动不受限制的同时 使用者和医生能够实时进行交互的心 电监护系统 在解决这一问题的过程中 国内外都经历了一个从有线到无线的 过程 目前 国内外这方面的主要研究有 嘲 3 1 美国h e a l t h f r o n t i e r 公司的e c g h o m e 监护仪 2 美国佐治亚技术学院b a b a kf i r o o z b a k h s h 等人的g t w m 开发项目 3 澳大利亚m i c r o m e d i c a l 公司的p o c k e te c g 监护仪 4 英国k i n g sc o l l e g eo fl o n d o n 等机构和欧盟的i s t 合作的 h o m e 项目 5 德国v i t a p h o n e 公司开发的一神嵌入心电监护仪的手机 6 澳大利亚昆士兰大学w i l l i a mb r i m s 等进行的无线e c g 的研究项目 7 美国新墨西哥大学s c i e n c e t e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n 的s a v i n gl i v e s t h r o u g hw i r e l e s s 研究项目 8 美国马里兰州立大学进行的由美国立医学图书馆资助的m o b i l e t e l e m e d i c i n et e s t b e d 项目 9 丹麦a a l b o r g 大学健康科技系的远程医疗实验室的相关研究 1 0 新加坡南洋理工大学的急救车项目中的心电传输方案 1 1 郭劲松 邓亲恺的基于扩频通信技术实现的生理参数传输系统开发项目 1 2 陈亚光 陈军波的多生命指征的采集和无线传输系统开发项目 1 3 哈尔滨工程大学的用手机传输数字信息的动态心电监护系统开发项目 1 4 深圳倚天科技公司的无线心电监护仪开发项目等 以上是国内外一些正在进行的研究 其中1 可采用的通信媒介为有线电话 网和移动通信网 2 3 4 5 7 8 1 0 1 3 1 4 都采用移动通信网 6 和1 2 采用n r f 4 0 1 芯片来实现的有限距离的传输 9 有两种方案 在家庭内部用采用 蓝牙 有线 医生出诊使用手机 笔记本方案 因此不难看出移动通信网已成 为无线心电监护系统的主要承载网络 国外的进展较快 部分项目已经产品化 其中3 已经通过美国f d a 的认证 但也存在一些问题 1 的存储容量有限 只 有l o s 2 必须通过笔记本电脑加无线调制解调器才能将数据发送出去 3 则是 将心电信号采集电路与p o c k e tp c 相连 p o c k e tp c 负责计算心电波形的各种 参数 并在显示屏上回显 并且可以发送出去 但存储容量要受到p o c k e tp c 设备的限制 而且采用p o c k e tp c 上的软件来对心电数据进行处理 效率要差 一些 4 则是针对社区医疗而设计的用于家庭的监护仪 不适于便携式使用 5 中在手机中嵌入一个e c g 采集设各 其电极就在手机的背面 使用时须将手机 放在使用者胸部 但这会带来一定的不便 而且手机说明书中强调手机要和心 脏保持一定距离 特别是对于植入起搏器的用户 7 是关于通过g s m 网络实现 第一章绪论 应用于急救车上数据传输的项目 8 是进行在急救车上通过蜂窝电话传输病人 重要生命参数和视频可行性研究 1 0 是应用于急救车 也非针对便携式使用 并且采用系统机对心电数据进行压缩 1 1 则采用自行设计的高频电路进行数据 传输 传输距离有限 1 2 在争取研发资金 1 3 目前还处于研发阶段 由此可见 基于无线的心电远程监护已在国内广泛开展 由于2 5 g 的移动 通信技术投入商业运营时间并不长 所以尽管取得一些成果 当还有待完善 才能实现真正意义上的交互式实对远程心电监护系统 1 3 本课题的主要研究内容 生理信息监护系统的任务是通过2 4 小时对患者各种生理信号的监测及分 析 在患者的生理机能参数超出某一数值时发出警报 提醒医护人员进行抢救 