远程心电监护系统是基于arm9开发平台本科论文.docx

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远程心电监护系统是基于arm9开发平台本科论文

基

于ARM9的

远

程

心

电

监

护

系

统

研

究

与

设

计

摘要

心脏疾病成为危害人类健康和生命的主要疾病之一，目前心电监护系统为心脏病人诊断和治疗提供了一个有效的手段，尽管已设计出各种心电监护设备，但是由于设备昂贵，系统扩展性和软件系统可裁剪性较差，心电波形辩认的专业性强，监护实际上依然只够少量人在医院环境下进行。

针对这种情况，本文以嵌入式系统为基础，设计出一种基于ARM9的远程心电监护系统，该心电系统具有Web服务器功能。

本课程设计的远程心电监护系统是基于ARM9开发平台进行设计，采用高性能的3C2440。

首先在MINI2440硬件基础上完成心电信号采集电路的设计。

主要包括缓冲处理电路、前级放大电路、高低通滤波电路、隔离电路、主放大电路等。

然后根据所设计的硬件的特点和系统需要通过一定的实验证明，本课题所设计的系统能够较好的实现心电信号的采集、波形显示、处理等功能。

同时在动态网页上可对病人信息查询、心电波形显示、分析及心电数据下载等，为产品进一步研究和开发奠定了基础。

关键词：

心电监护,嵌入式系统，

第1章绪论1

1.1课题研究的意义1

1.2课题研究的目的1

第2章心电监护系统硬件设计2

2.1心电信号的特点2

2.2MINI2440开发平台介绍4

2.3心电信号采集放大电路5

2.3.1缓冲处理5

2.3.2前置放大和滤波6

2.3.3隔离7

2.3.4主放大电路8

第3章嵌入式Linux操作系统的裁剪和移植9

3.1BootLoader实现9

3.1.1BootLoader概述9

3.1.2BootLoader启动过程10

3.4Linux设备驱动的开发10

3.4.1Linux设备驱动的概述10

3.4.2A/D设备驱动设计11

第4章心电采集界面设计13

4.1心电采集与显示14

第5章嵌入式Web服务器的设计15

5.1嵌入式Web服务器概述15

5.2嵌入式Web服务器的移植16

参考文献17

第1章绪论

1.1课题研究的意义

心脏疾病成为危害人类健康的主要疾病之一，据统计全世界死亡人数中有三分之一死于该疾病，近年来我国心血管病的死亡率占人口总死亡率44%[1]。

心血管疾病死亡率高于欧美国家及日本。

因此对心脏疾病的防治和诊断是非常重要。

目前心电监护仪为心脏病人诊断和治疗提供了一个有效的手段。

它是把心脏产生的微弱电流（mv级）接收，放大并记录出心电图的装置。

它可向医护人员提供病人心电信号的重要信息，利用这些信息，临床医生能更好地分析患者的病情，从而采取适当的治疗措施，获得最佳的治疗效果，因此心监护仪的作用越来越受到重视。

1.2课题研究的目的

尽管已设计出各种心电监护设备,但是大多数的心电监护系统仍然存在不足之处。

心电设备昂贵，只有少量的家庭购买；心电波形辩认的专业性强，自动分析的能力低，操作性不高，监护实际上依然只够少量人在医院环境下进行；各种接口为专业医疗设备设计；虽然远程医疗也应用于心电监护设计中，基于Internet网络的远程心电监护系统大多数采用的是客户机/服务器（C/S）的模式，一般由客户机采集心电数据，然后通过网络传输给大型中心服务器，服务器上安装服务器软件，同时，在客户机上安装相应的客户端应用软件，这样才能使客户端得到相应的服务。

成本高、系统结构复杂、开放性低。

针对这些不足，本文设计了一种基于ARM9的远程心电监护系统，该心电监护系统在ARM9开发平台上进行，采用高性能的S3C2440微处理器，引用了嵌入式Linux技术，在心电监护界面上除了对心电波形进行显示，另外还对心率进行了分析，以适用于

更多的人群。

同时该心电监护系统中具备WEB服务器功能，采用了浏览器/服务器（B/S）的模式，用户在任何地方通过浏览器能够访问该心电监护系统，在动态网页上能够对病人的信息进行查询、心电波形的分析以及心电数据的下载，实现了远程医疗。

第2章心电监护系统硬件设计

嵌入式微处理器和嵌入式操作系统为核心的嵌入式技术是最近一个新的技术发展方向。

以ARM公司的32位IP核为基础的ARM嵌入式微处理器，因其高性能、低功耗、低成本、小体积以及完整的产业链支持，成为嵌入式系统设计的理想选择。

本文选用的是广州友善之臂科技有限公司提供的MINI2440开发板，在它的基础上进行研制开发心电系统，MINI2440采用SamsungS3C2440微处理器，系统硬件设计总体框图如

图2.1所示。

MINI2440

开发平台

心电信号

采集放大

电

极

图2.1系统硬件总体结构

2.1心电信号的特点

心脏在周期性活动中，伴随着规律的周期性变化的心电生理活动。

心脏的心电生理活动可以看作一组电偶，这组电偶的大小、方向在每次心动周期中呈现有规律性的变化，电偶的电流流经人体的各个部位，在人体表面任何一点产生一个相应变化的电位。

将测量电极放置在人体表面的一定部位记录出来的心脏电变化曲线，就是目前临床上常规记录的心电图（ECG）[19]。

心电图是心脏兴奋的发生传播及恢复过程的客观指标，它可记录心脏节律和频率以及电压的高低，用于诊断各种心律失常、心肌病变、心肌梗塞及心肌缺血等，是心血管病最常用的检查手段。

