原標題：基于S3C2410A和nRF401芯片實現(xiàn)多床位遙測心電監(jiān)護儀的設計

基于S3C2410A和nRF401芯片實現(xiàn)多床位遙測心電監(jiān)護儀的設計

引言

隨著社會生活節(jié)奏的加快和人口老齡化的加劇，心血管疾病已成為威脅人類生命的主要疾病之一。心電圖（ECG）是檢查、診斷和預防心血管疾病的主要手段和依據(jù)。傳統(tǒng)的基于PC機平臺的心電監(jiān)護儀價格昂貴、體積龐大、不便于移動，主要集中在大醫(yī)院，給醫(yī)生和病人帶來了很大的不便。因此，設計一種體積小、功耗低、便于攜帶的多床位無線心電監(jiān)護儀顯得尤為重要。本文介紹了一種基于ARM9微處理器S3C2410A和nRF401無線收發(fā)芯片的多床位遙測心電監(jiān)護儀的設計，旨在解決傳統(tǒng)監(jiān)護儀的不便。

系統(tǒng)總體設計

該監(jiān)護儀采用Samsung公司的一款以ARM920T為控制器內核的16/32位高速處理器S3C2410A芯片作為系統(tǒng)控制核心，利用nRF401無線收發(fā)芯片發(fā)送和接收心電數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可同時監(jiān)護1～12個床位，具有功耗低、體積小、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點。

主控芯片型號及其在設計中的作用

1. S3C2410A

   S3C2410A是Samsung公司推出的一款基于ARM920T處理器構架的嵌入式CPU，是一款功能強大的16/32位RISC微處理器。它提供了豐富的外設接口，包括8通道的10位模數(shù)轉換器（ADC）、USB設備控制器、Nand Flash控制器、LCD控制器等。S3C2410A在系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

• 數(shù)據(jù)采集與處理：通過內置的ADC模塊，S3C2410A可以將模擬的心電信號轉換為數(shù)字信號，并進行必要的處理和分析。

• 系統(tǒng)控制：作為系統(tǒng)的控制核心，S3C2410A負責協(xié)調各個模塊的工作，確保系統(tǒng)的正常運行。

• 通信：S3C2410A通過串口與nRF401無線收發(fā)芯片連接，實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無線傳輸。同時，它還可以通過USB口與PC機相連，將采集到的心電數(shù)據(jù)上傳給PC機進行進一步的分析和處理。

• 數(shù)據(jù)存儲與顯示：利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器，可以擴展大容量存儲器，用于存儲心電數(shù)據(jù)。同時，通過LCD控制器，可以設計LCD顯示屏的接口，用于顯示所采集的心電信號及一些基本參數(shù)。

2. nRF401

   nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）頻段，該頻段無需申請許可證。nRF401采用FSK調制解調技術，抗干擾能力強，并采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸速率可達20kbps，傳輸距離可達1000m，完全滿足本設計所需要的通信距離要求。nRF401在系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

• 無線數(shù)據(jù)傳輸：nRF401通過串口直接與S3C2410A連接，實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無線傳輸。它可以將采集到的心電數(shù)據(jù)從監(jiān)護終端發(fā)送到中心監(jiān)護端，或者將中心監(jiān)護端的命令發(fā)送到各個監(jiān)護終端。

• 低功耗：nRF401具有低功耗的特點，適合用于便攜式設備。

• 易于集成：nRF401的外圍元件很少，只包括一個基準晶振和幾個無源器件，具有成本低、一致性好等特點。

系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計包括中心監(jiān)護端的硬件設計和監(jiān)護一個床位的各個心電監(jiān)護終端的硬件設計兩大部分。

中心監(jiān)護端的硬件設計

中心監(jiān)護端的硬件設計主要包括S3C2410A與PC機的連接和nRF401與S3C2410A的連接。

• S3C2410A與PC機的連接：由于S3C2410A具有USB設備控制器，因此可通過USB口與PC機相連，并得到5V的工作電壓。這樣，中心監(jiān)護端就可以接收PC機發(fā)出的命令，并將各個監(jiān)護終端采集到的心電數(shù)據(jù)上傳給PC機。

• nRF401與S3C2410A的連接：無線收發(fā)芯片nRF401直接與S3C2410A的串口1連接，實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無線傳輸。

心電監(jiān)護終端的硬件設計

心電監(jiān)護終端的硬件設計主要包括心電采集電路、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、存儲顯示鍵盤模塊等。

