基于ARM11的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

張 鶴，夏 利，孫 丹

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

隨著中國人口老齡化逐漸嚴(yán)重，心腦血管疾病的發(fā)病率大大提升，研制一款便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對(duì)于預(yù)防老年人群的心腦血管疾病有著十分重要的意義[1]。本文結(jié)合飛速發(fā)展的嵌入式Linux系統(tǒng)，使用當(dāng)前比較流行的三星公司ARM11系列的低功耗、功能強(qiáng)大的S3C6410作為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的核心控制單元，在ARM平臺(tái)上移植了嵌入式Linux系統(tǒng)，在該平臺(tái)上開發(fā)便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)心率計(jì)算、實(shí)時(shí)交互的GUI界面顯示等功能。主要介紹了便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嵌入式系統(tǒng)硬件由心電信號(hào)調(diào)理電路和嵌入式系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。這兩部分既相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系，兩者協(xié)同工作。嵌入式系統(tǒng)是整個(gè)硬件的核心，它控制整個(gè)系統(tǒng)外圍設(shè)備進(jìn)行工作，而心電調(diào)理電路則為后端的嵌入式系統(tǒng)提供純凈的心電信號(hào)。

1.1 心電采集與調(diào)理電路設(shè)計(jì)

通過人體電極采集人體的心電信號(hào)，信號(hào)由導(dǎo)聯(lián)線傳送給儀表放大電路進(jìn)行一級(jí)放大，從儀表放大電路輸出兩路信號(hào)分別傳送至左腿驅(qū)動(dòng)電路和高通濾波電路，左腿驅(qū)動(dòng)電路輸出的信號(hào)反饋到左腿電極進(jìn)一步消除共模信號(hào)，高通濾波器將信號(hào)中的超低頻信號(hào)濾除，然后將信號(hào)傳送到主放大電路進(jìn)行二級(jí)放大。放大后的信號(hào)傳送到低通濾波器濾除信號(hào)中的高頻噪聲，從低通濾波器輸出的信號(hào)傳送入工頻陷波電路，去除信號(hào)中交流電產(chǎn)生的50 Hz干擾，最后信號(hào)被送入電平提升電路。這個(gè)電路主要是給心電信號(hào)加入一個(gè)直流分量，使信號(hào)被ADC采樣后不會(huì)失真。圖1是心電信號(hào)調(diào)理電路的模塊圖，主要由以下幾個(gè)模塊組成：

（1）人體電極，采用一次性黏貼型傳導(dǎo)電極。

（2）心電導(dǎo)聯(lián)線，采用自編三絞線，編織成三角形狀的導(dǎo)聯(lián)線可以消除部分干擾，減小心電信號(hào)的失真。

（3）儀表放大電路，采用亞諾德半導(dǎo)體（AD）公司生產(chǎn)的單電源儀表放大器AD620。AD620在電源供電為±5 V時(shí)，允許的最大輸出電壓范圍是±3.8 V，而心電信號(hào)的幅值在±5 mV之間，加上體表和心電電極產(chǎn)生的±300 mV共模直流偏移電壓，所以AD620可以設(shè)置最大的增益為 12.88[2]。本設(shè)計(jì)將增益設(shè)置為10，RG設(shè)置為 5 kΩ。

圖1 心電信號(hào)調(diào)理電路模塊

（4）左腿驅(qū)動(dòng)電路，采用方向放大電路，兩個(gè)輸入端電壓相等并等于0，故沒有共模輸入信號(hào)[3]。因此，左腿驅(qū)動(dòng)電路對(duì)共模抑制沒有要求，在放大器選擇上也沒有嚴(yán)格要求，本設(shè)計(jì)采用的是AD公司生產(chǎn)的常用運(yùn)算放大器 OP07。

（5）高通濾波器，高通濾波電路仍沿用左腿驅(qū)動(dòng)電路中使用過的運(yùn)算放大器OP07作為放大器件，高通濾波部分采用帶內(nèi)幅頻特性曲線平坦的一階有源巴特沃思濾波器。

（6）主運(yùn)算放大電路，ADC轉(zhuǎn)換器采用ARM自帶的10位AD。實(shí)際電路中，將前后兩級(jí)放大電路的增益設(shè)定為1 000倍。

