25号《嵌入式Internet 技术及其在远程心电监护系统中的应用》.docx
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25号《嵌入式Internet技术及其在远程心电监护系统中的应用》
湖南文理学院
课程设计报告
课程名称：
专业综合课程设计
专业班级：
自动化1班学号（）
学生姓名：
指导教师：
完成时间：
2013年6月6日
报告成绩：
评阅意见：
评阅教师日期
目录
一、设计要求1
二、设计作用与目的1
三、所用设备与软件1
1、mini244o嵌入式模块1
2、宿主机一目标机（Host一Target）2
四、系统设计3
1、客户端功能和体系结构3
2、客户端硬件设计4
3、客户端软件设计与实现8
五、系统调试13
1、中央监护系统软件功能13
2、中央监护系统软件实现14
六、设计中的问题及解决方法15
七、心得体会16
八、参考文献17
嵌入式Internet技术及其在远程心电监护系统中的应用
一、设计要求
设计利用嵌入式Internet技术实现远程心电监护的解决方案，通过宽带网传输实现了病人心电信号的远程采集和传输
二、设计作用与目的
①基于嵌入式系统技术，提出了社区病人远程心电监护仪的总体方案设计。
②利用多线程、Socket技术和串口编程等技术完成了病人端心电监护仪软件的总体设计，既能做出简要的判断和分析，供医生诊断和处置病人;又能传输到服务器端完成通信，实现中央集中监护。
③参与了服务器端中央监护中心软件设计，完成了心电信号的接收和心电数
据管理，实现了对多个病人的集中监护，该软件界面友好、实时性高、诊断准确、
功能全面、性能稳定。
3、所用设备与软件
1、mini244o嵌入式模块
嵌入式操作系统专门负责存储器分配、中断处理、任务调度等功能，通常包括系统内核、底层驱动程序、设备驱动接口、图形用户界面（GuD）等。
目前常用
的嵌入式操作系统有[6]windowseE、EmbeddedWinXp、EmbeddedLinux、Vxwbrks等。
WindowsCE适用范围广;EmbeddedWINdowsXP和EmbeddedLinux主要用在工业控制和手机中;而VxWOrks主要用于工业控制领域。
嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，嵌入式处理器是将通用处理器中许多由
独立板卡完成的任务集成到嵌入式芯片内部。
和通用处理器相比，它具有体积小、
可裁剪、成本低、可靠性高[7]等优点，更加适用于为特定用户专门设计的系统中。
目前嵌入式处理器以ARM、PowerPC、MC68000、MIPS等体系结构使用得最为广泛，其中ARM系列嵌入式处理器具有低电压、低功耗和高集成度等优点，并具有开放性和可扩性，已成为嵌入式系统首选的处理器架构[8]。
外围设备通常指具备存储、通信、显示等辅助功能的其它设备，按设备功能
划分包括存储设备、通信设备和显示设备[10]三类。
存储设备包括易失型存储器（SRAM、DRAM）和非易失型存储器（ROM、EpROM、EEPRoM、FLASH）两种。
其中FLASH存储器可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜，在嵌入式存储设备中的应用最为广泛。
通信设备常用的接口有RS232接口、USB（通用串行总线接口）、以太网接口等。
显示设备包括LED显示器、液晶显示器（LCD）、CRT显示器和触摸屏等。
系统总体方案设计根据以上分析，综合考虑在嵌入式操作系统、嵌入式处理器、外围设备这3方面的特性之后，本系统选用广州友善之臂科技有限公司提供的mini244o嵌入式模块取代传统的单片机作为中央控制模块。
mini2440采用核心板一开发板结构，并且开发底板的电路原理图、PCB板图公开，在它的结构上进行研制开发心电系统，只需根据系统需求对开发底板进行裁剪。
另外，mini244o可支持WinCE操作系统，实时性高，系统开发速度较快，满足系统各方面需求[11]。
2、宿主机一目标机（Host一Target）
嵌入式系统在硬件选型完成之后，可以根据功能和应用的要求，开始软件的
功能和结构设计。
嵌入式软件的开发与传统的软件开发有许多共同点，它继承了
许多传统软件的开发习惯，但由于嵌入式软件运行于特定的应用环境，注定了嵌