它记录下来的参数时医护人员诊断 治疗以及抢救的重要参考指标 常用的生 理参数包括 心电 血压 体温 呼吸 血气以及血氧饱和度等 随着社会老龄化进程的加速 越来越多的老年人需要照顾 另一方面 现 在社会的竞争压力使得越来越多的人息有心血管疾病 心血管疾病已成为威胁 人类生命的主要疾病之一 同时由于我国目前心脏病人和高血压病人发病率相 当高 因而进行心电监护显得尤为迫切 目前 心电监护仪是医院c c u i c u 病房的必各设备 在疾病的抢救期和康复前期都会使用 然而 由于床位有限 监护仪价格昂贵等条件限制 难以同时完成众多心脏患者的观测与监护 因此 发展面向个人的远程心电监护仪已成为迫切需要 本课题主要以心电信号的记录检测为目标 包含信号检测系统以及监护系 统 生理信号的检测系统在病人一侧 应较为轻便的 监护系统在医院 侧 功能应较为完善 为了减少信号传输量和医生的监护工作量 在病人一侧的采 集系统中同时应进行信号处理 包括对心电数据进行实时处理 实时诊断 在 疾病发作时 及时将心电数据传输到监护中心 便于医护人员进行及时救治 心电信号检测系统的硬件实现方案可以有以下几种1 8 1 单片机实现 2 利用专门用于信号处理的可编程d s p 芯片实现 3 利用特殊用途的d s p 芯片实现 4 利用f p g a 等可编程阵列产品开发a s i c 芯片实现数字信号处理算法 如上所述的生理信息检测系统的硬件实现方案 或多或少的存在一些问题 1 单片机的接口性能比较良好 但是由于单片机采用的是冯 诺依曼总线结 构 不太适合大量运算的场合 尤其是乘法速度慢 进行实时处理有一定 难度 第一章绪论 2 d s p 虽然解决了运算速度方面的缺陷 但是在人机接口方面却不如单片机 3 对于特殊用途的d s p 芯片 具有使用简单 运算速度很高的优点 但也具 有灵活性差的缺点 4 对于利用f p g a 等可编程阵列产品开发a s i c 芯片实现 具有通用性好 可实现算法的并行运算的优点 但对于设计者的软 硬件开发水平有较高 的要求 另外 其测试手段通常也比较复杂 5 对于全信息记录仪 采用固态存储器存储 但价格偏高 鉴于上述考虑 我们拟设计一种双c p u 系统 单片机作为系统控制器和系 统远程传输接口 d s p 系统作为信号处理器 该系统结合了d s p 芯片与单片机 的优点 整个系统可得到优良的性能 本课题主要设计系统的d s p 处理器部分 任务如下 1 采用a d 转换电路对进行预处理后的心电信号进行数字化 实现心电信号 2 0 0 h z 的采样率 2 将小波变换引入到心电自动检测分析上 实现q r s 波检测算法 利用d s p 实现实时o r s 波检测 3 设计d s p 硬件系统 实现心电信号采集 检测处理 存储以及输出等功能 4 实现d s p 自举引导功能 设计d s p 并行自举引导程序 将调试成功的d s p 程序加载到d s p 系统的f l a s h 上 以实现系统上电后程序的自动运行 全文由五大部分组成 第一章介绍了远程医疗的概况以及国内外远程监护 的研究现状及其意义 以及本课题的主要研究内容 第二章简述了远程监护终 端的构成以及d s p 系统的总体设计 并分别于第三章与第四章介绍了的系统的 硬件设计和软件设计 第五章对系统的性能提出了改进的方案 并对系统设计 进行了总结以及对未来研究的展望 第二章远程监护终端构成 第二章远程监护终端构成 2 1 基于移动通讯网的远程心电监护系统 本论文工作是课题 基于移动通讯网的远程心电监护系统 的一部分 该 系统的构成如图2 一i 所示 6 图2 1 基于移动通讯网的远程心电监护系统 系统由监护终端 用户方 和监护中心服务器 提供服务方 两个部分组成 监 护终端由患者随身携带 监护中心则通过网络和终端对使用者进行实时监护 图中l 一5 分别代表监护终端的几种使用场合 患者在汽车中 在家中卧床以及 进行自由活动等情形 6 代表服务提供方 远程心电监护终端连续采集 分析患者的生理信号 在发现信号 异常 或 患者自我感觉不良按 