基于WPAN的脉搏血氧饱和度仪设计
中心议题：
- 脉搏血氧饱和度仪系统的组成及功能
- 检测仪移动采集终端的设计与实现
- 检测仪主站的设计与实现
解决方案：
- 数据存储器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041实现
- 显示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02实现
本文介绍了基于无线个域网(WPAN)设计的脉搏血氧饱和度检测仪。WPAN是为在小范围内的设备间建立无线连接而开发的无线传输技术,IEEE标准化协会已为此制定了IEEE802.15.X标准。本文涉及的传输技术符合专门针对低速WPAN制定的IEEE802.15.4(ZigBee)标准。
1 系统的组成及功能
基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的系统结构如图1所示。
图1 WPAN脉搏血氧饱和度侧仪系统
检测仪移动采集终端的功能:检测人体的血氧饱和度、脉搏和脉搏强度,并通过WPAN通信模块将数据传送给检测系统主站。检测仪移动采集终端分为检测探头、血氧饱和度监测模块、电源和WPAN通信模块等部分。检 测探头和血氧饱和度检测模块为外购的OEM模块,是美国BCI公司的产品,它利用光电法和比尔定理,从而实现无创检测。检测仪移动采集终端还支持一种独立工作方式,这种工作方式适合于连续非实时工作的情况。
检测仪主站的功能:通过WPAN接口接收并存储检测仪移动采集终端发出的信息;按操作者的指令在显示屏上显示移动终端传来的实时信息或历史数据;当检测参数超出门限值时发出报警信号;可根据需要通过快速以太网接口与后台的支持管理系统通信,以完成更复杂的管理功能。一个检测仪主站可连接多个检测仪移动采集终端,不仅增加了使用的方便性,而且提高了主站的利用率并降低了系统的使用成本。除检测探头和血氧饱和度检测模块外,系统其余部分全部为自行设计,下面分别予以介绍。
2检测仪移动采集终端的设计与实现
检测仪移动采集终端WPAN通信模块的功能:经WPAN通信模块接收检测仪主站的命令,对命令解析后通过RS2232接口向血氧饱和度检测模块发出控制命令;接收血氧饱和度监测模块的采集数据和反馈控制信息,经预处理和打包后经WPAN通信模块发送给检测仪主站。
2.1 检测仪移动采集终端通信模块硬件设计
检测仪移动采集终端WPAN通信模块的硬件组成如图2所示。
图2 移动采集终端WPAN通信模块框图
(1)MCU部分功能和实现
MCU部分是WPAN通信模块的核心,完成通信模块各组成部分的控制、协调和数据的加工。具体功能:通过RS232接口与血氧饱和度检测模块通信,实现对它的控制和配置,并接收检测数据;通过SPI接口和状态指示接口实现对RF收发器的配置和检测,并完成发射和接收的数据交换;通过USART接口与数据存储器连接,完成数据存储器的读写操作;通过电源检测和状态指示部分,监测电源电压情况,并能通过状态指示产生报警提示。
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(2)RF收发器的功能和实现
RF收发器的功能是实现要传输数据的无线收发。具体功能包括:通过SPI接口完成与MCU部分的数据交换,数据内容包括要传输的数据和来自MCU部分的控制和配置信息;根据来自MCU的控制和配置信息调整相关的RF参数;通过状态和指示接口将传输状态反馈给MCU;通过天线完成数据的无线发送和接收;完成WPAN的物理层功能,实现物理层的协议处理。该部分采用Chipcon公司CC2420实现。
(3)数据存储器的功能和实现
数据存储器的功能是缓冲血氧饱和度检测模块的采集数据。数据的缓冲主要应用在无线连接不可靠的情况。数据存储器在无线连接不通畅、无法完成采集数据的及时传送时缓冲积聚的数据,以便在数据通路恢复时传送这些数据;数据存储器的另一个功能是在移动采集终端离线使用时存储采集数据,这适合对监测对象的长期非实时的状态跟踪。
数据存储器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041实现。当移动采集终端工作在离线状态时,采集数据存储在该存储器中,数据存储可持续时间大于48h,如采用压缩技术存储数据,数据存储持续时间大于168h。
2.2检测仪移动采集终端的软件实现
