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【标    题】:

Holter的设计原理


【作者单位】:

中网心电信息中心


【内容摘要】:动态心电图是一种可以长时间连续记录并统计分析动态心脏活动的方法。动态心电图机常规心电图只能记录静息状态下仅数十次心跳周期的波形,而动态心电图可以在24h内连续记录10万次左右的心电信号。动态心电图对冠心病的诊断及药物疗效观察等具有重大意义。针对目前市场产品种类功能单一的情况,提出了一种具有触摸屏操作,实时心电图显示功能的便携式动态心电图机。系统采用基于ARM(Advanced RISC Machines)Cortex-M3构架的新型处理器,配合2.8英寸液晶屏,大容量存储,高速USB传输。系统以U盘的形式与上位机连接,数据文件以二进制格式或文本格式保存,具有免驱动、通用性强的特点。  [更多详细]

动态心电图机

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【正文内容】:

动态心电图是一种可以长时间连续记录并统计分析动态心脏活动的方法。动态心电图机常规心电图只能记录静息状态下仅数十次心跳周期的波形,而动态心电图可以在24h内连续记录10万次左右的心电信号。动态心电图对冠心病的诊断及药物疗效观察等具有重大意义。针对目前市场产品种类功能单一的情况,提出了一种具有触摸屏操作,实时心电图显示功能的便携式动态心电图机。系统采用基于ARM(Advanced RISC Machines)Cortex-M3构架的新型处理器,配合2.8英寸液晶屏,大容量存储,高速USB传输。系统以U盘的形式与上位机连接,数据文件以二进制格式或文本格式保存,具有免驱动、通用性强的特点。
    1 系统硬件结构
    笔者设计的动态心电图机的系统构成如图1所示。主要由ARM最小系统,生物电放大模块,显示输出和触摸操作模块,存储模块,高速USB接口和电源模块组成。SAM3U系列微控制器是Atmel公司于2009年6月推出的世界上第一款集成片上高速USB接口部件的ARM Cortex-M3微控制器。SAM3U专为高速数据传输而设计,其内含一个多层总线矩阵,多个SRAM块(banks)、PDC和DMA可并行工作,以实现最大数据吞吐量。SAM3U适用于USB数据令牌卡、USB应用、PC外部设备和高性能桥设备(如USB转SDIO、USB转SPI、USB转外部总线接口)。系统的人机接口设计选用带有触摸屏的TFT LCD,其尺寸为8.89cm,分辨率为240×320像素。该LCD内部集成了驱动芯片HX8347。SAM3U4E通过GPIOB与LCD通信,并遵守16位并行“8080-like”总线协议。LCD的背光电路是由4个白光LED并行连接组成的,由AAT3194驱动。SAM3U4E通过单总线接口Simple Serial Control(S2C)控制AAT3194,可以开启、关闭和设置LED背光的32级亮度。LCD模块还包含一个由ADS7843控制的4线电阻式触摸屏。SAM3U4E通过SPI总线接口与ADS7843连接。模拟电路部分采用一种单电源心电图机前置放大器设计。采用高性能仪表放大器AD623和运算放大器TLV2254,通过多级放大、滤波和抗极化电压干扰等措施,将人体毫伏量级心电信号高度放大到可供ADC采集的0~3.3V范围,同时快速消除了极化电压信号干扰。电源模块设计考虑到需要电池供电,同时满足低功耗要求,选择了美国TI公司的产品TPS61221。它为依靠碱性电池、锂电池、太阳能电池、燃料电池等供电设备提供了简单有的解决方案。其输入电压范围为0.7~5.5V。有一个使能引脚,当被禁止时,可以最大限度地减少电池电量消耗。器件采用6引脚SC-70封装,尺寸只有2×2mm2,配合2个电容1个电感就可以工作,大大节省PCB(Printed Circuitourd)面积。
    2 关键软件设计
    2.1 总体功能设计在编写程序前,需要设计系统的功能和实现方式。图2为系统软件框图,主要功能有3项:心电检测、上传数据和参数设置。该系统结构简单,容易实现,同时方便