请求救助 键 时 监护终端可立即经移动网络 公共数 据网与监护中心服务器进行连接 并将发现异常前后一段时间的生理数据传到 监护中心的服务器上 监护终端除了具备信号采集 生理信号分析 数据传输 等功能外 还具有语音通信 发送短信息等帮助患者与监护中心进行交流的功 能 监护中心在接受到网上传来的生理信息后 立即进行患者身份鉴别 检索 患者信息 并分派主治医生 主治医生接受任务后 立即投入诊断 他不仅可 以阅读传来的生理信息 也可以通过网络从各医疗机构的分布式数据库调阅患 者病历 并可以与患者通话 了解患者的感觉和情绪 做出正确的诊断 采取 必要的救治措施 同时还应把诊断的结果 制成病历存放入监护中心 或患者的 定点医疗服务单位 的数据库 基于移动通讯网的远程监护系统可以基于单独的移动通信网络 也可以基 于有线网络和无线网络的综合网络 第二章远程监护终端构成 基于单独的移动通信网络的远程监护系统如图2 2 所示 这种方式是指医 院网站和随身监护终端都通过无线接口与移动通信网络相连 这种方式适合于 特约私人医生和无局域网的小型医院 更常用的是基于综台网络的系统 如图 2 3 所示 监护终端采集的患者信息经移动电话模块送到基站 然后经移动网 和公共数据网传至特约医院 图2 2 基于移动通信网络的远程监护系统 图2 3 基于综合通信网络的远程监护系统 设计系统时 必须考虑经济性 尽量减少通信流量和监护中心医生的工作 量 因此在这种系统的监护终端中 应该具备处理生理信号 并进行初步的自 动诊断功能 终端只在使用者出现生理异常时 才向监护中心求援 基于上述 要求设计了远程心电监护终端 2 2 远程监护终端构成 第二章远程监护终端构成 图2 4 给出了远程心电监护终端的总体框图 它主要由五部分构成 心电 采集模块 d s p 数据处理模块 主控制器模块 无线模块以及电源模块 其中 箭头表示模块或器件之间的数据或控制信号的流向 实线表示供电关系 虚线 用于各功能模块之间的划分 1 心电采集模块 心电采集模块由两部分组成 放大滤波部分和a d 转换部分 放大滤波部 分采用m a x i m 公司的相关运放芯片和滤波芯片构成 按照心电监护仪标准进行 设计 心电信号经放大 滤波后 送m a x l l 3 进行a d 转换 采样率2 0 0 h z 转换之后的心电数据送d s p 的片上r a m 以待进行心电检测 2 d s p 数据处理模块 d s p 数据处理模块以n 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心 设计了 心电检测硬件系统 将经m a x l l 3 采集的数据进行实时分析处理 并将分析之 后的心电数据以及原始数据经由d s p 的主机接口发送到主控制器模块 它包括 存储器 逻辑器件等外围电路 3 主控制器模块 主控制器模块的主要任务是设置系统的工作状态 接受 执行由监护终端 使用者或由监护中心发送来的指令以及存储e c g 数据 控制无线模块发送数 据 以及实现监护终端使用者和j l 螽护中心医生的语音和短信实时交流等 我们 选用r a b b i t 2 0 0 0 作为主控制器模块的核心处理器 与键盘液晶模块 大容量存 储器 r s 2 3 2 串口 蜂鸣器等外设一同构成主控制器模块 4 无线模块 我们选用s i e m e n s 公司的m c 3 5 模块 它为单电源供电 电源电压为3 3 4 8 v 提供语音 短信 传真和数据服务 m c 3 5 与s i m 卡 耳麦以及天线等 一起构成无线模块 其功能是实现与监护中心的通信 5 电源模块 电源模块针对系统的硬件构成 保证系统可以可靠使用 在设计上采用可 充电镁电池和墙上适配器结合的方式 在正常工作时由锂电池供电 当锂电池 电量不足时 使用者可使用墙上适配器为监护仪供电 同时对锂电池进行充电 这部分设计中 须考虑电池电量的问题 我们利用r a b b i t 定时进行电池电量检 测 当电量不足时 发出报警信号 提示使用者对电池充电 整个系统通过不 同的电压转换模块 