（7）低通濾波電路，采用 OP07運(yùn)算放大器，采用二階有源巴特沃思低通濾波器，以提高濾波器幅頻曲線的下降速度。

（8）工頻陷波電路，濾除對(duì)心電信號(hào)影響嚴(yán)重的交流電50 Hz工頻干擾。

（9）電平提升電路，將從前面電路輸出的心電信號(hào)提升一個(gè)直流分量，使得心電信號(hào)的負(fù)值部分全部轉(zhuǎn)換成正電平信號(hào)。這樣就解決了因ADC采樣而造成的信號(hào)丟失，避免了ADC采樣后心電信號(hào)的失真。

1.2 數(shù)字電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路部分是便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)后期對(duì)信號(hào)處理并實(shí)現(xiàn)與用戶交互的核心部分。心電信號(hào)由模擬電路的輸出端送入ADC轉(zhuǎn)換器后，實(shí)現(xiàn)了從模擬信號(hào)處理到數(shù)字信號(hào)處理的轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換方便了后期對(duì)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)心率計(jì)算、實(shí)時(shí)傳輸以及實(shí)時(shí)顯示。數(shù)字部分由OK6410的核心板構(gòu)成的嵌入式最小系統(tǒng)，以及底板上的ADC電路、LCD控制電路、SD卡接口電路和以太網(wǎng)接口電路等組成。數(shù)字電路部分組成框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字電路部分組成框圖

（1）嵌入式最小系統(tǒng)，以內(nèi)核為 ARM11 76JZF-S的S3C6410微處理器為中心，周圍有與之相配接的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、輔助電源、SDRAM電路以及Flash電路等，保證嵌入式微處理器能夠正常運(yùn)行系統(tǒng)。OK6410核心板提供了四個(gè)不同的晶振源，復(fù)位電路使用了專業(yè)的復(fù)位芯片Max811，S3C6410微處理器需要多種電源供電，所以核心板每一路電源輸入由電源芯片單獨(dú)供電。同時(shí)，S3C6410外擴(kuò)了一個(gè)256 MB的DAND Flash存儲(chǔ)器和一個(gè)128 MB的MobileDDR內(nèi)存。

（2）ADC電路，S3C6410處理器內(nèi)置了一個(gè)參考電壓為3.3 V的10位A/D，這個(gè)內(nèi)置的A/D可以滿足心電信號(hào)采樣對(duì)A/D分辨率的要求，同時(shí)A/D的電壓與S3C6410的電源電壓相匹配，使A/D的位數(shù)得到充分的利用。將從信號(hào)預(yù)處理模塊輸出的心電信號(hào)接入S3C6410的ADC輸入引腳，再通過相應(yīng)的軟件處理，就可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用一路A/D，所以將模擬電路輸出的信號(hào)接入S3C6410的ADCIN0引腳即可。

（3）LCD控制電路，由 MAX202E和 RS232 DB-9針母座構(gòu)成串口電路。串口電路的驅(qū)動(dòng)選用MAXIM公司專為苛刻環(huán)境下進(jìn)行RS-232通信設(shè)計(jì)的MAX202E線驅(qū)動(dòng)/接收器芯片。其中，MAX202E的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器T1O、T2O分別與RS-232的接收數(shù)據(jù)端RXD和允許發(fā)送端CTS相連；兩個(gè)接收器R1IN和R2IN分別與發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD和請(qǐng)求發(fā)送端RTS相連。

（4）以太網(wǎng)口電路，采用Davicom公司生產(chǎn)的10/100 M以太網(wǎng)控制器DM9000芯片，DM9000的SD0～SD15與S3C6410的數(shù)據(jù)總線DATA0～DATA15相連，DM9000的命令/數(shù)據(jù)使能端CMD與S3C6410的共同地址線ADDR2相連。

（5）SD卡接口電路，OK6410開發(fā)板集成了一個(gè) SD卡座CON2。本設(shè)計(jì)使用SD卡啟動(dòng)S3C6410處理器，將U-boot放入SD卡中，由SD卡啟動(dòng)從而引導(dǎo)加載Linux內(nèi)核。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 嵌入式Linux系統(tǒng)的移植