入式应用软件的开发具有其自身的特点。
嵌入式软件一种典型的开发模式是宿主机一目标机（Host一Target）模式[12]，如图2.3所示。
图2.3宿主机—目标机模式
宿主机大多为通用的PC机，其操作系统大多为WindowS系列或Linux，用
于完成应用软件的编码和操作系统的裁剪。
而目标机是指待开发的硬件平台，通
常目标机上的软硬件是可以裁剪和配置的。
这种开发模式首先要在宿主机上建立
一个交叉开发环境，完成目标机相应的软件功能，然后通过串口或网络口将交叉
编译好的代码传输并装载到目标机上，并在编译环境或者操作系统的支持下进行
调试和分析，最后目标机在特定环境下脱离宿主机能够单独运行。
4、系统设计
1、客户端功能和体系结构
根据本系统的设计，客户端应完成以下功能:
①数据采集
通过监护仪内部的A/D采样卡，实时采集病人的生理数据。
本文心电数据的采样频率为200HZ，即每5ms采集一次心电数据。
②波形显示
作为一台可以独立工作的监护仪，实现对病人生理信号的实时监护，并完成波形和相关生理参数的显示。
③信号分析
在心电波形显示的同时应对心电信号进行相应的分析处理，包括波形检测、参数计算等，以便医生进行病情的诊断。
④远程传输
当需要进行中央监护时，可通过GPRS无线传输以Socket通信方式同服务器端中央监护中心通信。
⑤报警和存储
当监护仪判断出病人的心电有异常时进行报警，并对报警前后的心电数据、某段重要波形进行存储。
其体系结构如图3.1所示。
图3.1病人端心电监护体系结构
心电监护仪由硬件和软件两部分组成。
硬件部分由心电信号采集模块、嵌入
式模块、GPRS模块组成，软件部分由显示模块、分析模块、存储和辅助模块组成。
采集模块完成病人心电数据的采集、滤波、A/D转换;嵌入式模块通过RS232串口接收采集模块采集到的心电数据，并控制显示、分析、存储和GPRS模块的远程传输等功能。
2、客户端硬件设计
客户端硬件包括实时心电采集模块、嵌入式模块、GPRS远程传输模块三部分构成，系统硬件总体设计框图如图3.2所示。
图3.2系统硬件框图
（1）实时心电采集模块
实时心电采集模块外部接口包括心电、血压、体温、脉搏、体动信号的输入口，以及两个网络口和一个电源接口。
为了使系统的运行更加可靠，必须使硬件满足一定的条件。
系统的性能参数如下:
1.采样频率:
20OHZ
2.A/D采样精度:
8位
3.导联方式:
I，II，III，aVR，aVL，aVF，Vx
4.分辨率:
800x600
5.今频率:
0.05一IOoHz，能量主要集中在17Hz附近
6.幅值:
0.05-100HZ
7.共模抑制比:
>80dB
8.ECG导联导通状态:
用ECGLEAD监示导联是否脱落
9.心电控制命令:
可进行主导联选择、增益选择（00:
*0.5;01:
*l;02:
*2）、方式选择（00手术;01监护;02诊断）、滤波选择（强滤波;弱滤波）
10.工作电压:
3.3V
11.工作温度:
5-30℃
（2）嵌入式模块
根据客户端的设计需求，嵌入式模块应满足如下功能:
①能够实时进行数据分析和计算。
②能够显示并保存病人的信息和心电数据。
③传输速度快，通信质量和抗干扰能力强。
④操作简单，界面友好。
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，因其低成本、小体积、高性能、低功耗、高可靠性以及完整的产业链支持[15]，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，如图3.3所示，在它的基础上进行研制开发心电系统。
图3.3mini2440嵌入式模块
mini2440是一款低价实用的ARM9开发板，它采用samsungs3e2440微处理器，并采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行的稳定性。
在医疗电子设备、视频会议、楼宇的对讲系统、网络监控、GPS定位/导航仪、多媒体终端产品等应用领域都有广泛应用，其开发板硬件资源特性如下所示[16]:
1.CPU处理器
samsungS3C2330A，主频300MHz，最高533MHz。
2.SDRAM内存
63MSDRAM，32bit数据总线，SDRAM时钟频率高达100MHZ。
