基于嵌入式系统的便携式多参数健康监护仪设计

1、    基于嵌入式系统的便携式多参数健康监护仪设计    电子技术应用    代永陆，唐晓英，刘伟峰 时间:2008年03月31日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 监护仪 嵌入式系统 S3C44B0X 心电波形 脉搏波近年来，人

2、们越来越关注健康问题，生命健康监护已成为一个重要课题。以往的生命健康监护仪，体积通常比较大，而且价格昂贵。这类仪器主要应用于医院的病房，用作对病人监护。为适合普通人群在医院以外的地方，如家庭、野外等环境下对身体健康状况的监护要求，设计了一种便携式多参数健康监护系统。本系统具有体积小、使用方便、功能强大等特点，可随身携带，检测人体的某些重要生理参数，并实时显示。1 系统总体设计2 系统具体设计2.1 芯片选择2.2 系统硬件电路设计本系统中因采用了集成度很高的单片微控制器MSP430，所以系统的外围电路设计相对简单。信号采集硬件电路主要包括前端模拟电路设计、光源控制电路、电平转换电路和光电隔离电

3、路。如前所述，模拟信号通过MSP430内置的A/D转换成数字信号。前端模拟电路采用两级放大和低通滤波完成对信号的处理。光源控制电路通过双脉冲驱动电路依次点亮红光和红外光发光二极管实现对脉搏波的光电测量。为增强系统的安全性，系统采用专门的光电隔离电路实现电气隔离，以保证使用仪器时人体的绝对安全。温度测量部分采用美国DALLAS公司的DS1820高精度数字温度传感器。该传感器采用单线接口，可直接把采集结果以9位数字量方式串行传送到MSP430F149中，由此可计算得到温度值。本模块电路如图2所示。数据处理模块的核心是ARM芯片S3C44B0X。本系统要采集的信号较多，需存储的数据量大。系统应用S3

4、C44B0X存储单元设计了三层存储体系结构：片内Cache、片外主存和片外辅存，另外还有存储启动代码的线性Flash。具体设计如图3所示。S3C44B0X集成了大量应用资源，系统设计利用了其内部的LCD控制器和串行通信UART接口，简化了外围电路设计。系统设置了四个按键，用来实现用户控制命令的输入。按键功能分别为采集心电、脉搏信号和体温并在LCD显示相关的参数。LCD驱动电路用于驱动液晶触摸屏。2.3 系统软件设计系统软件在启动C/OS-II之前先进行系统硬件和操作系统的初始化。然后进入系统主任务，等待键盘响应。当按键按下时，系统向单片机发出命令采集相应的生理信号，并等待接收采集的数据。接收数

5、据后进入数据处理子程序，计算得到所要求的生理健康参数，并进行显示。系统软件流程如图4所示。数据处理过程中，首先对单片机采集到的数据进行软件滤波。在心电信号的检测放大中，50Hz干扰及高频杂波干扰最为严重，本系统设计了整系数IIR数字滤波器，便于在32位处理器中快速执行，其数学模型如下：Y(n)=2Y(n-1)-Y(n-2)+X(n)-2X(n-10)+X(n-20)式中：X(n)表示滤波前的信号，Y(n)表示滤波后的信号。在脉搏波信号的处理中，采用7点平均的方法滤波，滤波公式为：Yn=(Xn-3+Xn-2+Xn-1+Xn+Xn+1+Xn+2+xn+3)/7经实际应用证明，此方法可进行有效滤波，为下一步对波形分析计算生理参数提供了保证。系统根据采集到的心电波形计算出心率参数，根据脉搏波形计算出血氧饱和度和血液粘稠度等参数。根据波形计算所需参数的算法是软件编写的难点和关键。结合芯片的运算速度，并考虑实时性要求，算法采用阈值判别法。此类算法在文献3、4中已有应用，本系统对算法进行了改进，以更好地完成所需要的功能。此软件设计主要根据得到的指令采集相应的生理信号，经A/D转换后通过串口发送到数据处理模块。其流程如图5所示。3 系统调试经调试，系统可在LCD上实时显示采集到的脉搏波和心电波形，并同时显示计算出的参数。实测中，根据本系统计算得到生理参数的准确度可达9