检测仪移动终端的软件是基于Webit510操作系统开发的。Webit510具有如下特点:面向8/16位低成本微控制器;完全抢占式事件驱动的固定优先级调度程序;支持256个优先级,相同优先级任务遵循FIFO调度策略;采用信号量机制实现同步或互斥共享;定时器管理支持一次性和周期性定时;精简、高效的动态内存管理策略;流设备管理;支持多级目录的文件系统;内置TCP/IP协议栈;支持运行任务的单步调试。
检测仪移动终端的软件的结构如图3所示。
图3 移动终端软件结构图
3检测仪主站的设计与实现
检测仪主站的主要功能:经WPAN接口与移动采集终端通信,实现对移动采集终端的控制,并接受来自移动采集终端的采集数据;通过显示器模块以字符或图形方式显示采集的历史数据或实时数据;通过触摸屏以菜单形式完成控制或查询命令的输入;按用户要求实现对历史数据的管理和挖掘,存储采集的历史数据并具备历史数据的自动清除和锁定功能;具备快速以太网接口,通过该接口可实现与后台管理系统的连接。
3.1 检测仪主站的硬件设计
检测仪主站的硬件结构如图4所示。下面分别介绍各主要部分的组成及其功能。
图4 检测仪主站硬件结构图
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(1)CPU部分的功能和实现
CPU部分完成主站各组成部分的控制、协调和数据的加工。具体功能:通过系统总线与存储器相连,完成相关数据的加工、处理和存储;通过LCD接口与彩色液晶显示器相连,实现信息的显示,以实现人机交互;通过触摸屏接口与触摸屏相连,实现控制命令的输入;通过总线接口与以太网控制器相连,可将检测仪接入后台支持网络,实现系统信息的集中化管理和与后台管理系统的融合;通过SPI接口和状态指示接口实现对RF收发器的配置和检测,并完成发射和接收的数据交换,实现与检测仪移动终端的通信;通过电源和外围电路,实现对系统的供电。
(2)检测仪主站存储器的功能和实现
存储器的功能是存储系统程序和应用程序,存储移动采集终端采集的历史数据并提供程序运行的存储器空间。
(3)快速以太网接口的功能和实现
为实现与后台管理系统的协作,检测仪主站提供一个快速以太网接口。通过该接口,可方便主站与医院的病历管理系统、计费系统、或其他应用单位的后台业务支持系统的连接。
(4)人机交互界面的设计
一些专家指出:对于用户,人机界面就是系统本身。因此人机界面在系统中占有重要地位。本系统中,人机界面的硬件部分由彩屏LCD显示器和触摸屏组成,触摸屏用于输入各种控制/查询命令和各种初始数据,LCD显示器用于返回各种命令的操作结果和显示各种监测数据或监测曲线。显示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02[10]实现,该屏为具有配套触摸屏的彩色LCD。
(5)WPAN接口
WPAN接口实现检测仪移动终端与检测仪主站的通信,与检测仪移动终端的RF收发器部分基本相同。
3.2 检测仪主站的软件实现
检测仪主站的软件是基于ARMLinux开发的。自20世纪80年代末以来,陆续出现了一些嵌入式操作系统,但其高昂的价格令人望而却步,且源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性。因此,结合国内外具体情况,选择了ARMLinux操作系统作为开发平台。检测仪主站的软件结构如图5所示。
图5 监测仪主站软件结构
ARMLinux内核主要由5个子系统组成:进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进程间通信。进程调度控制进程对CPU的访问;内存管理允许多个进程安全共享主内存区域;虚拟文件系统隐藏了各种硬件的具体细节,为所有的设备提供了统一的接口;网络接口提供了对各种网络标准的存取和各种网络硬件的支持;进程间通讯(IPC)支持进程间各种通信机制。
显示处理模块和触摸屏处理模块共同完成人机交互。显示处理模块完成采集数据的图形或字符显示,并根据用户操作显示各级菜单;触摸屏处理模块与显示处理模块配合完成各种控制或命令信息的输入。
嵌入式数据库实现历史数据的管理、查询和维护等操作。
4 实现结果
基于WPAN的血氧饱和度检测仪的原型机已开发成功并通过测试。
测试结果如下:各参数的测量精度与所选择的血氧饱和度监测模块完全相同;一个检测仪主站最多可同时与64个检测仪移动采集终端通信,并保证传输和显示的正确性和实时性;无线传输速率为250kb/s;无线传输距离可达75m(根据使用条件的变化会有所改变)。
测试结果表明,检测仪完全达到了预期的设计指标,具有广阔的市场前景。
5结论
基于WPAN的血氧饱和度检测仪的研制,大大扩展了设备的适用范围,在设备的实用性、方便性、可管理性及适用范围等方面有了极大提高;由于一个主站可连接多个移动采集终端,大大降低了使用成本。
