基于蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪1

第 1 页 共 5 页 基于蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪基于蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪 1 1 李伟 吴效明李伟 吴效明 华南理工大学 华南理工大学 生物科学与工程学院生物科学与工程学院 广东广东 广州广州 510641510641 摘摘 要要 介绍了一种采用蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪 能实时检测人体心电信号 ECG 心率 血氧饱和度 SpO2 血压和体温等多生理参数 是一种适用于社区医疗和面向家庭的新型多功能监护 仪 该监护仪具有蓝牙无线通信功能 能够多路采集 LCD 实时显示 二十四小时生理信息存储 生理 参数统计分析与诊断 监督报警的功能 采用先进的 16 32 位 RISC ARM7DMI 为内核的 S3C44B0X 芯片 和 CSR 公司单片 BLUECORE2 EXTERNAL 作为主控制处理器模块和蓝牙通信模块 关键词 关键词 蓝牙技术 监护仪 嵌入式系统 多参数 分类号 分类号 TH772 2 文献标识码 文献标识码 A Multi parameterMulti parameter PhysiologicalPhysiological MonitorMonitor basedbased onon EmbeddedEmbedded systemsystem andand BluetoothBluetooth TechnologyTechnology LI Wei WU Xiaoming SchoolSchool ofof BioscienceBioscience andand Bioengineering Bioengineering SouthSouth ChinaChina UniversityUniversity ofof Technology Guangdong Guangzhou 510641 ChinaTechnology Guangdong Guangzhou 510641 China Abstract Abstract This thesis describes a multi parameter physiological monitor based on embedded system and Bluetooth technology It can monitor Electrocardiogram ECG Pulse Rate Pulse Oxygen Saturation SpO2 Blood Pressure and temperature This multi function monitor can meet with demands of service in the family practice It has the function of Bluetooth wireless communication real time displaying on LCD storing of 24 hours physiological data statistic analysis and diagnosis of physiological data and alarm The monitor uses advanced S3C44B0X 16 32 bit RISC microprocessor which has a ARM7TDMI core and CSR s single chip radio and base band IC for Bluetooth module Keywords Keywords Bluetooth technology medical monitor embedded system multi parameter 引言引言 医学检测仪器正向多功能 智能化和微型化方向发展 数字化和将生理信号的测量技术与分析 技术融为一体成为其显著特点之一 应用高性能微处理器芯片和嵌入式操作系统及应用软件使医学检 测仪器的智能化程度显著提高 仪器的稳定性高 数据处理快速精确 仪器的功能多 易于仪器升级 换代 使医学信号的采集 分析处理 通信一体化 蓝牙技术是一种小范围信息无线传输系统 有很高的抗干扰能力和较高的通信速率 数据速率 1Mb s 推出后已表现出较强的生命力 当前对蓝牙技术的应用主要集中于小型的移动通信设备 它 不仅仅简单消除了电缆连接 还提供了包括网络在内的宽范围标准设备和通信选项的入口 把蓝牙技 术应用于医疗设备中的研究尚处于起步阶段 但已显示出广阔的前景 本文研发的多生理参数医疗监护仪采用嵌入式系统设计 用蓝牙技术替代常规的有线电缆实现与相 关设备无线通信 能够多路采集 实时显示 二十四小时生理信息存储 生理参数统计分析与诊断 监督报警 实时检测人体心电信号 心率 血氧饱和度 血压和体温等多生理参数 是一种适用于基 层医院 社区医疗以及能面向家庭的新型多功能监护仪 1 1 蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙技术是由爱立信 IBM Intel 诺基亚 东芝等 5 家公司于 1998 年 