基于ARM处理器的便携式心电血压检测仪

　　摘　要： 介绍了基于ARM嵌入式微处理器S3C44B0X的心电血压检测系统的结构及主要特点，给出了其软硬件设计方法。该系统人机接口简单、使用方便，实现了对人体心电、血压信号的采集、显示、打印和传输。使用结果表明,该方案稳定可靠、测量结果准确。
　　关键词： 嵌入式系统 模数转换 PS2键盘 通用串行总线
   
　　近年来，心脏病和高血压的患病率逐年增高，动态心电图和血压监测为心血管疾病的预测、诊断和评估提供了极有价值的信息。随着嵌入式系统在医用仪表中的广泛应用，本文介绍了一种以Samsung公司的S3C44B0X为核心的集血压和心电检测功能于一体的便携式家庭健康监护系统，该系统充分利用ARM的片内资源，实现了人体心电、血压信号的采集、显示、打印和传输。仪器硬件主要由S3C44B0X主控芯片、心电放大电路、血压检测模块、存储系统及外围接口电路组成，系统结构框图如图1所示。S3C44B0X内置的A/D转换器用于采集心电信号和血压信号，LCD用于显示数据，微型打印机用于输出心电图波形，用户可通过外接PS2键盘控制系统的工作状态，包括选择检测血压或心电、数据的显示和打印等。此外，USB接口可将采集数据传送至计算机以便通过Internet进行专家会诊。
   
   
1 信号调理电路
1.1 血压检测模块
　　人的心脏在射血过程中，主动脉的输出能加速整个存在于血管中的血液的流动，而血液的惯性则阻碍这个过程，即加速作用只影响到主动脉起始段中的血液，并在此处使压力升高，引起压力脉搏，这就是测量血压时所需要的两个信息：压力与脉搏。由这两种信号可以测定人体最高血压(收缩压)和最低血压(舒张压)，并计算出脉搏数，因此要获取这两种信息，就是利用心脏搏动时对血管壁的压力，将脉搏信号和压力信号转换为电信号输出。血压测量模块如图2所示。压力传感器选用Motorola公司的压力传感器MPX53GP02，它具有精确度高、线性度好、成本低等特点，使压力/电信号转换公式和系统血压测量的定标操作都得以简化，节约了软硬件资源。MPX53GP将袖套内的压力信号经过放大、滤波处理后送入A/D转换器。脉搏信号经放大器、鉴别电路、箝位整形后送S3C44B0X外部中断计数。
   
   
1.2 心电采集模块
　　心电信号是从人体体表拾取的微弱电信号，一般只有0.05～5mV，信号频率比较低，频谱范围在0.05～100Hz之间，具有微弱和易受干扰等特点。心电放大电路包括前置放大、RC高通滤波网络、100倍的后级放大、RC低通滤波网络及右腿驱动等模块。心电采集模块如图3所示。前置放大电路采用了低功耗、高精度仪表放大器AD623。它具有高输入电阻、低输入偏置电流、低噪声和高共模抑制比等特点，可通过1脚和8脚间的外接电阻Rg来设置增益(1～1000)。由于体表液体与电极之间可能形成原电池，致使电极之间存在固定的电位差，为避免饱和差分放大的增益不能太高，设定AD623增益为10。后级采用TL084等通用运放构成同相主放大电路，增益可以高达100倍，这样整个电路放大倍数可以达到1000倍。两级放大电路之间必须进行直流隔离。
   
   
　　心电检测过程中，存在很多干扰。主要有电极移动引起的基线漂移(一般小于1Hz)、工频干扰、肌电干扰(几百Hz以上)。因此将滤波器的通频带设置为0.15～100Hz，这样的带宽基本上保留了心电中大部分有用成份，能满足一般临床需要。0.15Hz高通采用RC微分实现，100Hz低通采用三阶巴特沃思滤波器。用有源双T网络滤除50Hz工频，Q值不能太大，否则电路不稳定。一般情况下，硬件电路不能完全滤除干扰，可借助软件进行数字滤波。此外，右腿驱动电路和屏蔽驱动电路是心电放大系统前端的两个附属电路，右腿驱动电路是为了防止外界电磁干扰在人体内产生位移电流，而屏蔽驱动电路则是为了增加共模信号的抑制。
2 S3C44B0X外围接口电路
　　S3C44B0X是Samsung公司推出的基于ARM7TDMI的精简指令系统的32位高速处理器，它的工作电压为3.3V，片内带有8个Memory Banks，用于管理外部存储器，最大存储容量达256M；两路UART口，最高传输速率为115200bps；71个I/O口，包括8个外部中断源，可用于键盘、LCD背光、照明控制等；LCD控制器，支持单色，4、16级灰度的LCD模块；内置PLL锁相环，可以设置系统工作频率，最高为75MHz；一路多主机I2C总线、一路SIO总线；四种系统工作模式；一个8路复用10位A/D转换器[2]。片内功能部件齐全，能很好地满足系统设计的需求。系统硬件电路如图4所示。
   
