基于ARM的心电信号处理系统设计 - 全文

　　根据国家卫生部《全国卫生信息化发展规划纲要》的目标，在2010年要基本实现医院的数字化和信息化。所以未来医疗器械市场对新型医疗设备的市场空间巨大，特别是拥有数字化和信息化特征的心电信号处理系统具有广阔的应用前景和实用价值。

        心电信号在通过电极提取到系统后，经过具有高共模抑制比的放大电路进行放大、滤波，由高精度的串行A/D转换器件进行量化，提高了信号的精度。这个系统以 32 位高速 ARM 处理器为硬件平台，以实时操作系统作为软件平台，对硬件系统的资源进行了调度和分配，达到了对心电信号进行实时处理的效果，并且实现了对心电信号的实时显示、实时存储等功能。

　　系统总体设计

　　如图的系统的主要功能是对心电信号进行实时的处理和传输，如图1所示。

　　

 

　　图1 系统原理框图

　　心电信号通过电极提取进入模拟处理模块，在模拟处理部分经过放大和滤波处理后，提高了信号的强度和信噪比。信号经过量化后转换成数字信号，进入数字处理模块，在以ARM处理器为核心的数字处理模块中，PC的软件模块包含了对USB通道数据的接收和对心电信号的处理，经过处理后的心电信号进一步提高了信噪比，并显示在屏幕上，这样就可以更好的协助医生对于病人的治疗，可以保障医疗的正常进行。

　　1 S3C44B0X处理器

　　S3C44B0X微处理器是Samsung公司专为便携式设备提供的高性能和高性价比的微控制器解决方案，使用32位的低功耗RISC内核ARM7TDMI，采用0.25μm CMOS工艺制造，支持新型总线结构SAMBAII。

　　S3C44B0X为核心的系统的工作原理：首先通过医用Ag-AgCl电极分别获取病人的混合心电信号，信号调理电路对生物电信号进行放大和滤波，然后A/D转换，进而通过32位微处理器对采集过来的数据进行算法分离，实时显示患者病情的波形并存储数据;嵌入式实时操作系统(RTOS) ?C/OS-Ⅱ协调各功能模块工作，使系统具有很高的实时性和可靠性。

　　片上集成的主要功能有：在ARM7TDMl基础上增加8KB的Cache;外部扩充存储器控制器;LCD控制器最大支持256色的DSTN，并带有1个LCD专用DMA通道;2个通用DMA通道、2个带外部请求引脚的DMA通道;2个带有握手协议的DART： 1个SIO;1个I2C总线控制器;5个PWM定时器及1个内部定时器;看门狗定时器;71个通用可编程I/O口，8个外部中断源;功耗控制模式有正常、低、休眠和停止;8路10位ADC;具有日历功能的RTC;PLL时钟发生器。

　　2 实时操作系统μC/OS-II

　　μC/OS-II是源码开放的嵌入式实时操作系统内核，至今，从8位到64位，这种操作系统已在超过40种不同架构的微处理器上运行。世界上已经有很多领域都使用了μC/OS-II。使用这个内核可以使得应用程序的设计和扩展变得容易，而且不需要大的改动就可以增加新的功能，通过将应用程序分割成若干个独立的任务，RTOS使得应用程序的设计过程大大简化。

　　硬件系统设计

　　1 UART异步串行接口设计

　　心电数据经过实时操作系统的调度后，通过USB通道传递到PC上，但是由于USB接口的复杂度，在调试USB器件时需要使用到异步串行接口。而且在某些老式的PC上不能使用或安装USB驱动程序时，异步串行接口可以作为一种备用的低速传输方式，这样也增加了系统的可扩展性。

　　图2是在心电信号处理系统中带有RS232电平转换的S3C44B0X的串行接口电路连接图。在图中，RS232电平转换芯片为MAX3232，其RxD0、TxD0和RxD1、TxD1分别连接S3C44B0X的第99、100和103、104引脚。

　　

 

　　图2 串口部分连接图

　　2 USB设备接口电路设计

　　USBD 12的D0～D7脚分别连接S3C44B0X的数据总线D0～D7，A0连接S3C44B0X的地址总线ADR0 ，A0是地址位，当A0=1时，选择命令指令;A0=0，选择数据。J8是USB从接口(slave)，可以通过USB电缆连接到PC的USB口。如图3

　　

 

　　图3 USB接口电路

　　3 FLASH ROM电路设计

　　在心电信号处理系统中，S3C44B0X是硬件部分的中央处理器，而实时操作系统μC/OS-II是硬件资源的调度中心，在每次系统初始化之后，由S3C44B0X将其复制到SDRAM中后，再进行应用程序的执行。如图4所示的事SST公司生产的容量为1M×16bit的多用途FLASH存储器SST39VF160。

　　

 

　　图4 ARM与FLASH接口电路

　　当S3C44B0X复位时，它立即从0x00000000地址处开始取指令执行。因此，系统启动代码放在了地址0x00000000处，并把定位在0x00000000处的存储器称为BOOT ROM，在ARM系统中，通常都采用能够快速读取并方便重新写入的Flash ROM作为BOOT ROM。处理器对Flash ROM的接口不需要任何软件上的设置。

　　4 片外主存SDRAM的接口电路设计

　　在实时操作系统 μC/OS-II中，每个任务都有独立的堆栈，并且是由连续的内存空间组成。在心电信号的传输过程中，还需要一个缓冲区进行数据的存储，包括系统软件运行所需要的堆栈等。这些都需要系统的主存来分配空间。

　　S3C44B0X内部只有8KB的缓存，没有能用来运行程序和存放临时数据的RAM，所以必须外接SDRAM作为片外主存。S3C44B0X与SDRAM如图5所示。

　　

 

　　图5 S3C44B0X与SDRAM的连接图

　　软件系统设计

　　为了实现了对心电信号的量化和对数据的处理和传输，充分的利用μC/OS-II的实时性，本系统软件设计如图6所示。

　　

 

　　图6 软件系统设计流程图

　　抗干扰设计

　　心电信号传输到PC机端后，需要显示到屏幕上，形成心电图。在心电信号处理系统中采用的12导联在屏幕上表现为12个心电波形，每一个波形都包含着特定的信息，这样就可以更加准确的检测出病人的病情状况，但是要得到接近于理想的心电波形，就必须对信号进行预处理。这样才能将病情利用波形准确的表达出来。

　　从测量技术上来说，心电信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，幅度为10μV～5mV，主要的频率范围为0.05～100Hz，因此，在心电信号的检测、提取、放大及记录过程中，有来自人体自身的干扰，这些干扰使系统的信噪比下降，甚至会淹没微弱的有效心电信号。如图7所示。

　　

 

　　图7 自适应噪声抵消器消除噪声的结构图

　　结束语

　　本设计提高了检测的准确度，提高了系统的稳定性，加强了对于患者的治疗，达到了预想的结果。此系统的产生也证明了以后有关于心脏病变的诊断有了新的进步，起到了重要的作用。