便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　心電圖（ECG）是心臟疾病診斷的重要手段。常規(guī)心電圖是病人在靜臥情況下由醫(yī)院的心電圖儀記錄的短時(shí)間心電活動(dòng)，由于心臟病發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性，所以在非發(fā)作期做常規(guī)心電圖檢查獲取疾病信息的幾率很低。

　　因此，將心電監(jiān)護(hù)從病床邊、醫(yī)院內(nèi)擴(kuò)展到家中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　互聯(lián)網(wǎng)尤其是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的迅速普及促使嵌入式技術(shù)應(yīng)用的條件日趨成熟，此外，心電監(jiān)護(hù)對(duì)心臟病診斷的重要性也使得遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)也具有現(xiàn)實(shí)的可能性。

　　本文主要研究并設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的便攜式移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)可以隨時(shí)隨地將患者的心電信號(hào)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)無(wú)線發(fā)送到設(shè)在醫(yī)院的PC機(jī)上，或者將心電數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在本系統(tǒng)中，然后再通過(guò)USB實(shí)現(xiàn)高速回放。

　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本文所設(shè)計(jì)的便攜式移動(dòng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由心電監(jiān)護(hù)儀、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)護(hù)中心三部分組成（如圖1所示）。其工作過(guò)程如下：

　　圖1：便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體框圖

　　心電監(jiān)護(hù)儀由患者隨身攜帶，通過(guò)粘貼式電極可隨時(shí)采集用戶的心電數(shù)據(jù)，并進(jìn)行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，然后存儲(chǔ)到串行閃存中。當(dāng)存儲(chǔ)一定時(shí)間的心電數(shù)據(jù)后，可以通過(guò)GPRS無(wú)線上網(wǎng)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給位于監(jiān)護(hù)中心的上位機(jī)。也可通過(guò)USB直接連接到上位機(jī)，進(jìn)行本地高速回放。

　　本文將重點(diǎn)介紹心電監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)。由于是便攜式設(shè)備，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮盡量降低功耗、體積和成本。經(jīng)過(guò)反復(fù)地分析比較，最終決定采用Z-World公司的工業(yè)級(jí)控制芯片Rabbit3000微處理器作為心電監(jiān)護(hù)儀的主芯片。

　　盡管Rabbit3000是8位微處理器，但其內(nèi)存空間可達(dá)1M，主頻可達(dá)22M。它具有豐富的接口資源，共有40條并行I/O口線（與串行口共用）。此外，該器件的功耗非常低，處理器時(shí)鐘可由32.768KHz振蕩器驅(qū)動(dòng)，并將主振蕩器斷電。此時(shí)電流約為100μA，而處理器仍能保持每秒10，000條指令的執(zhí)行速度。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　在進(jìn)行總體硬件設(shè)計(jì)時(shí)，以Rabbit3000高性能微處理器為核心，利用外部接口擴(kuò)展了512K的并行Flash和512K的SRAM，存儲(chǔ)空間達(dá)到1M，并擴(kuò)展了USB接口。利用串行接口擴(kuò)展了串行Flash、A/D轉(zhuǎn)換和無(wú)線模塊MC35。以下重點(diǎn)介紹無(wú)線模塊和USB模塊的硬件設(shè)計(jì)。

　　1. 無(wú)線模塊MC35硬件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線模塊負(fù)責(zé)完成心電數(shù)據(jù)的無(wú)線傳送。為實(shí)現(xiàn)此功能，本系統(tǒng)采用了西門子公司的MC35模塊。這是西門子公司首款支持GPRS的GSM/GPRS模塊，體積小巧，易于集成到便攜式終端中。通過(guò)串行口連接，使用AT命令對(duì)該模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳送。