嵌入式Linux系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)基礎(chǔ)上針對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)核裁減和優(yōu)化后形成的一種小型操作系統(tǒng)[4-5]。本設(shè)計(jì)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，選用Linux3.01內(nèi)核在嵌入式S3C6410上移植。具體的移植過程如下：

（1）配置開發(fā)環(huán)境。使用安裝Ubuntu12.10操作系統(tǒng)的PC作為主機(jī)，安裝GNU Tools跨平臺(tái)開發(fā)工具鏈以及arm-linux-gcc、arm-linux-ld等交叉編譯工具。

（2）建立引導(dǎo)加載程序 Boorloader，采用 DAND Flash方式啟動(dòng)U-boot。

（3）解壓內(nèi)核源碼，然后進(jìn)到內(nèi)核源碼修改 Makefile文件，添加對(duì) arm的支持：將“arch=”和“CROSS_COMPILE=”改為“arch=arm”和“CROSS_COMPILE=arm”[6]。

（4）配置內(nèi)核。 通過命令“make menuconfig”進(jìn)入配置欄進(jìn)行配置。本設(shè)計(jì)需針對(duì)A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置。

（5）執(zhí)行“make zImage”命令，進(jìn)行內(nèi)核編譯。 將編譯后在“arch/arm/boot/”目錄下生成的 U-boot格式的內(nèi)核映像文件“zImage”下載到目標(biāo)板上。

（6）編譯并安裝BusyBox，建立根文件系統(tǒng)。執(zhí)行命令：./mkyaffsimage sdrootfs/rootfs.yaffs2生成 yaffs2鏡像文件并下載到目標(biāo)板上。

2.2 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序模塊有心電采集模塊、心率計(jì)算模塊及GUI用戶界面模塊。這些應(yīng)用程序在嵌入式操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，通過驅(qū)動(dòng)設(shè)備程序提供的接口來控制ADC、LCD、蜂鳴器等設(shè)備。

（1）心電采集模塊。通過控制 ADC進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)讀入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，方便后面的模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的處理。本設(shè)計(jì)采用給PWM定時(shí)器和A/D采樣分別建立一個(gè)單獨(dú)的線程的方法，在需要進(jìn)行采樣時(shí)由PWM定時(shí)器線程通過pthread_cond_sigal（）函數(shù)喚醒 A/D采樣線程。心電監(jiān)護(hù)開始后，由主程序建立PWM定時(shí)器和A/D采樣線程，在開始采樣之前，首先對(duì)ADC進(jìn)行初始化并啟動(dòng)ADC和PWM定時(shí)器，PWM功能是由Timer0和Timer提供。為了保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性和可靠性，本設(shè)計(jì)采集模塊采用兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存交替存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避免了采集的新數(shù)據(jù)將其他模塊沒有處理完的數(shù)據(jù)覆蓋。心電采集模塊流程如圖3所示。

圖3 心電采集模塊流程圖

（2）心率計(jì)算模塊。心率在標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)中表現(xiàn)為每分鐘出現(xiàn)R波的次數(shù)。心率計(jì)算模塊根據(jù)采集的心電信號(hào)計(jì)算出用戶的實(shí)時(shí)心率。式（1）為計(jì)算實(shí)時(shí)心率的公式。

其中，X為所求心率；fs為心電信號(hào)采集頻率；NR為某段時(shí)間內(nèi)心電信號(hào)R波的個(gè)數(shù)；PLR為該段時(shí)間內(nèi)最后一個(gè)R波的位置；PFR為該段時(shí)間內(nèi)第一個(gè)R波的位置。

因此，只要檢測出一分鐘里R波的個(gè)數(shù)就可以算出心率值。目前，較為流行的檢測算法是閾值差分算法。這種算法實(shí)現(xiàn)簡單，檢測率高而且速度很快，但缺點(diǎn)是一旦確定了一個(gè)閾值后就不再更新閾值，如果閾值在計(jì)算過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，將導(dǎo)致整個(gè)R波檢測過程的可靠性下降。為此，本文在該算法基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的R波檢測差分閾值算法。