3.FLASH存储
128MNandFlash，掉电非易失;ZMNorFlash，掉电非易失，已经安装BIOS。
4.LCD显示
支持黑白、3级灰度、16级灰度、256色、3096色SIN/TFT液晶屏，尺寸从3.5寸到12.1寸，屏幕分辨率可以达到1024x768像素;标准配置为NEC256K色230x320/3.5英寸TFT真彩液晶屏，带触摸屏。
5.USB接口
1个USBHost，1个USBSlaveB型接口。
6.网络接口
l个100M以太网RJ-45接口。
7.串行口
3个串口，分别为COM1、COM2和COM3。
8.SD卡接口
1个SD卡存储接口。
9.音频接口
1路立体声音频输出接口，一路麦克风接口。
10.JIAG接口
1个2.0mm间距10针标准JTAG接口。
11.摄像头接口
1个2.0mm间距20Pin摄像头接口
12.系统时钟源
12M无源晶振。
13.实时时钟
板载实时时钟（带后备铿电池）。
14.电源接口
电源接口（5V），带电源开关和指示灯。
15.扩展接口
l个33pin2.0mmGPIO接口，l个30pin2.0mm系统总线接口。
16.操作系统
可支持WindowsCE.NET5.0，Linux2.6.29.3+QtoPia-2.2.0。
17.网络连接方式
内置GPRS扩展接口，支持GPRS网络连接方式。
（3）无线传输模块
本系统的关键问题之一是解决客户端心电监护仪与中央监护中心的数据通信。
心电监护仪实现心电信号现场实时的监护和相应的分析处理，当需要在监护中心进行集中监护时，心电监护仪只需打开无线传输功能，即可通过GPRS无线网络将病人的心电信号上传到中央监护中心，进而完成对病人的远程实时监护和
相应的分析处理[17]。
图3.4GPRS模块Q2686
本文选用的是与mini2440嵌入式模块相配套的法国wavecom公司的Q2686
GPRS模块，如图3.4所示。
Q2686是市场上最小的可编程无线CPU，采用ARM9核心处理器，拥有128Mb闪存和16Mb的RAM，可支持GPS/GPRS无线网络传输网络制式，此外还有2个模数转换器，2个RS232串口，1个并口和1个USB2.0。
3、客户端软件设计与实现
由第2章可知，客户端软件程序开发采用宿主机一目标机模式，首先是宿主
机在WindowsXP操作系统下采用VB6.0开发并初步调试，然后经交叉编译后下载到目标机上的WinCE环境下独立运行。
根据要实现的功能，在软件的设计时采用了模块化思想[18]，把整个系统划分为实时任务模块、显示模块、网络通讯模块和辅助功能共四个模块，各功能模块
结构如图3.5所示。
各模块分别完成确定的任务，模块之间既相对独立又相互协
作共同实现系统任务。
图3.5客户端软件功能模块结构图
（1）实时任务模块
根据系统任务和功能划分，实时任务模块需要完成两个功能:
一个是实时采集心电数据，一个是对心电信号进行实时分析。
因此将实时任务模块划分为两个线程，一个是实时数据采集线程，另一个是实时分析线程。
本系统使用串口通讯方式需要不断地从刀D卡读取采集到的心电信号数据，否则会被后来的数据覆客户端软件的设计与实现掉，从而造成数据丢失。
因此利用多线程编程技术，开辟一个实时采集线程专处理读取数据。
客户端各线程工作流程图3.6所示。
图3.6客户端各线程工作流程
当病人需要进行监护时，系统首先初始化串口，通过设置串口名称、波特率接收上下限并打开串口，然后启动实时数据采集线程，进入串口查询读取状态，实时读取心电信号数据。
线程每次读取一次采样的数据，读取到采样数据后，进行以下处理:
①将读取到的数据解包提取，存入缓冲区的一维数组inByte（）中。
②判断是否累积到25个数据包，如果到25个数据包，则通知显示线程绘制波形。
③若累积到50个包，并且网络标志为真，则通知实时传输线程向服务器端传输心电数据。
④判断是否累积到100个数据包，如果到100个数据包，则启动分析线程进行心电信号的波形检测和特征值提取。
⑤当病人需要结束监护时，向系统发送消息，关闭串口并结束实时数据采集线程。
（2）显示模块
显示模块主要包括心电信号波形显示、心电数据分析结果显示以及趋势图显示三部分。
心电数据显示模块利用定时器进行显示，定时器使用SctTime创建，创建时需要指定定时时间和定时器标识号，当达到定时时间时，定时器将会产生TimerlTick中断，从而进入相应的中断处理程序绘制波形。
