1、-第 1 页 共 5 页基于蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪 1李伟，吴效明（华南理工大学 生物科学与工程学院 广东 广州 510641）摘 要：介绍了一种采用蓝牙技术的嵌入式多生理参数监护仪，能实时检测人体心电信号(ECG)、心率、血氧饱和度(SpO2)、血压和体温等多生理参数，是一种适用于社区医疗和面向家庭的新型多功能监护仪。该监护仪具有蓝牙无线通信功能，能够多路采集，LCD 实时显示，二十四小时生理信息存储，生理参数统计分析与诊断，监督报警的功能。采用先进的 16/32 位 RISC ARM7DMI 为内核的 S3C44B0X 芯片和 CSR 公司单片 BLUECORE2-EXTERNA
2、L 作为主控制处理器模块和蓝牙通信模块。关键词：蓝牙技术；监护仪；嵌入式系统；多参数分类号：TH772.2 文献标识码：AMulti-parameter Physiological Monitor based on Embedded system and Bluetooth TechnologyLI Wei, WU Xiaoming（School of Bioscience and Bioengineering, South China University of Technology,Guangdong,Guangzhou,510641,China）Abstract: This thesis
3、 describes a multi-parameter physiological monitor based on embedded system and Bluetooth technology. It can monitor Electrocardiogram (ECG), Pulse Rate, Pulse Oxygen Saturation (SpO2), Blood Pressure and temperature. This multi-function monitor can meet with demands of service in the family practic
4、e. It has the function of Bluetooth wireless communication, real-time displaying on LCD, storing of 24 hours physiological data, statistic analysis and diagnosis of physiological data and alarm. The monitor uses advanced S3C44B0X 16/32-bit RISC microprocessor which has a ARM7TDMI core and CSRs singl
5、e chip radio and base-band IC for Bluetooth module.Keywords: Bluetooth technology；medical monitor；embedded system；multi-parameter 引言医学检测仪器正向多功能、智能化和微型化方向发展。数字化和将生理信号的测量技术与分析技术融为一体成为其显著特点之一，应用高性能微处理器芯片和嵌入式操作系统及应用软件使医学检测仪器的智能化程度显著提高，仪器的稳定性高，数据处理快速精确，仪器的功能多，易于仪器升级换代，使医学信号的采集、分析处理、通信一体化。蓝牙技术是一种小范围信息无线传输
6、系统，有很高的抗干扰能力和较高的通信速率（数据速率 1Mb/s） ，推出后已表现出较强的生命力。当前对蓝牙技术的应用主要集中于小型的移动通信设备，它不仅仅简单消除了电缆连接，还提供了包括网络在内的宽范围标准设备和通信选项的入口。把蓝牙技术应用于医疗设备中的研究尚处于起步阶段，但已显示出广阔的前景。本文研发的多生理参数医疗监护仪采用嵌入式系统设计，用蓝牙技术替代常规的有线电缆实现与相关设备无线通信，能够多路采集，实时显示，二十四小时生理信息存储，生理参数统计分析与诊断，监督报警，实时检测人体心电信号、心率、血氧饱和度、血压和体温等多生理参数。是一种适用于基层医院、社区医疗以及能面向家庭的新型多功
