S3C2410A和nRF401芯片实现多床位遥测心电监护仪的设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 S3C2410A和nRF401芯片实现多床位遥测心电监护仪的设计 3.3无线收发模块 无线收发模块采用Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片nRF401，该芯片工作在433MHzISM（Industrial，scientific and Medical）濒段。该频段无需申请许可证。并采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频牢稳定性好，数据传输速率可达20kbDs，传输距离可达1000m，完全满足本设计所需要的通信距离要求。不同于其他的RF单片芯片，nRF401通过单片机串口直接于MCU通信，而无需对数据开展曼彻斯特编码，这使的nR

2、F401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，具有成本低、一致性好等特点。本设计中，nRF401直接与S3C2410A的串口1连接。 3.4存储、显示和键盘模块 为了实现大容量的数据存储，利用S3C2410A自带的Nand Flash控制器扩展了一片16Mx8位的Nand Flash存储器，可存储12小时的心电数据。为了使用户能够对采集到的心电信号有一个直观的印象和开展常识性的观察，利用S3C2410A自带的LCD控制器，设计了LCD显示屏的接口，并选用了一块240 x128的LCD显示屏，用于显示所采集的心电信号及一些基本参数。系统还设计了一个4x4的键盘模块，用户可通过键盘实现

3、一些基本功能的切换。 4 系统软件设计 本系统的软件设计是基于Windows CE操作系统的。Windows CE是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可升级的操作系统，具有多线性、多仟务、全优先的操作系统环境。由于Window CE操作系统本身没有自带独立的开发环境，因此，需要在PC机（宿主机）上完成应用程序的开发，实现仿真.并针对ARM嵌入式设备（目标机）开展交叉编译，使其与目标机的CPU体系构造相匹配，使操作系统和应用软件在目标机上也能正常运行。然后再移植到各目标机上。在Windows CE操作系统构建起来之后，就是上层应用程序的实现问题。 4.1中心监护端程序设计 Wi

4、ndows CE是一个多任务、多线程的操作系统6。图为中心监护端的功能不只是单一的网络通信，还要开展数据分析和处理，所以不在主线程中直接开展通信。而是在主线程中创立一个单独的子线程负责等待PC机的命令，收到命令后，为其创立一个单独的通信子线程与相应的终端节点开展通信.等待子线程继续等待PC机的命令。通信子线程接收数据并开展校验，并通过USB口传递到PC机。 由于多个通信子线程可能会同时对共享资源nRF401开展访问，形成线程冲突，因此需要协调好各个线程之间的同步问题。互斥对象（Mutex）是Windows CE操作系统所提供的实现线程同步的方法之一，主要用于协调多个线程对共享资源的访问，其原理

5、是只有拥有互斥对象的线程才具有访问共享资源的权限。由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。首先，利用API所提供的函数CreateMutex（）创立一个互斥对象，初始化为FALSE状态以标识该互斥对象处于未被任何线程占有状态。通信子线程通过waitForSingleobiect（）来请求占用该互斥对象，若此时该互斥对象被占用，则该线程需等待直到前一线程释放后才能成功占用；若此时该互斥对象未被占用，则可以实现对共享资源nRF401的访问。例如负责与床位号为n的监护终端通信的子线程获得对nRF401的访问权后，该子线程会发送一个1字节的同步信号“n”，床位

6、号为n的监护终端接收到命令后，返回“n”作为应答，该通信子线程收到应答，核对正确后，双方开始数据传输，监护终端将数据及其校验和以数据包的形式传送给中心监护端。该子线程接收完毕后，结束通信，用ReleaseMutex（）来释放对互斥对象的拥有权，完成对于共享资源nRF401的访问，从而其它线程可有时机获取对nRF401的访问权。然后对所接收的数据开展校验，再次提出占用互斥对象请求。这样，每个通信子线程访问nRF401的时机均等，子线程问相互独立，防止了程序死锁在一个连接上，提高了系统的整体响应速度。 4.2监护终端程序设计 监护一个床位的各监护终端的程序设计同样采用多线程的构造，在主线程中对心电

7、信号开展A/D转换、必要的处理和存储、显示等。另创立一个子线程，置nRF401为接收状态，等待接收中心监护端的命令，收到命令并检验合法后，置nRF401为发送状态发送回应，并从存储器巾读取数据打包发送，若收到中心监护端校验错误信息，则重发数据包。 4.3 QRS波的检测 在心电分析中，要开展参数测量和波形分析，计算R-R间隔和心率，首先要开展QRS波的检测。本文采用四点平均滤波器法首先对心电信号开展滤波，滤除电源工频干扰、基线漂移，肌电噪声、运动伪迹等所带来的干扰。其解析式为： 其对心电信号的中心频率（17Hz）影响较小，同时可抑制高频噪声和50Hz的工频干扰。再对经过滤波后的心电信号的一、二

8、阶差分值开展平滑处理，利用心电信号的二阶差分值极小值和一阶差分过零点在较短的时间窗内实现QRS波 定位。即对四点滤波后的心电信号y（n）开展一阶和二阶差分，通过不应期判别、幅值判别等方法找到R波对应的二阶差分的极小值的位置。再根据啊二阶差分与x（n）、y（n）的时延关系，求出滤波信号和原心电信号中R波的位置。在心电信号的一阶差分信号中，R波和与其对应的Q，S波的位置关系为：如果R波在一阶差分信号中为QRS波群所对应的向下过零点（其值为负），则Q波应为R波所在位置前面的第1个向上过零点（其值为正）；S波为R波所在位置后面的第1个向上过零点（其值为正）。这样，由已知的R波的位置即可检测出 Q，S在

9、一阶差分中的位置，再根据时延关系就而可以求出R-R问期、心率等参数。由于筹分会增加部分高频噪音，上述计算是在一阶和二阶差分经平滑移动处理后开展的。该算法能抑止多种噪声对心电信号的影响，经过临床测试，在静息和慢走情况下.算法对动态心电的检测准确率非常高；即使在做体操和慢跑的情况下，其正确率还是在99.8以上。 5 实验结果 使用此监护仪分别对12名志愿者开展了心电数据采集。实验说明，该监护仪能同时监护12个病人，也能独立监护1个病人，实时性良好.心电波形显示清晰，对心电数据分析准确，心律失常时，会自动报警，并对其开展存储和回放。佩戴者可在半径100米范围内活动得到较好的监护，采用2节5号电池供电，可连续监测20小时。 6 结论 本文设计了一种基于ARM9微处理器的新型便携式多床位无线遥测心电监护仪，该监护仪硬件集成度高，体积小，功耗低，便于患者随身携带，在不影响患者日常活动的同时使患者得纠较好的监护。本文的创新之处是采用Windows CE嵌入式操作系统作为