5 月联合制定的近距离无 线通信技术标准 是一个开放的全球工业标准 其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境 建立通用的无线电空中接口 Radio Air Interface 将通信技术与计算机技术进一步结合起来 提供 一种低价位 低功耗 可替代电缆的无线数据和语音链路 使设备能在近距离范围内实现相互通信或 1基金项目 广东省科技攻关项目 基金项目 广东省科技攻关项目 B2040840 第 2 页 共 5 页 操作 蓝牙技术采用跳频机制进行数据传送 能极大地提高数据传送的抗干扰性能 工作在全球公众 通用的 2 4GHz ISM 工业 科学 医学 频段 传输速率为 1Mbps 传输距离为 10m 100m 可构成最多 由 8 台设备构成的微微网 Piconet 亦可再由多个独立 非同步的微微网 Piconet 拓扑形成分布 式网络 Scatternet 同时信道可采用采用 0 位 40 位 60 位密钥加密 目前已由 Bluetooth SIG 组织制定蓝牙 1 2 系统国际规范 本监测仪的蓝牙无线模块采用蓝牙主机 主机控制器模型 其协议 栈如图 1 所示 用户应用程序 其他高层驱动程序 L2CAP RFCOMM HCI驱动程序 物理总线接口驱动程序 USB RS232 HCI固件 基带与链路控制器 射频 物理总线固件 USB RS232 蓝牙主机 PC 嵌入式系统 物理总线硬件 蓝牙硬件 链路管理器固件 模模拟拟信信号号 调调理理模模块块 主控制处理器模块 LCD液晶 显示模块 操作按 键模块 触摸屏操 作模块 电源管 理模块 FLASH ROM 数据存储模块 DRAM 内存模块 USB 模块 人体生理信号 蓝牙无线 网络模块 图 1 蓝牙主机 主机控制器模型协议栈 图 2 系统原理框图 2 2 芯片概述芯片概述 2 12 1 主控制处理器主控制处理器 S3C44B0XS3C44B0X S3C44B0X是SAMSUNG公司推出的基于ARM公司ARM7TDMI核心的16 32位RISC高性能微处理器 主频可 达66MHz 它集成有8KB缓存 LCD控制器 2路UART 4通道DMA 5路带PWM的定时器 RTC控制器 8路 10 bit ADC IIC总线接口 IIS总线接口 同步SIO接口 带PLL的时钟发生器 71个I O口 其中包括8 个外部中断源输入口 8个内存BANK 每个BANK寻址32M字节 有四种工作模式 可以降低系统功耗 S3C44B0X高集成度有利于系统的微型化 同时适合于对功耗敏感的系统 如手持便携式系统 2 22 2 蓝牙模块蓝牙模块 BLUECORE2 EXTERNALBLUECORE2 EXTERNAL CSR 公司的 BLUECORE2 EXTERNAL 蓝牙模块是集成有射频收发 基带控制和管理 蓝牙主控制器接 口协议 HCI 的单一芯片 核心工作电压为 1 8V 输入输出端口工作电压 3 3V 芯片内硬件和固件符合 蓝牙规范 V1 1 和 V1 2 内建有 32Kbytes RAM 同时支持最大 8MB 外部 FLASH ROM 射频发射功率支持 CLASS2 2 5mW 和 CLASS3 1mW 如外加功率放大器也支持 CLASS1 100mW 提供 HCI USB 接口 符合 USB 规范 V1 1 和 UART 接口 速率 1 5Mbaud PCM CODEC 音频接口 SPI 串行外设接口 12 个可编 程数字 I O 口和 3 个可编程模拟 I O 口 用它作蓝牙主芯片使外围元件数减少到最低 3 3 系统工作原理和总体设计系统工作原理和总体设计 本监护仪克服了传统监护仪的体积大 附件多 有线检测传输方式 组网不方便 检测参数单一 扩展交互能力差的不足 其系统原理框图如图 2 所示 它的工作原理是 由 ECG 导联电极来检测反映 心脏电生理活动的心电信号 由温度传感器检测体温信号 由红外光谱血氧传感器检测血氧饱和度信 号 由压力传感器检测血压信号 这些信号分别送到各自的生理信号模拟调理模块 针对各种信号的 特点和要求进行放大 滤波等处理 并将信号放大调整到一定的幅度 此处为 0 2 5V 以内 再经主 控制处理器内含的十位 A D 转换器把模拟信号转换成数字信号 主控制处理器模块运行 uClinux 嵌入 式操作系统和片上生理信号分析应用软件对数据进行分析处理和阈值比较及报警 同时由 LCD 显示模 块以图形方式实时显示 ECG 图形和各参数测量分析结果 由 FLASH ROM 模块完成对数据的压缩存储 通过蓝牙无线传输模块功能 将数据实时发送到工作站 得出更为详细的检测报告 以便提供给医务 人员作为疾病诊断评价时参考 第 3 页 共 5 页 4 4 硬件电路硬件电路 硬件电路部分包括生理信号模拟调理模块 采用 ARM 公司先进的 RISC ARM7DMI 内核 Samsung 公司 的 S3C44B0X 66MHz CPU 芯片作为主控制处理器模块 采用两片 AMD 公司的大容量高速 3 3V 电压可快 速擦除编程的 64Mbits 和 256MbitsFLASH ROM 各一片作为存储模块 以 USB 芯片和 CSR 公司单片式 BLUECORE2 EXTERNAL 为芯片的蓝牙无线网络模块 16MB DRAM 内存模块 分辨率为 320 240 的 LCD 液 晶显示模块 四线电阻触摸屏模块 操作按键模块 各模块具体实现以下功能 1 生理信号模拟调理模块实现对多生理信号的拾取 对低频 