該算法涉及了ADC采樣問題。本文在A/D采樣時(shí)，對(duì)采樣值做了一個(gè)滑動(dòng)平均濾波處理，即利用A/D底層驅(qū)動(dòng)在read函數(shù)中進(jìn)行十次A/D采樣并取平均值，這樣ADC的采樣頻率就相當(dāng)于1 000 Hz。由于正常人的心率范圍是60～100次/min，一個(gè)心跳周期的采樣點(diǎn)為60～100點(diǎn)，取其上限，所以100個(gè)采樣點(diǎn)至少包含一個(gè)心跳周期。若在此期間沒有檢測到R波，則可判斷心率存在問題。在計(jì)算閾值時(shí)，取4 s內(nèi)的400個(gè)點(diǎn)，以100個(gè)點(diǎn)作為一小段，分成4段，根據(jù)二階差分公式（2）計(jì)算出4段的最小值平均值，將這個(gè)值的0.6倍與當(dāng)前閾值進(jìn)行加權(quán)求和即可得到閾值的計(jì)算公式，如式（3）。

式中，x（n）表示原始心電數(shù)據(jù)序列；y（n）為對(duì)應(yīng)的二階差分序列是 4段最小值的平均值；th2′是當(dāng)前二階差分閾值；th2為更新后的二階差分閾值；a是加權(quán)系數(shù)，滿足 a＜1。

計(jì)算出閾值后，將這些二階差分?jǐn)?shù)據(jù)每L個(gè)作為一組，當(dāng)連續(xù)的四個(gè)數(shù)據(jù)滿足前兩個(gè)數(shù)據(jù)大于th2，后兩個(gè)數(shù)據(jù)小于th2，則建立一個(gè)以首個(gè)數(shù)據(jù)為區(qū)間起點(diǎn)的長度為5的檢測區(qū)間。在檢測區(qū)間對(duì)應(yīng)的原始心電信號(hào)數(shù)據(jù)中找到最大值，這個(gè)值所對(duì)應(yīng)的位置即為R波的位置。

這種改進(jìn)的檢測R波差分閾值算法可以避免因?yàn)槟炒味A差分閾值計(jì)算不準(zhǔn)確而導(dǎo)致檢測結(jié)果錯(cuò)誤。同時(shí)，在閾值計(jì)算時(shí)取最近4 s的400個(gè)點(diǎn)來計(jì)算閾值避免了頻繁的閾值更新。心率計(jì)算模塊的軟件流程圖如圖4所示。

（3）GUI用戶界面模塊。采用宿主機(jī)/目標(biāo)板交叉模式開發(fā)基于Qt的嵌入式GUI用戶界面[7]。開發(fā)的主要流程是：

圖4 心率計(jì)算模塊流程圖

①把Qt4.8.5移植到宿主機(jī)上，并將波形圖生成插件 QWT（Qt Widgets for Technical Applications）移植到Ubuntu上。

②將 Qt源碼解壓到目標(biāo)板上，配置 “configure”文件，完成Qt的交叉編譯。

③在宿主機(jī)上的 Qt里建立一個(gè)名為“ecgdemo”的工程文件，并在該文件中添加一個(gè)名為“mainwindow.cpp”的文件，在這里可以對(duì)顯示界面的字體、調(diào)色板、畫刷、窗口里的字體顏色進(jìn)行設(shè)置[8]。

④通過panel的構(gòu)造函數(shù)對(duì)一些面板內(nèi)部部件進(jìn)行初始化，增加 Value、Plot、Canvas、Curve 和 Tools 5 個(gè) 標(biāo)簽，定義信號(hào)與槽的連接，實(shí)現(xiàn) panel與 plot的交互，即實(shí)現(xiàn)了面板和繪圖組件的交互。

3 測試結(jié)果

將心電導(dǎo)聯(lián)線黏貼在人體左手、右手和左腿的電極上，通過電極采集的心電信號(hào)由導(dǎo)聯(lián)線傳送到預(yù)處理模塊，再經(jīng)過ARM系統(tǒng)板處理，最后在LCD上顯示。使用系統(tǒng)測試一個(gè)正常人的實(shí)時(shí)心電信號(hào)及實(shí)時(shí)心率如圖5和圖6所示。

圖5 實(shí)時(shí)心電信號(hào)

圖6 實(shí)時(shí)心率

經(jīng)測試，獲取的心電信號(hào)比較穩(wěn)定，噪聲很小，而且能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出心率，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。

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