为各个芯片提供相应的适配电压 鉴于本文主要设计的是d s p 系统这部分 系统主要涉及到心电采集模块的 a d 转换部分和d s p 数据处理模块两部分 在2 3 节中 我们简要介绍了d s p 系统的总体设计 第二章远程监护终端构成 2 3d s p 系统总体设计 数据存储器程序存储器 图2 5d s p 系统总体框图 d s p 系统设计包括硬件设计与软件设计 图2 5 给出了d s p 系统设计的总 体框图 d s p 系统以t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片为核心 包括心电信号放大滤波 电路 a d 转换电路 存储器以及仿真器等外围电路 其中m a x l1 3 为4 通道 8 位并行a d 转换器 s s t 3 9 v f 4 0 0 a 是一2 5 6 k 1 6 的f l a s h 存储器 在d s p 系 统中用作数据存储器 用于存储d s p 应用程序 c y 7 c 1 0 2 1 v 3 3 是一款s r a m 用 作系统的程序存储器 并可利用d s p 的自举引导功能 在上电后将f l a s h 中存 储的应用程序 调转到s r a y 中 使程序能够自动运行 以便于实现模块的期望 功能 另外 利用d s p 的h p i 接口 与主机相连 实现d s p 与主机的通信 按照心电监护仪标准 放大滤波器带宽为4 0 h z 共模抑制比 8 0 d b 心电信 号经放大 滤波后 送m a x l l 3 进行a d 转换 采样率为2 0 0 h z 采集的心电数 据符合心电实时分析程序的要求时 利用心电检测程序 对数据进行r 波检测 并进行心率失常诊断 在正常工作情况下 每隔2 5 秒 系统通过向主控制器 发送中断请求 请求r a b b i t 2 0 0 0 将采集心电原始数据和分析结果读出 经主控 制器压缩编码后 存入系统的大容量f l a s h 存储器中 考虑到主控制器有可能 因为不能及时读取d s p 分析完的数据而导致数据被覆盖 我们在d s p 系统中设 置了大约可存放 5 秒3 导联心电数据及其分析处理结果的缓冲区 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 d s p 硬件系统分为最小硬件系统设计和外围接口设计两个部分 最小硬件系 统包括复位 时钟 电源 存储器接口以及j t a g 仿真接口设计 外围接口包括 a d d s p 主杌接口 h p i 本章着重从两个方面考虑 一是芯片的选择 二是 系统各个部分的电路连接 3 1d s p 选择及其主要特点 3 1 1d s p 芯片的选择 9 1 1 o d s p 即数字信号处理器 是一类运算功能强大的具有高速实时信号处理功能 的专用处理嚣 主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法 自2 0 世纪 8 0 年代初d s p 芯片诞生以来 随着信息技术的飞速发展 d s p 芯片在2 0 多年的 时间里得到了飞速的发展 d s p 芯片的性价比不断提高 开发手段越来越完善 已经在通信与电子系统 信号与信息处理 自动控制 雷达 军事 航空航天 医疗 家用电器等许多领域得到了广泛的应用 d s p 芯片可分为通用型和专用型两大类 通用型d s p 芯片是一种软件可编程 的d s p 芯片 适用于各种d s p 应用 专用型芯片则将d s p 处理的算法集成到d s p 芯片内部 一般适用于某些专用的场合 目前 d s p 芯片的主要供应商包括美 国的德州仪器 t i 公司 a d 公司 a t t 公司和m o t o r o l a 公司等 其中 t i 公司的d s p 芯片占世界d s p 芯片市场的5 0 在国内也占据着主要地位 面对众多的d s p 芯片 如何选择d s p 是面临的首要问题 我们要求d s p 芯 片能满足以下条件 1 d s p 内部有足够的数据存储空间 