继续扩展功能。
    2.2 关键模块设计
    2.2.1 系统与应用程序移植系统一共移植了4个中间件,分别为CooCox CoOS,uC/GUI,FS和USB。其中前两个较复杂,在移植过程中,首先在Real View MDK中分别生成了两个库文件(见图3)。而FS和USB两个中间件,直接加入了Real View MDK提供的库文件。
    2.2.2 操作系统开发便携式心电图机软件开发是基于CooCox CoOS操作系统的开发。CooCox CoOS是一款针对ARMCortex-M系列处理器而设计的免费及开源的嵌入式实时操作系统内核。具有高度可裁剪,最小系统内核仅有974Byte。支持软件定时器和无中断延时时间。在CooCox CoOS中,提供了信号量、互斥体和事件标志实现任务间的同步,依靠邮箱和消息队列进行任务间的通信,符合CMSIS(Cortex Microcon-troller Software Interface Standard)要求。在RTOS中开发对间隔时间要求严格的心电信号采集程序时,需要首先保证ADC等时采样。综合考虑ARM硬件资源及软件编程环境,设计了一种无时间误差的ADC等时采样方案。该方案利用SAM3U4E处理器内部ADC触发机制中的硬件触发,设置定时器按照规定时间产生计数溢出信号,该信号会触发硬件进行一次A/D转换。转换结束后,ADC会发出中断信号。所以,心电信号采集任务就可以不受程序运行的影响而独立进行,保证了对时间间隔的要求。为了降低设备的功耗,可以设置ADC在非转换间隔内进入休眠模式。
    2.2.3 上层界面开发上层界面采用Micrium公司推出的uC/GUI图形开发系统。关键问题是解决uC/GUI与操作系统和输入/输出的接口。对于操作系统而言,uC/GUI做为一个实时响应的显示任务接受操作系统调度。对于输入,uC/GUI提供鼠标、键盘和触摸屏等支持。对于输出,uC/GUI通过LCD输出图像反映微处理器的响应。
    开发过程采用微软公司的Visual C++6.0集成开发环境来编译和调试应用程序,在uC/GUI软件自带的仿真器中观察运行效果。在Application文件夹中添加最简单的hello world.c文件,在helloworld.c文件中添加所需程序。点击Build进行编译连接,点击Debug开始仿真。此时可以在弹出的仿真器中查看运行效果。窗口管理采用uC/GUI特有的回调机制static void_cbCallbackb(WM_MESSAGE*pMsg),实现窗口内容更新。uC/GUI提供各种控件资源,如按钮、单选框、文本框、复选框和进度条等。可以根据需要定制自己的按钮图标,采用tool/uC-GUI-BitmapConvert.exe将*.bmp图片生成*.c文件并放至GUI/Widget文件夹下。在GUI/Font文件夹下,可以定制自己的中文字库。
    3 系统测评与实验
    为了验证设计系统的性能,使用专门针对心电图机性能检测的可编程心电信号发生器进行测试。图4a展示了动态心电图机对心电信号的检测和波形显示功能。对比检测结果和预编程数据证明,模拟运放电路和A/D转换过程准确,符合动态心电图机检定规程。硬件电路的增益误差,可以通过软件调整,但需要对每个个体分别进行校准。对软件功能的测试,主要有图形用户界面检测,触摸功能检测,存储功能和USB连接功能检测。图4b展示了系统参数设置界面,对采样频率和系统时间的设置功能已经实现,触摸按键操作可靠无误。其他功能也检测通过。
    4 结语
    通过对同类产品的比较分析,提出了一种带有波形显示功能的动态心电图机。采用基于最新的ARM CortexM3构架的处理器,LCD和触摸屏,8Gbit NANDFLASH和高速USB接口。通过RTOS、GUI、FS、USB等中间件的移植,大大降低了软件开发的难度。在短时间内,开发完成了具有动态显示、触摸操作、大容量存储和高速上传数据功能的新型动态心电图机。

 



 
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