7、能监护仪。1 蓝牙技术蓝牙技术是由爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等 5 家公司于 1998 年 5 月联合制定的近距离无线通信技术标准，是一个开放的全球工业标准。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口(Radio Air Interface)，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，提供一种低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路，使设备能在近距离范围内实现相互通信或1 基金项目：广东省科技攻关项目（B2040840 ）-第 2 页 共 5 页操作。蓝牙技术采用跳频机制进行数据传送，能极大地提高数据传送的抗干扰性能，工作在全球公众通用的 2.4GH
8、z ISM(工业、科学、医学)频段，传输速率为 1Mbps，传输距离为 10m-100m，可构成最多由 8 台设备构成的微微网（Piconet） ，亦可再由多个独立、非同步的微微网（Piconet）拓扑形成分布式网络（Scatternet） 。同时信道可采用采用 0 位、40 位、60 位密钥加密。目前已由 Bluetooth SIG组织制定蓝牙 1.2 系统国际规范。本监测仪的蓝牙无线模块采用蓝牙主机主机控制器模型，其协议栈如图 1 所示。用户应用程序其他高层驱动程序（ L 2 C A P , R F C O M M , )H C I 驱动程序物理总线接口驱动程序（ U S B , R S
9、2 3 2 )H C I 固件基带与链路控制器射频物理总线固件（ U S B , R S 2 3 2 )蓝牙主机 （ P C , 嵌入式系统 ）物理总线硬件蓝牙硬件链路管理器固件模 拟 信 号调 理 模 块主控制处理器模块L C D 液晶显示模块操作按键模块触摸屏操作模块电源管理模块F L A S H R O M数据存储模块D R A M内存模块U S B模块人体生理信号蓝牙无线网络模块图 1 蓝牙主机主机控制器模型协议栈 图 2 系统原理框图2 芯片概述2.1 主控制处理器 S3C44B0XS3C44B0X是SAMSUNG公司推出的基于ARM公司ARM7TDMI核心的16/32位RISC高性
10、能微处理器，主频可达66MHz。它集成有8KB缓存，LCD控制器， 2路UART，4通道 DMA，5路带PWM的定时器，RTC控制器, 8路10-bit ADC, IIC总线接口, IIS总线接口,同步SIO接口，带 PLL的时钟发生器，71个I/O口，其中包括8个外部中断源输入口。8个内存BANK,每个BANK寻址32M字节。有四种工作模式，可以降低系统功耗。S3C44B0X高集成度有利于系统的微型化，同时适合于对功耗敏感的系统，如手持便携式系统。2.2 蓝牙模块 BLUECORE2-EXTERNALCSR 公司的 BLUECORE2-EXTERNAL 蓝牙模块是集成有射频收发，基带控制和管
11、理，蓝牙主控制器接口协议 HCI 的单一芯片。核心工作电压为 1.8V，输入输出端口工作电压 3.3V。芯片内硬件和固件符合蓝牙规范 V1.1 和 V1.2。内建有 32Kbytes RAM,同时支持最大 8MB 外部 FLASH ROM。射频发射功率支持CLASS2（2.5mW）和 CLASS3(1mW),如外加功率放大器也支持 CLASS1(100mW)。提供 HCI USB 接口（符合USB 规范 V1.1）和 UART 接口（速率 1.5Mbaud）,PCM CODEC 音频接口，SPI 串行外设接口，12 个可编程数字 I/O 口和 3 个可编程模拟 I/O 口。用它作蓝牙主芯片使外
12、围元件数减少到最低。3 系统工作原理和总体设计本监护仪克服了传统监护仪的体积大、附件多、有线检测传输方式、组网不方便、检测参数单一、扩展交互能力差的不足。其系统原理框图如图 2 所示，它的工作原理是：由 ECG 导联电极来检测反映心脏电生理活动的心电信号，由温度传感器检测体温信号，由红外光谱血氧传感器检测血氧饱和度信号，由压力传感器检测血压信号；这些信号分别送到各自的生理信号模拟调理模块，针对各种信号的特点和要求进行放大，滤波等处理，并将信号放大调整到一定的幅度（此处为 02.5V 以内） ；再经主控制处理器内含的十位 A/D 转换器把模拟信号转换成数字信号；主控制处理器模块运行 uClinu