用于存储至少2 5 秒a d 采集的e c g 信号 以便于d s p 进行小波变换使用 同时这2 5 秒小波变换及r 波检测结果也 存于这一存储空间中 由于a d 的采样率是2 0 0 h z 并且选择的是三导联输 入 因此在d s p 内部至少要有4 kr a m 用于存储数据 2 d s p 的运算速度能够满足心电信号的实时检测要求 即耍在两次a d 采样间 隔时间5 m s 内实现心电实时检钡 波形分类识别等算法 3 i s p 应具有与主控制器通信的功能 通过与主控制器通信 将采集的心电信 号以及检测结果发送给主控制器 基于上述考虑 我们选择了t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 以下简称为c 5 4 0 2 它是t ic 5 0 0 0 系列定点d s p 中较有代表性的一种 可很好的满足系统性能要求 第三章系统硬件设计 3 1 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 简介1 1 1 c 5 4 0 2 是一款定点数字信号处理器 具有低价位 高性能 低功耗等特点 特别适用于小型便携式的仪器 譬如手机 数码相机 i p 电话等 如图3 1 所示 描述了c 5 4 0 2 的内部功能框图 其中包括外设模块及总线结构 程序地址发生逻辑缸据地址麓生逻辑 图3 一lc 5 4 0 2 的内部结构框图 i 中央处理单元 c p u c 5 4 0 2 的c p u 结构特征如下 a 具有高性能的改进的哈佛结构总线 即具有三条相互独立的1 6 b i t 数据 存储器总线和一条1 6 b i t 的程序存储器总线 b 具有一个4 0 b i t 的算术逻辑单元 a l u 包括一个4 0 b i t 的定标移位器 以及两个独立4 0 b i t 的累加器 c 1 7 x1 7 b i t 的并行乘法器与专用的4 0 b i t 加法器相结合 可在一个非并 行指令周期内完成 次乘加操作 m a c d 具有专用于v i t e r b i 蝶形算法的比较 选择和存储单元 c s s u e 指数译码器可以在一个指令周期内求一个4 0 b i t 累加数的指数值 这里 的指数定义为累加器中没有数据占用的位数的个数减去8 第三章系统硬件设计 f 两个地址发生器 8 个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元 a r a u g 单周期定点指令执行时间为l o n s 2 存储器 a 片内r o m c 5 4 0 2 具有4 k x1 6 b i t 的片内r o m 其内置了自举引导程序 每次上电复位 时 通过自举引导程序 将应用程序代码从外部f l a s h 或e p r o m 装入片内r a m 或外部r a m 中 从而实现应用程序在r a m 中的高速运行 b 片上双操作r a m d a r a m c 5 4 0 2 具有一个1 6 k 1 6 b i t 的片上d a r a m 主要是由2 块8 k 1 6 b i t 的区 块组成 每一个区块均可在一个指令周期内完成两次读操作或一次读和一次写 操作 映射存储器的配置受到c 5 4 0 2 外部引脚m p m c 以及处理器模式状态寄 存器p m s t 的控制 图3 2 给出了c 5 4 0 2 映射存储器结构示意图 图3 2c 5 4 0 2 欧射存储器结构 3 c 5 4 0 2 片上外设 a 具有软件可编程的等待状态发生器 可编程的组切换等待状态 当c 5 4 0 2 访问片外低速资源时 利用软件等待状态寄存器 可以在访问 第三章系统硬件设计 周期内插入最多1 4 个等待时钟周期 c 5 4 0 2 利用块切换逻辑寄存器 在访 问同一存储区内的不同区块间切换时 或者由访问数据区转向访问程序区 时 c 5 4 0 2 会自动插入一个时钟周期来避免总线竞争 b 并行i o c 5 4 0 2 具有6 4 k 1 6b i