心电波形的显示方法最常见的医学心电显示仪器中有两种方式:
移屏式与扫描式。
移屏式是新点从屏幕右边进来，同时旧的点从左边消失，波形呈平稳左移，这种方法的实时性更明显，但对刷新率要求高，并且显示时要在内存中开辟一个专门的缓冲区来存放已画出的但还要在屏幕上移动的数据，因此资源占用率大，计算处理耗时。
故本文采用的是后一种方式即扫描式。
扫描式是用新的点覆盖原来的点，新数据和旧数据的显示不连续，中间有一段空白区，这种方式虽然实时感不明显，每次实时更新时只需更新一小块即可，因此资源耗费较小，便于进行控制[19]。
（3）网络通讯模块
网络通讯模块是系统软件设计中非常重要的一个部分，正是由于网络通讯模块的支持，才使得病人端心电监护仪与中央监护中心的实时通讯成为可能，使之成为一个有机整体。
网络通讯模块的主要功能是通过GPRS无线传输，将心电数据准确、快速地传送到监护中心，以便监护中心能够同时监视多个病人的心电变化，并对网络上出现的各种事件做出准确、快速的响应，保证无线传输的可靠性。
①远程传输线程
该线程调用WindowSSockets的API函数以实现相互之间的通讯，Windows
SocketS规范定义并记录了如何使用API与Internet协议族。
在网络模块的软件编写过程中，为了提高远程传输的效率，远程传输线程将50个数据包作为远程传输的数据内容，生成一个1KB的数据包发送到服务器端。
考虑到在发送过程中，数据包可能会被分割成几批传送，为了确保数据在传
输过程中不会丢包，保证准确性和可靠性。
在此，本文封装了数据包的发送函数
SendPacket（），sendPacket（）函数是在发送前先将数据包大小发送到服务器端，从而使对方能根据数据包的大小来判断接收过程是否有丢包现象，防止数据包被部分丢失。
sendpaeket（）函数定义如下:
BOOLSendPaeket（intsoekfd，eonstehar*bu仁intdwBufLen）;
参数Sockfd指定己建立连接的套接字，将在此套接字发送数据。
参数*bu玲旨定要发送的数据的缓冲区。
参数dwBu几en指定要发送的数据长度。
返回值:
True:
发送数据成功;False:
发送数据失败。
远程传输线程工作流程图如图3.7所示。
图3.7远程传输线程工作流程
②网络通信线程
当病人需要进行集中监护时，创建一个Socket套接字并与中央监护中心建立网络连接，接着发送一个请求信息，等待监护中心的应答。
若接收到允许消息，“SOK”，则开始上传病人数据;若接收到拒绝消息“SNO”，则退出处理，进入
下一次消息循环。
当病人需要退出网络时，向监护中心上传退出网络的消息
“CQT”，然后关闭套接口，进入消息循环，等待下一次启动网络。
网络通信线
程流程图如图3.8所示。
图3.8网络通信线程流程图
五、系统调试
1、中央监护系统软件功能
经过前面的讨论，病人的心电数据通过GPRS无线传输网传送到了服务器端，中央监护中心同客户端的心电监护仪功能基本类似，只是服务器端可以实现多个病人心电数据的集中监护并对每个病人的心电数据进行管理。
具体所包含的功能
如下:
①从多个病人端监护仪接收心电数据，并能同各个心电监护仪通信。
②对每个病人的心电波形进行回放和实时分析计算，得到相关的生理参数值，以便医务人员进行病情的分析和诊断。
③对患者的基本信息进行管理并将病人的重要波形存储。
2、中央监护系统软件实现
本系统采用PC机作为监护中心服务器，服务器端的软件开发是在VisualBasic6.0和WindowSXP环境下完成的。
软件实现采用模块化思想，包括远程接收模块、波形回放分析模块、波形存储和信息管理模块。
（1）远程接收模块
服务器端通过winsockAP[20]机制响应接收到的数据包。
winsock的工作方式为C/S模式，是面向WindowS进行网络通讯应用程序设计的支持多种协议的编程接口。
本文采用的是流式套接字和面向连接的TCP传输协议，流式套接字可将传递的数据视为一个连续的字节流，并且没有长度限制，可保证数据传输的可靠性;TCP协议传输的特点是提供了面向连接的、可靠的数据传送服务。
本论文中使用winsockAPI编写服务器端的远程接收模块的步骤为:
①在监听线程中，创建套接口，使用到的函数是socket（）;