   
2.1 存储器接口电路
　　S3C44B0X自身不具有ROM，系统中选用Flash ROM SST39VF160来作为代码存储器，其映射在处理器的BANK0地址空间，系统上电复位时处理器就自动从0x00000000地址处开始取指令运行程序。考虑到S3C44B0X是按照字节编址，而Flash ROM 是以16位为一个存储单元，故Flash ROM的A19~0对应连接S3C44B0X的ADDR20~1，偏移了1位，其片选信号与处理器的nGCS0相连，将BANK0的数据总线宽度设定为16位，即OM1~0=01，在BANKCON0寄存器中设置tacc=0x6, tacp=0x0。
　　采集、存储大量数据需要的内存较大，本系统选择了SDRAM-HY57V 161610D[3]。它的数据宽度为16位，由两个BANK组成，共2MB的存储容量。由于S3C44B0X的BANK6、7支持SDRAM，本身提供了和SDRAM进行直接接口的解决方案，所以只要对与存储器控制器相关的寄存器进行适当配置即可。在BWSCON寄存器中设置BANK6的数据宽度为16位，在BANKCON6寄存器中设置MT=0x3,tred=0x0, SCAN=0x0。
2.2 A/D接口电路
　　S3C44B0X内置8路10位A/D转换器，系统用两路A/D转换通道(AIN0~AIN1)分别获得心电、血压信号的采样数据。由于不带采样保持电路，仅在较窄频带(0~100Hz)范围内的信号才可能获得正确的采样结果，若设置ADCPSR寄存器为20，则10位A/D转换的时间置为10μs。编程时要注意避免通道间切换延迟所引起的错误。
2.3 USB接口电路
　　由于心电数据量大，系统采用USB通信接口芯片USB9603实现采集数据的快速传输。USB9603是9602的改进型，使得对USB通讯的编程相对简单些，它支持USB1.1协议的节点控制器，内置7个FIFO端点，其中包括1个双向控制端点、3个发送端点和3个接收端点。该芯片没有专用的USB通信命令集，要通过对芯片内的各寄存器的操作实现USB通信的控制功能。具体措施:USB控制器与S3C44B0X的BANK3连接，即nGCS3作为USB9603的片选线，S3C44B0X的低8位数据线D0～D7与USB9603并行数据线相连，USB9603的引脚MODE0和MODE1接地，配置为非复用方式工作；引脚A0作为USB9603片内寄存器的选择线，寻址访问各寄存器对USB9603的读写操作时，分两个周期：首先把A0置为高电平，将待访问的寄存器的地址从数据线D0~D7写入USB9603，然后在第二周期把A0置为低电平，由数据线实现相应寄存器的读写操作。将USB9603的INTR引脚连接到S3C44B0X的外部中断EXINT1上，设置USB为中断请求模式。这样，整个USB通信过程主要是处理包括接收数据、发送数据在内的各种中断事件。
2.4 电路键盘接口及LCD显示
　　键盘显示以PS2键盘配合LCD液晶显示模块代替传统的矩阵按键和数码管显示，无需键盘显示驱动芯片而与S3C44B0X直接连接，接口简单方便。PS2键盘接口为mini-DIN6引脚连接器，通过DATA、CLK与S3C44B0X的PC4、EXINT0引脚连接。这里只涉及PS2键盘向S3C44B0X发送数据的单向通信，S3C44B0X作为主机对总线有控制权。PS2键盘在时钟作用下向S3C44B0X发送键值数据，S3C44B0X在时钟下降沿接收数据，时钟信号由PS2键盘内部产生。PS2键盘发送时序及数据格式如图5所示。目前使用的PS2键盘都默认采用第二套扫描码集。扫描码分为通码和断码两种类型，当一个键被按下时，键盘将该键的通码发送给S3C44B0X，而该键被释放时键盘会将其断码发送给S3C44B0X。S3C44B0X通过外部中断EXINT0串行读取键值的通码与断码来确定按键，从而选择系统的工作状态。第二套扫描码集可见参考文献[4]。
　　S3C44B0X内置LCD控制器，可以通过编程控制相应的寄存器值，以适应不同的LCD显示板。本系统选用EPSON公司的TCM-A0902单色、320×200LCD模块，可直接通过S3C44B0X的BANK2来控制。为保证显示正常，对LCD操作时应加入适当的延时。
   
   
3 软件设计
　　编程调试、软件仿真是在SDT2.5的调试平台上用标准C语言完成的，系统软件由初始化、PS2键盘处理、A/D转换、LCD显示及USB通信几部分构成。初始化是通过Bootloader完成对S3C44B0X外部中断、内置A/D转换器、I/O口及LCD控制器的设置；键盘处理是通过外部中断EINT0读取键值，按预定键值设置系统的工作模式，完成数据的采集、显示、打印及传输等功能；信号的显示则是从S3C44B0X的A/D转换数据寄存器中读取数据送LCD显示；USB接口部分主要是固件程序的开发，完成与计算机的通信，可根据芯片厂商提供的固件开发包来完成。系统控制流程如图6所示。
   
   
　　本文介绍了利用S3C44B0X微处理器作为核心控制器件，充分利用其片内外设资源实现了对血压、心电信号的采集、显示、打印与传输。系统实用性强，人机接口简单可靠，体积小、功耗低、便于携带，可以方便地在家庭中和社区内使用，是一种经济实用的健康监护系统。
参考文献
1 Samsung Electronics. S3C44B0X User Manual. http://www.samsung.com.2000
2 胥 静.嵌入式系统设计与开发实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005
3 萧世文. USB2.0硬件设计[M]. 北京:清华大学出版社，2002
4 Chapweske A着, Roy S译. PS/2技术参考.2002
5 汪叶斌,赵继敏. ARM CPU S3 C44B0X在水表智能抄表系统中的应用.电子技术应用,2001;(9):28~30