高频 工频等干扰信号进行滤波 和抑制 对模拟量进行放大 零点调整和满量程调整 由于人体生理信号十分微弱 V mV级 且信 号源内阻很大 几十K 几百K 在检测生理信号的同时存在强大的干扰 如工频50Hz 极化电压 因皮肤接触电阻引起的伪差信号干扰等 因此 前置级放大采用运放组成并联型差动放大器模型 同 时运用多导电生理信号浮地跟踪技术的双层屏蔽驱动与右脚驱动 后级电路采用廉价的仪器放大器 将双端信号转换为单端信号输出 能取得很高的共模抑制比和输入阻抗 2 主控制处理器模块结合uClinux嵌入式操作系统和片上采样分析软件实现对模拟生理信号的 A D模数转换和控制 数字滤波和小波分析 数据计算分析 同时控制和管理硬件部分的每个模块 3 存储模块利用大容量高速FLASH ROM 实现各种生理数据的实时存储 可同时存储24小时的动 态心电图ECG和心率 血氧饱和度和体温等综合生理参数 FALSH ROM具有可擦除 可写入功能 即使 系统电源关闭 其上的存储数据也不会丢失 4 无线网络模块实现生理数据的无线传输和蓝牙无线网络服务 与PC或其他设备上的蓝牙无线 端口连接实现蓝牙技术中的微微网 Piconet 即同时最多可由8台带蓝牙接口的设备构成的对等的蓝 牙无线网络 蓝牙通信模块采用蓝牙USB dongle的方式 即主控制处理器模块通过USB物理接口和协议 与蓝牙芯片BLUECORE2 EXTERNAL相互通信 5 LCD液晶显示模块 触摸屏模块 操作按键模块共同实现人机界面 完成生理信号和参数的 实时显示 应用软件的操作界面的操作和按键信息的输入 5 5 软件设计软件设计 5 15 1 软件层次软件层次 软件部分包括 uClinux 嵌入式操作系统 驱动程序及智能化的片上生理参数诊断分析应用软件 软件层次如图 3 所示 1 uClinux 嵌入式操作系统是面向微控制领域的嵌入式 Linux 系统 是专为没有 MMU 的微处理器 如 ARM7TDMI Coldfire 等 设计的嵌入式 Linux 操作系统 uClinux 具有开放源码 完全免费 可灵活裁减 网络支持完善 能将实时模块编译入内核等特点 因此将 uClinux 作为蓝牙接入终端 开发的软件平台 2 HCI 驱动程序 实现蓝牙主机控制器接口协议 USB 驱动 LCD 液晶显示驱动等驱动程序 符合 uClinux 嵌入式操作系统设备驱动程序所需的规范 实现对系统各种硬件资源的底层功能 实现向 较高软件层提供透明支持 片上应用软件 uClinux操作系统 蓝牙USB驱动 心电数据 处理 血氧饱和度 处理 血压 处理 体温 处理 生理参数 显示 报警 生理数据采集控制RAM存储处理 蓝牙USB无线DONGLE硬件接口 生理参数FLASHROM 存储处理 蓝牙通信 处理 图 3 软件层次图 第 4 页 共 5 页 3 智能化的片上生理参数诊断分析应用软件 应用现代时域 频域及时频结合的小波分析方法 它不仅使检测更精密 更准确 而且能对数据进行快速自动分析处理 并结合医学专家经验解决 生物医学信号自动检测 分析及显示 应用程序的开发在嵌入式软件开发环境下 利用 Gnu 开发 套件由 C C 语言交叉编译完成 5 25 2 软件程序的实现软件程序的实现 5 2 1uClinux 操作系统的加载 FLASHROM 中依次固化有 BootLoader uClinux 内核的启动参数 uClinux 内核和根文件系统的压缩 文件 BootLoader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序 初始化硬件设备 建立内存空间 的映射图 将 uClinux 内核映像和根文件系统解压后加载到系统 RAM 中 然后跳转到内核的入口点运 行 BootLoader 是严重地依赖于硬件而实现的 依赖于 CPU 的体系结构和具体的嵌入式板级设备的配 置 5 2 2蓝牙主控制器接口协议 HCI 驱动的实现 由于本监护仪的蓝牙无线模块采用 HCI 协议提供的标准 USB 接口来完成主机与蓝牙模块的控制和 通讯 需要实现 USB 接口驱动 蓝牙协议采用的是已有的 USBV1 1 规范协议 限于篇幅 uClinux 系统 下 USB 接口驱动程序不再详述 下面仅就蓝牙 HCI 协议驱动程序给出蓝牙通信步骤 代码如下 1 对本地蓝牙设备配置 void HCIUSB Configure 将 HCI 配置指令 流量控制指令和参数放入 BUFFERS 中 打包后发送 2 查询有效范围内其他蓝牙设备 void HCIUSB Inquiry 将 HCI 查询指令和参数放入 BUFFERS 中 打包后发送 3 建立 ACL 连接 void HCIUSB ACLConnection 将 HCI 查询指令返回的地址作为参数的 ACL 连接指令和参数放入 BUFFERS 中 打包后发送 4 ACL 数据发送和接受 Void HCIUSB SendACLData 将 ACL 数据分组放入 BUFFERS 中 打包后发送 Void HCIUSB GetACLData 将 BUFFERS 中 ACL 数据分组 拆包后送给上层软件 5 断开连接 Void HCIUSB QuitACLConnection 将 HCI 断开链路指令放入 BUFFERS 中 打包后发送 5 2 3 FLASHROM 片上应用软件的实现 片上应用软件如图 3 所示 程序全部由 Gnu 开发套件编写及交叉编译 由于人体生理信号频带一 般定为 0 100HZ 信号采样速率为