　　西門子公司的MC35模塊具有一個(gè)40腳的零插入力連接器，該連接器中提供了串行接口、音頻接口、SIM接口、狀態(tài)引腳、電源接口等接口，通過(guò)這些接口與SIM卡座、天線以及主控制器相連。MC35的串行接口TXD0和RXD0與Rabbit3000的串口B，即引腳TXB和RXB（PC4和PC5）相連，以實(shí)現(xiàn)與MC35之間的通信。MC35的IGT引腳為其啟動(dòng)引腳，需要開漏極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。而Rabbit3000的端口E具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，因此選用PE5作為MC35的啟動(dòng)控制線。在MC35的電源接口中有電源輸入引腳、電源輸出引腳和充電引腳，其中充電引腳可用來(lái)給電池充電。本系統(tǒng)采用電池供電或外部充電。如圖2所示。

　　設(shè)計(jì)時(shí)需注意的兩點(diǎn)是：本系統(tǒng)使用電池供電，由于MC35在上行傳輸需提供2A的峰值電流，這會(huì)引起電壓突然下降，因此設(shè)計(jì)電路時(shí)要加足夠大的電容，以防電壓突然下降；在SIM卡電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意電磁兼容性的問(wèn)題，否則會(huì)影響MC35的通信效果，甚至導(dǎo)致MC35無(wú)法正常工作。

　　圖2：MC35模塊硬件連接圖

　　2. USB模塊硬件設(shè)計(jì)

　　USB模塊負(fù)責(zé)完成心電數(shù)據(jù)的本地高速回放，它提供了另一種數(shù)據(jù)傳輸手段。通常的串口RS-232只是利用一條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而USB傳輸是利用D+和D-線上的差分信號(hào)，與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，充分保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本系統(tǒng)采用恩智浦公司的PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)USB傳輸。

　　PDIUSBD12（以下簡(jiǎn)稱D12）是恩智浦公司的一款性價(jià)比很高的USB芯片，完全符合USB1.l版的規(guī)范。是在USB1.1協(xié)議設(shè)備端使用最多的芯片之一，是一種純粹的USB接口芯片，需要外部微處理器控制。

　　本系統(tǒng)利用Rabbit3000微處理器控制USB芯片D12來(lái)完成USB傳輸，此時(shí)D12就是單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)。D12與Rabbit3000之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)8位數(shù)據(jù)線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即D12的并口數(shù)據(jù)線D0-D7與Rabbit3000的數(shù)據(jù)線D0-D7直接相連。

　　D12的INT_N引腳與Rabbit3000復(fù)用引腳INT0A相連，作為Rabbit3000的外部中斷輸入。當(dāng)D12需要進(jìn)行操作時(shí)，就利用INT_N引腳發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求，Rabbit3000立即響應(yīng)中斷，對(duì)其進(jìn)行操作。D12的RD_N和WR_N分別與Rabbit3000的IORD和IOWR相連，以控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?。D12的RESET_N與Rabbit3000的復(fù)用引腳PE4相連，Rabbit3000可以利用這個(gè)引腳向D12發(fā)出一個(gè)低電平，RESET_N被置為低電平后，D12便自動(dòng)復(fù)位了。D12的CS_N與Rabbit3000的復(fù)用引腳PE7相連，可以通過(guò)這個(gè)引腳來(lái)控制片選。如圖3所示。

　　圖3：PDIUSBD12模塊硬件連接圖

　　D12有兩種數(shù)據(jù)總線方式：多路地址/數(shù)據(jù)總線方式和單地址數(shù)據(jù)總線方式。本系統(tǒng)采用單地址數(shù)據(jù)總線方式，將D12的ALE接地，A0與Rabbit3000的地址總線A0相連，在片選信號(hào)有效的前提下（即PE7=0），當(dāng)A0=1時(shí)，CPU給D12發(fā)命令；當(dāng)A0=0時(shí)，CPU向D12寫數(shù)據(jù)或從D12讀數(shù)據(jù)。因此，地址0xE001為發(fā)送命令地址，地址0xE000為讀寫數(shù)據(jù)地址。