• 心電采集電路：心電采集電路包括放大器、低通濾波器、50Hz陷波器等。放大器由差動放大電路和放大級電路兩級放大電路組成，總增益接近1000。低通濾波器采用一階濾波電路，截止頻率為100Hz。50Hz陷波器用于抑制工頻干擾。導聯(lián)系統(tǒng)采用通用的二電極方式，右胸上電極及左腹下電極為心電采樣電極，右腹下電極為右腿驅動電極。

• 微處理器模塊：采用S3C2410A作為微處理器模塊，負責采集和處理心電信號，并通過nRF401無線收發(fā)芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行谋O(jiān)護端。

• 無線收發(fā)模塊：采用nRF401無線收發(fā)芯片，實現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的無線傳輸。

• 存儲顯示鍵盤模塊：為了實現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲，利用S3C2410A自帶的Nand Flash控制器擴展了一片16Mx8位的Nand Flash存儲器，可存儲12小時的心電數(shù)據(jù)。為了使用戶能夠對采集到的心電信號有一個直觀的印象和進行常識性的觀察，利用S3C2410A自帶的LCD控制器，設計了LCD顯示屏的接口，并選用了一塊240x128的LCD顯示屏，用于顯示所采集的心電信號及一些基本參數(shù)。系統(tǒng)還設計了一個4x4的鍵盤模塊，用戶可通過鍵盤實現(xiàn)一些基本功能的切換。

系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計基于Windows CE操作系統(tǒng)，采用多線程技術確保實時性和響應速度。

Windows CE操作系統(tǒng)

Windows CE是為各種嵌入式系統(tǒng)和產品設計的一種壓縮的、具有高效的、可升級的操作系統(tǒng)，具有多線性、多任務、全優(yōu)先的操作系統(tǒng)環(huán)境。由于Window CE操作系統(tǒng)本身沒有自帶獨立的開發(fā)環(huán)境，因此需要在PC機（宿主機）上完成應用程序的開發(fā)，實現(xiàn)仿真，并針對ARM嵌入式設備（目標機）進行交叉編譯，使其與目標機的CPU體系結構相匹配，使操作系統(tǒng)和應用軟件在目標機上也能正常運行。然后再移植到各目標機上。

多線程編程

中心監(jiān)護端的功能不只是單一的網(wǎng)絡通信，還要進行數(shù)據(jù)分析和處理，所以不在主線程中直接進行通信。而是在主線程中創(chuàng)建一個單獨的子線程負責等待PC機的命令，收到命令后，為其創(chuàng)建一個單獨的通信子線程與相應的終端節(jié)點進行通信。等待子線程繼續(xù)等待PC機的命令。通信子線程接收數(shù)據(jù)并進行校驗，并通過USB口傳遞到PC機。

由于多個通信子線程可能會同時對共享資源nRF401進行訪問，形成線程沖突，因此需要協(xié)調好各個線程之間的同步問題?；コ鈱ο螅∕utex）是Windows CE操作系統(tǒng)所提供的實現(xiàn)線程同步的方法之一，主要用于協(xié)調多個線程對共享資源的訪問。其原理是只有擁有互斥對象的線程才具有訪問共享資源的權限。由于互斥對象只有一個，因此就決定了任何情況下此共享資源都不會同時被多個線程所訪問。

數(shù)據(jù)處理與分析

采集到的心電信號經(jīng)過S3C2410A的ADC模塊轉換為數(shù)字信號后，需要進行進一步的處理和分析。處理和分析的過程包括濾波、特征提取、波形顯示等。濾波主要是去除噪聲和干擾，提高信號的信噪比。特征提取主要是提取心電信號中的關鍵特征點，如P波、QRS波群、T波等。波形顯示則是將處理后的心電信號以波形圖的形式顯示出來，供醫(yī)生和患者觀察和分析。

結論

本文設計了一種基于ARM9微處理器S3C2410A和nRF401無線收發(fā)芯片的多床位遙測心電監(jiān)護儀。該監(jiān)護儀具有體積小、功耗低、便于攜帶等優(yōu)點，可同時監(jiān)護1～12個床位，實時性良好。采用多線程編程，可同時監(jiān)護多個床位，提高了系統(tǒng)的整體響應速度和利用率。該系統(tǒng)在不影響患者日?；顒拥耐瑫r，使患者得到較好的監(jiān)護，具有重要的臨床應用價值。

通過本設計的實現(xiàn)，不僅提高了心電監(jiān)護的效率和準確性，還降低了醫(yī)療成本，為心血管疾病患者的治療和康復提供了有力的支持。未來，隨著嵌入式技術和無線通信技術的不斷發(fā)展，多床位遙測心電監(jiān)護儀的性能和功能將得到進一步的提升和完善。