t 的外部i o 访问空间 并且提供了 专用于i o 空间访问的汇编命令 c 6 通道的直接存储器访问 d 姒 控制器 d 两个多通道缓冲串口 m c b s p s e 一个与主控制器通信的增强型8 b i t 主机接口 e h p i 一8 f 两个1 6 b i t 硬件定时器 g 时钟发生器 包括一个内部振荡源和一个锁相环 p l l 电路 时钟发 生器的激励源可以有两种方式 一是外接晶振 与内部振荡器一起产生 参考时钟信号 二是由一个外部时钟源直接驱动 4 流水线 在执行指令时 d s p 芯片广泛采用了多级流水线操作 从而减少指令的执行 时间 增强d s p 的处理能力 c 5 4 0 2 采用了6 级流水线的工作方式 即一条指 令分为预取指 取指 译码 访问 读数和执行6 个阶段 在流水线操作中 各个阶段的单元可以同时独立工作 指令执行能完全重叠 在每个指令周期内 6 条不通的指令处于激活状态 每条指令处于不同的阶段 图3 3 描述了6 个 阶段以及各阶段所进行的操作 把p c 的内容加 载到p a b 总线 把p b 的内容加 载到i r 对l r 中的内容 解码 从d b 读取数据1 从c b 读取数据2 如果需要 加载e a b 数据3 的地址 预取指 j 取指 j 解码 i 访问 j 读 i 执行 写 从p b 总线取回ll 如果需要 加载d a bii 执行指令和把要 指令字 ii 数据1 的地址 li 写入的地址加载 一i 如果需要 加载c a b il 在e b 总线 i 数据2 的地址 ll l 更新辅助寄存嚣和堆i i 栈指针 图3 3c 5 4 0 2 流水线阶段 5 寄存器与中断 c 5 4 0 2 具有2 7 个c p u 存储器映射寄存器和3 3 个片上外设存储器映射寄存器 包括4 个m c b s p 和d m a 的子地址存储器映射寄存器 c 5 4 0 2 所有内部和外部 中断的中断号与优先级参阅文献 第三章系统硬件设计 所有这些中断信号需要在中断向量表程序 v e c t o r s a s m 中给出 当需要 d s p 响应这些中断信号时 就在相应的中断名之后加上跳转程序 通过设置中 断屏蔽寄存器i m r 的值来使能或屏蔽相应的可屏蔽中断 3 2d s p 最小硬件系统设计 d s p 最小硬件系统设计包括d s p 的电源 复位电路 时钟电路 存储器接口 以及仿真接口设计 3 2 1 电源设计 c 5 4 0 2 的电源设计主要从以下几个方面考虑 1 c 5 4 0 2 上有两类典型电源引脚 c p u 内核电源 c v d d 引脚 1 8 v i 0 电源 d v d d 引脚 3 3 v 2 电流要求 当内核电压为1 8 v 且工作在i o o m h z 时钟时 内核电流的典型 值为4 5 m a 考虑到d s pi o 引脚直接与外部低压器件连接 所以其外部供 电电流应该选取符合整个系统的典型电流值 系统典型电流值为 o m a 3 上电次序 由于d s p 有两个电源 这就涉及到电源的上电次序 c p u 内核先 于r o 上电 在i o 之后掉电 并且c p u 内核与t o 供电须尽可能同时 二者时间相差不能太大 如果时间差大于l s 可能会影响器件的寿命或损 坏器件 为了保护器件 须在c p u 内核电源与i o 电源之间加一肖特基二 极管 4 电源器件选型 从以上几个方面考虑 我们选取了t i 公司的低功耗 1 5 0 m a 低压降线性稳压器t p s 7 6 3 3 3 与t p s 7 6 3 1 8 它具有热保护 过流限制的 特点 提供s o t 一2 3 封装 能满足电路板的空间要求 其中 t p s 7 6 3 3 3 可 提供3 3 vi 0 电源 t p s 7 6 3 1 8 可提供1 8 v 内核电源 t p s 7 6 3 x x 的引脚功 能如表3 1 所示 表3 1t p s 7 6 3 x x 的引脚功能 名称引脚号i 0描述 i n1i输入电源电压 g n d2地 e n3i使能输入