典型的心电波形如图2.2所示。

图2.2典型的心电波形

（1）P波：

P波由心房除极所产生，是每一波组中的第一波，它反映了左、右心房的

除极过程。

前半部分代表右房，后半部分代表左房。

（2）P-R间期：

从p波的起点至QRS波群的起点，代表心房开始除极至心室开始除

极的时间。

（3）QRS波：

典型的QRS波群包括三个紧密相连的波，第一个向下的波称为Q波，

继Q波后的一个高尖的直立波称为R波，R波后向下的波称为S波。

因其紧密相连,且反映了心室电激动过程，故统称为QRS波群。

这个波群反映了左、右两心室的除极过程。

（4）ST段：

自QRS波群的终点至T波起点间的线段，代表心室缓慢复极过程。

（5）Q-T间期：

从QRS波群的起点至T波终点，代表心室除极和复极全过程所需的时间。

（6）T波：

T波位于S-T段之后，它是心室复极所产生的。

（7）U波：

位于T波之后，反映心肌激动后电位与时间的变化。

人体的心电信号主要有以下几个特点：

（1）微弱性

其幅值一般为1mV~4mV。

（2）低频性

频率范围一般为0.05Hz-100HZ，能量主要集中在17Hz附近。

（3）高阻抗性

心电的信号源是人体，人体的内阻较大，因此心电信号的阻抗一般为数十欧到数百千欧。

（4）不稳定性和随机性

人体受外界的影响较大，而且内部器官的相互影响，因此造成了心电信号的不稳定性和随机性。

心电信号除存在上述特点外，在检测心电的信号的同时存在着很大的干扰。

主要有50Hz的工频干扰，电极移动引起基线漂移（一般小于1Hz），肌肉收缩和兴奋所引起的肌电干扰（几百Hz以上）等，所以心电放大电路必须根据以上的特点进行设计，才能得到放大、无干扰的心电信号。

2.2MINI2440开发平台介绍

MINI2440采用高性能的ARM9微处理器以其优化的片上性能，在视频会议、楼宇的对讲系统、网络监控、GPS定位/导航仪、医疗电子设备、多媒体终端产品等应用领域有广泛应用，其主要的硬件配置如下：

（1）CPU处理器

三星S3C2440（ARM920TcorewithMMC,最高主频可达532MHz）。

（2）SDRAM

64MSDRAM，32位数据线，SDRAM时钟频率高达100MHz。

（3）FLASH存储

64MbyteNandFlash，2MNorFlash，已经安装了BIOS。

（4）液晶屏支持（LCDSupport）

集成4线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏；支持黑白、4级灰度、级灰度、256色、4096色STN液晶屏，尺寸从3.5寸到12.1寸，屏幕分辨率

可以达到1024x768象素；支持黑白、4级灰度、16级灰度、256色、64K色、真彩色TFT液晶屏，尺寸从3.5寸到12.1寸，屏幕分辨率可以达到1024x768象素；引出一个12V电源接口，可以为大尺寸TFT液晶的12VCCFL背光模块（Inverting）供电。

（5）USB端口（USBPort）

1个主USB接口，1个从USB接口。

（6）音频

1路立体声音频输出接口（标准3.5mm接口），1路麦克风接口。

（7）网络

1个100M以太网RJ-45口（采用DM9000网卡）。

（8）SD/MMC卡

1个SD/MMC卡存储接口。

（9）摄像头

引出CPU内部全部摄像头信号引脚。

（10）串口

3个串行口，COM0为RS232DB9接口（亦引出TTL接口），COM2和COM3为2.0mm

间距。

（11）扩展接口

1个34pin2.0mmGPIO接口，1个40pin2.0mm系统总线接口。

（12）实时时钟

板载实时时钟，带有备份锂电池。

（13）Jtag接口

标准JTAG接口（2.0mm间距）。

2.3心电信号采集放大电路

心电信号采集放大电路由缓冲处理，前置放大和滤波，隔离技术、主放大等组成。

2.3.1缓冲处理

心电电极信号首先进入缓冲级，缓冲放大电路可以获得高共模抑制比。

同时为了保护人体的安全问题，在缓冲放大电路中，采用220V的供电心电仪器中限制通过人体的电流一般不能超过10毫安，因此在如图2.3所示的缓冲放大电路图中我们设置R1的阻值为22千欧。

图2.3缓冲放大电路图

2.3.2前置放大和滤波

心电信号电压幅值一般为1mV~4mV[22-23]，A／D转换输入信号范围是正负5伏，所以放大倍数大约为1000左右。

电路采用两级放大，来自人体的心电信号源阻抗高，要求放大电路的输入阻抗也必须足够高才能不衰减电极的有用信号。

50Hz交流共模干扰信号必须在前置放大电路中加以抑制，放大倍数定为16。

另外，常见的心电信号的频率范围为0.05Hz~100HZ之间，由C12和R6组成高通滤波器，抑制低于0.05Hz信号的干扰，可得截止频率见公式（2.1）。

f=1/2πR6C12=1/2×3.1415×3×10^6×10^-6=0.05HZ

设计由C26和R9组成的低通滤波器，抑制高于100Hz信号的干扰，可得截止频率见公式（2.2）。

f=1/2πR9C26=100HZ

图2.4前置放大电路图

2.3.3隔离

为了心电前置放大电路不受电源电压的影响，采用电源隔离技术，使得人体与电源电压相隔离，电源隔离电路如图2.5所示，采用了DC/DC电源模块，输入为+5V电压，输出为±12V和＋5V电压，其中隔离电压达到1500V，保证人身安全。

图2.5电源隔离

在前置放大电路的隔离中还包含心电信号隔离，在心电信号后续的数字化的A/D转换需要隔离前置级的共