②将套接口捆绑到本地地址，使用到的函数是bind（）;
③侦听套接口，等待客户连接，使用到的函数是listen（）;
④接收客户连接，使用到的函数是accePt（）;
⑤建立一个新的套接口用于处理客户机/服务器对话，主要用到的函数有send（）、reev（）;
⑥关闭套接口，使用到的函数是close（）;
（2）波形回放分析模块
服务器端可接收并集中监护多个通道病人的波形和心电数据，包括4通道、8通道、16通道等模式，并显示各个通道病人的波形和数据分析结果，包括心率（HR）、血氧（SP02）、呼吸率（RR）、血压（NIBP）、体温（T1、T2）等参数值。
功能按钮栏位于中央监护系统主界面底部，包括波形回放、趋势图显示、波形冻结、系统设置等功能。
当双击图中任意一个通道，即可对该通道数据放大显示。
（3）波形存储和信息管理模块
当医务人员对病人某段重要的心电波形感兴趣时可以保存此段波形以备事后分析，包括存储文件名、文件目录和文件类型。
病人的基本信息管理包括添加、修改、查询患者基本信息，包括病人的姓名，床位号，ID号，性别，年龄，体重，身高，出生日期，联系方式、地址、单位、监护医生等信息[21]。
六、设计中的问题及解决方法
本系统初步实现了社区病人远程心电监护仪的功能，包括实时心电采集、显
示、保存、分析和传输，但与实际应用和生产还有很大差距，有待今后进一步完
善和改进，具体表现在以下几个方面[22]:
①心电信号的自动检测和分析方法目前还存在很多不足，例如QRS波的检测、心电特征值的提取受人体运动的干扰较大，还需进一步的研究提高心电检测
的准确率。
②对病情自动分析的功能值得深入研究，以完善中央监护系统的功能。
③在测试阶段，系统总体运行情况良好，但准确性测试中真实心电数据传输
的准确率有待提高，并且稳定性测试中数据传输受网络负载的影响较为明显，传
输时延较大，性能不稳定。
这有待日后研究更好的传输策略，并且移动运营商有
待于提供更好的移动增值服务，从而为心电数据的无线传输提供更稳定的传输性
能。
④此外，本系统目前只是进行了初步测试，在正式投入医院临床试用之前，
进行下一步更严格的测试，例如在社区和医院进行测试，以及第三方的检测等。
七、心得体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
通过这次嵌入式课程设计，本人在多方面都有所提高。
通过这次嵌入式课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次心电图检测与传输设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了嵌入式设计等课程所学的内容，掌握冷嵌入式设计的方法和步骤，掌握嵌入式设计的基本的模具技能懂得了怎样分析嵌入式的实用性，怎样确定工艺方案，了解了嵌入式的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计嵌入式的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的梅英老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
八、参考文献
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1-10
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513一515
[3]许海燕.嵌入式系统技术与应用.北京.机械工业出版社.2002:
17卜176
[4]梁小容.基于嵌入式limix的嵌入式心电中央监护系统的研制.[学位论文].重庆大学.2005:
4-6
[5]http:
//secunty.it168.eon/a20l0/0329/866/000000866638.shtml
[6]张梅奎等.远程医疗在新型社区卫生服务体系中建设策略和模式探讨.2008，vol.6，No.10:
1281-1282
[7]吴宝明.远程心电监护系统及动态心电信号自动分析的研究进展.2006，vol.30，No.5:
352-353
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