嵌入式系统/ARM技术:用嵌入式工控机设计多参数彩色监护系统

1简述
　　多参数监护仪是临床常用的检测设备，它要求能对临床患者的许多生理参数进行实时的检测和显示，能对检测数据进行实时处理以及能存储和回放。常规的监护参数包括心电、血氧饱和度、血压、脉搏率、呼吸率、体温等生理参数。除上述功能要求外，还要求设备具备安全、可靠和便携等特点。随着嵌入式工控机技术的发展，其在医用电子仪器领域也得到了广泛的应用。由于嵌入式工控卡不仅具有体积小、功耗低、性能稳定、通用性强、抗干扰以及能耐受恶劣环境的考验等特点，而且采用开放式总线结构，同时支持ISA和PC104总线，可以内置网卡、多串口设计及内置TFT、CRT显示接口，应用十分方便。一般工控卡都能支持DOM或DOC等电子盘器件，使得用户在非海量存储使用时，可以将应用程序和数据都存储在此类器件中。在固化BIOS和DOS的支持下，可共享使用PC机的软硬件资源，便于编制和实现复杂的算法。很适用于医疗仪器等嵌入式系统的设计。另外，监护参数的模块化设计能使整个系统的开发和设计更加简化，也有利于提高仪器稳定性、可靠性和可维护性。我们将上述两种新技术结合起来，采用心电/呼吸、血压和血氧/体温测量模块，选用台湾嵌入式工控卡，10.4″TFT彩色显示屏，设计了一种多参数彩色监护仪。

2仪器硬件设计
　　我们选用的嵌入式工控卡是台湾公司SIA 638工控卡，它以40MHz主频的80386SX为CPU，带标准的AMI ROM BIOS ，支持16MB内存，16级硬件中断。此外，卡上还有键盘插口和软、硬盘接口，可用在设计阶段调试程序。集成两个串口，通讯波特率可达115200 BIT/s，由于检测模块提供的是TTL电平的通讯信号，因此我们将工控卡的RS232电平进行了改造，使其输出TTL电平。一个并口可用来驱动记录病案的热敏记录仪或打印机。它还具有与PC/AT兼容的总线ISA、PC104接口，能通过无源底板与外设相接，包括与TFT显示器连接，实现生理参数波形和测量结果的大屏幕彩色显示。GPIO口可外接输入输出口线，本监护系统采用按键与编码开关结合进行菜单操作的的软硬件设计，使用此GPIO不再需要扩充I/O接口。另外，此款工控卡支持2MB或更大的的电子盘，可使用EPROM、SRAM或快闪存储器。这样，设计时可以像在PC机上那样用C语言编制监护仪的主控程序，随时进行调试、修改、编译，调试成功后形成可执行文件固化进电子盘，如果需要，还可将DOS操作系统和启动文件一同固化进电子盘中。适当设置CONFIG文件和AUTOEXEC文件，可以使系统完成BIOS初始化后由CPU自动执行监护仪主控程序。
　　仪器采用了3个生理参数测量模块：心电/呼吸模块、血压和血氧/体温模块。测量模块均为我们自己研制的［1，2，3，4］，各模块测量结果均通过串口以一定的数据格式传输。仪器由工控卡、自行设计的通信接口卡以及104″TFT彩色显示屏、心电/呼吸、血氧/体温、血压模块、电源模块及各种探头等组成。通信卡采用104总线插在工控板上，工控板和各测量模块均插在母板上，采用开关电源为仪器供电。通信卡上采用两片16C550异步串行通信接口芯片和一片输入缓冲接口芯片，设计了两个串口COMM1和COMM2。COMM1与COMM2均编程为相同波特率。COM1与3个测量模块相接，分时与各测量模块传递数据；COM2经电平转换后与中央台通讯。这两个串口以中断方式接受80386的控制，提高了CPU效率，有效避免各模块间传输的数据和命令的丢失，提高可靠性。在程序中通过定时查询、按键去抖，获取按键和单键飞梭的信息。仪器面板共有6个按键，其中3个屏幕菜单操作键，用来完成仪器各种参数的设置和多层菜单的转换，实现复杂的控制功能；一个为消音键，任何时刻按此键即实现报警器的消声/不消声功能切换；一个为打印键，可以完成波形、趋势图、血压数据表格的打印；一个为血压测量启动键，任何时刻按此键盘即可实现血压测量启动/血压测量停止功能。
　　所有测量参数均可设定上、下报警限，任一参数越限时即能发出声、光报警。需要时能用消声键停止报警声。能显示心率、血氧值、呼吸率3个参数24小时趋势图。心电波形可以作增益调节，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ导联可以随时转换。血压测量具有两种方式，一种为手动测量，按血压测量键，可以随时启动一次血压测量；另一种方式为自动测量，经过设置后，仪器会每隔一个固定时间间隔（1、2、3、4、5、10、15、30、60min），自动测量血压。仪器能与高分辨率激光打印机连接，描记病人的心电图、趋势图及血压数据。
　　每个测量模块都有自己的嵌入式单片机CPU芯片，此芯片完成各自功能模块的数据采集、数据处理及模块内的基本控制。单片机CPU所完成的参数处理结果，经与工控机的串行通讯，传输进入主机系统。

3软件设计
　　监护仪主控程序用BC++50及8088汇编语言写成，由三部份程序组成。第一部份为汇编模块，用汇编语言完成。显示部份采用VESA显示标准，具有与VESA显示卡较好的兼容性。10MS中断处理与测量模块、中央台串行通讯中断处理也采用汇编语言完成。两部份单独编译成一个目标文件，一是可以提高运行速度，二是可以供其他模块使用。由于采用的是386系统，其程序执行的速度有限，因而必须在占用较多时间资源的显示程序段进行优化设计，以达到实时性。第二部份用C++语言完成，由十多个类组成，较为复杂的类由比较简单的类继承而来，具有较好的扩展性。主要包括大字符显示、波形显示、血压数据显示、趋势图显示、打印。第三部份为主程序，主要包括显示卡初始化、中断处理的初始化、各种类的实例化、多层菜单显示操作、按键扫描、声光报警。三部份程序经编译和与自己编写的英文字符库连接后，形成EXE文件的格式，可以在MS-DOS操作系统环境下运行。

4结论
　　该仪器的特点是大屏幕彩色显示，便于医生远距离观察；操作简便，即可以使用常规的按键，又可使用操作更为简便的单键飞梭，它可以完成所有的仪器操作。嵌入工控机的使用和参数测量模块化的设计，使得我们设计的彩色多参数监护仪系统成为真正的便携式系统。由于工控机的通用性强，使得我们可以充分地利用PC机的软硬件资源，缩短设计周期，使仪器性能更加可靠、易于维护。