便攜式遠程心電監(jiān)護儀的原理與設計實例

　　2.5 數(shù)據(jù)存儲模塊設計

　　本設計選用SD卡作為外接存儲硬盤。SD存儲卡具有大容量、高性能、安全性好等特點的多功能存儲卡，被廣泛用于數(shù)碼相機、掌上電腦和手機等便攜式設備中。SD卡上所有單元由內(nèi)部時鐘發(fā)生器提供時鐘，接口驅(qū)動單元同步外部時鐘的DAT和CMD信號到內(nèi)部所用時鐘。SD卡有兩種通信協(xié)議，即SD通信協(xié)議和SPI通信協(xié)議，與SPI通信協(xié)議相比，SD通信協(xié)議的最大優(yōu)點是讀寫速度快，單根數(shù)據(jù)線理論上可以達到25MB/秒，四線傳輸可以達到100M/s，本設計采用的是四線SD通信協(xié)議。

　　本設計中對SD卡的協(xié)議采用軟件編寫：首先在SOPC Builder里定義了六個I/O口：SD_CMD、SD_DAT0-DAT3、SD_CLK，分別對應SD卡的命令、數(shù)據(jù)、時鐘端口，然后在NiosII IDE上按照SD卡的傳輸協(xié)議編寫C程序來對六個I/O口進行操作，以此來實現(xiàn)SD卡的傳輸協(xié)議。 在完成SD卡數(shù)據(jù)塊的讀寫基礎上移植了文件系統(tǒng)FAT16，這樣在不影響讀寫速度的條件下節(jié)省FPGA的資源。

　　2.6 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

　　為了實現(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)交換，本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。設計采用DM9000A作為以太網(wǎng)控制芯片。DM9000A是DAVICOM公司的一款高速網(wǎng)絡控制器，具有通用處理器接口、一個10/100M PHY和4K字節(jié)的SRAM。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸，設計需要完成的任務有：在NiosII上移植了uClinux操作系統(tǒng)、完成網(wǎng)絡底層驅(qū)動程序的設計、基于網(wǎng)絡協(xié)議的應用程序開發(fā)。其中在NiosII上移植了uClinux操作系統(tǒng)的工作已經(jīng)完成[4]，因此本設計的關鍵任務是完成網(wǎng)絡驅(qū)動程序設計與應用程序開發(fā)。

　　基于DM9000A的HAL設備驅(qū)動設計主要分為兩步：首先是DM9000A的Avalon總線接口邏輯設計；其次DM9000A的讀寫驅(qū)動程序設計；最后按照HAL的驅(qū)動模式將DM9000A的驅(qū)動程序移植進HAL。DM9000A是作為Avalon總線的從外設與NiosII進行通信。DM9000A的Avalon總線接口邏輯主要完成芯片信號與Avalon總線接口信號的對接。

　　DM9000A不允許直接訪問芯片內(nèi)部的寄存器，需要通過數(shù)據(jù)端口和索引端口來讀寫。而這兩個端口由CMD管腳控制：當CMD接高電平時為數(shù)據(jù)端口，CMD接低電平為控制端口。

　　創(chuàng)建HAL設備驅(qū)動包括：創(chuàng)建設備實例和登記設備[5]。設計中針對LWIP的結構，定義一個結構體作為DM9000A設備的alt_dev結構：

　　在NiosII啟動時，將在alt_sys_init()中對設備初始化，初始化程序如下：

　　應用程序設計采用TCP/IP、HTTP協(xié)議，把監(jiān)測器作為Web服務器端，遠程PC端作為客戶端通過網(wǎng)頁顯示采集到的心電波形。

　　3 實驗結果

　　系統(tǒng)對人體心電信號進行了采集，通過LCD面板進行實時顯示。通過SD卡存儲數(shù)據(jù)，同時采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程的PC端上，以下是對系統(tǒng)功能的驗證與測試結果。

　　3.1 信號采集調(diào)理模塊

　　心電信號采集調(diào)理模塊是自行設計的采集板，主要測量參數(shù)為前置放大器的通道帶寬、放大能力和陷波特性。經(jīng)測試，測試信號在1--1KHz的頻帶帶寬內(nèi)放大增益基本穩(wěn)定在12.1dB，即其通道帶寬能≥ 1kHz；在頻率為20Hz和50Hz時，放大器對40--800mV信號的放大能力增益并無明顯變化，基本穩(wěn)定在11.7 dB--13.1 dB；同時，陷波器在對50Hz信號濾波時能將放大增益控制到0.5 dB以下。因此，基于心電信號的特點所設計的采集調(diào)理模塊能穩(wěn)定的獲得人體的心電信號。

　　3.2 信號顯示模塊

　　圖5是采集后的心電信號通過本地的LCD面板實時顯示。從顯示結果看，心電信號的PQRST五個特征點明顯，波形平滑，并且在實際測量中穩(wěn)定無干擾，能真實反映出采集后的心電信號。

圖5 心電信號在本地LCD面板顯示

　　3.3 網(wǎng)絡傳輸模塊

　　在設計中，網(wǎng)絡接口功能的實現(xiàn)使采集到的心電信號通過以太網(wǎng)發(fā)送到遠程PC端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。根據(jù)TCP/IP協(xié)議與HTTP協(xié)議，信號經(jīng)過打包處理后發(fā)送到網(wǎng)絡上。在遠程PC端，通過網(wǎng)頁瀏覽器就可以觀看到服務器端采集到的心電波形。圖6是心電信號在遠程PC端的網(wǎng)頁瀏覽器上顯示結果。該測試結果顯示其與本地的LCD面板顯示波形基本一致，實現(xiàn)了遠程傳輸功能。

圖6 遠程PC端網(wǎng)頁顯示

　　實驗表明，該心電監(jiān)護系統(tǒng)能實時準確的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示、存儲和傳輸功能。

　　4 結論

　　設計中采用了SOPC技術與IP核復用技術，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，同時使系統(tǒng)具有便攜式、靈活性、功能可擴展等功能。通過移植uClinux操作系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有了強大的網(wǎng)絡功能與更加強健的系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是設計只是通過了系統(tǒng)板級的功能驗證，沒有具體考慮現(xiàn)代便攜式產(chǎn)品中的電源功耗等問題，離真正的產(chǎn)品還有一段距離。

　　參考文獻：

　　[1] Glykas, Michael; Chytas, Panagiotis. Next generation of methods and tools for team work based care in speech and language therapy: Telematics and Informatics, v 22, n 3, August, 2005, p 135-160.

　　[2] 李蘭英等.NiosII嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[M].北京航空航天大學出版社.2006.

　　[3] TI.TLC549 DATASHEET[J].http://www.TI.com.

　　[4] 蔣巍泉；王前；吳淑泉.基于NiosIl的uClinux研究與應用[J].科學技術與工程，2006.4(6) ：1069-1075

　　[5] ALTERA.NiosII Documentations[J]

　　[6] Glykas, Michael; Chytas, Panagiotis. Next generation of methods and tools for team work based care in speech and language therapy: Telematics and Informatics, v 22, n 3, August, 2005, p 135-160.

　　[7] Ogawa, Hidekuni; Yonezawa, Yoshiharu; Maki, Hiromichi; Sato, Haruhiko; Caldwell, W. Morton A web-based home welfare and care services support system: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings, v 3, 2002, p 1893.

　　[8] Designing smart health care technology into the home of the future Warren, Steve (Sandia Natl Lab); Craft, Richard L. Source: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings, v 2, 1999, p 677