13、x 嵌入式操作系统和片上生理信号分析应用软件对数据进行分析处理和阈值比较及报警，同时由 LCD 显示模块以图形方式实时显示 ECG 图形和各参数测量分析结果，由 FLASH ROM 模块完成对数据的压缩存储，通过蓝牙无线传输模块功能，将数据实时发送到工作站，得出更为详细的检测报告，以便提供给医务人员作为疾病诊断评价时参考。-第 3 页 共 5 页4 硬件电路硬件电路部分包括生理信号模拟调理模块，采用 ARM 公司先进的 RISC ARM7DMI 内核 Samsung 公司的 S3C44B0X 66MHz CPU 芯片作为主控制处理器模块, 采用两片 AMD 公司的大容量高速 3.3V 电压可快
14、速擦除编程的 64Mbits 和 256MbitsFLASH ROM 各一片作为存储模块，以 USB 芯片和 CSR 公司单片式BLUECORE2-EXTERNAL 为芯片的蓝牙无线网络模块，16MB DRAM 内存模块，分辨率为 320240 的 LCD 液晶显示模块，四线电阻触摸屏模块，操作按键模块。各模块具体实现以下功能：(1) 生理信号模拟调理模块实现对多生理信号的拾取，对低频、高频、工频等干扰信号进行滤波和抑制，对模拟量进行放大、零点调整和满量程调整。由于人体生理信号十分微弱(VmV级)，且信号源内阻很大（几十K几百K） ，在检测生理信号的同时存在强大的干扰，如工频50Hz，极化电压
15、，因皮肤接触电阻引起的伪差信号干扰等。因此，前置级放大采用运放组成并联型差动放大器模型，同时运用多导电生理信号浮地跟踪技术的双层屏蔽驱动与右脚驱动，后级电路采用廉价的仪器放大器，将双端信号转换为单端信号输出，能取得很高的共模抑制比和输入阻抗。(2) 主控制处理器模块结合uClinux嵌入式操作系统和片上采样分析软件实现对模拟生理信号的A/D模数转换和控制，数字滤波和小波分析，数据计算分析，同时控制和管理硬件部分的每个模块。(3) 存储模块利用大容量高速FLASH ROM，实现各种生理数据的实时存储，可同时存储24小时的动态心电图ECG和心率、血氧饱和度和体温等综合生理参数。FALSH ROM具
16、有可擦除，可写入功能，即使系统电源关闭，其上的存储数据也不会丢失。(4) 无线网络模块实现生理数据的无线传输和蓝牙无线网络服务，与PC或其他设备上的蓝牙无线端口连接实现蓝牙技术中的微微网（Piconet） ，即同时最多可由8台带蓝牙接口的设备构成的对等的蓝牙无线网络。蓝牙通信模块采用蓝牙USB dongle的方式，即主控制处理器模块通过USB物理接口和协议与蓝牙芯片BLUECORE2-EXTERNAL相互通信。(5) LCD液晶显示模块，触摸屏模块，操作按键模块共同实现人机界面，完成生理信号和参数的实时显示，应用软件的操作界面的操作和按键信息的输入。5 软件设计5.1 软件层次软件部分包括 u
17、Clinux 嵌入式操作系统，驱动程序及智能化的片上生理参数诊断分析应用软件。软件层次如图 3 所示。(1) uClinux 嵌入式操作系统是面向微控制领域的嵌入式 Linux 系统,是专为没有 MMU 的微处理器（如 ARM7TDMI、Coldfire 等）设计的嵌入式 Linux 操作系统。uClinux 具有开放源码、完全免费、可灵活裁减、网络支持完善，能将实时模块编译入内核等特点,因此将 uClinux 作为蓝牙接入终端开发的软件平台。(2) HCI 驱动程序，实现蓝牙主机控制器接口协议。USB 驱动,LCD 液晶显示驱动等驱动程序，符合uClinux 嵌入式操作系统设备驱动程序所需的
18、规范，实现对系统各种硬件资源的底层功能，实现向较高软件层提供透明支持。片上应用软件u C l i n u x 操作系统蓝牙 U S B 驱动心电数据处理血氧饱和度处理血压处理体温处理生理参数显示 / 报警生理数据采集控制 R A M 存储处理蓝牙 U S B 无线 D O N G L E 硬件接口生理参数 F L A S H R O M存储处理蓝牙通信处理图 3 软件层次图-第 4 页 共 5 页(3) 智能化的片上生理参数诊断分析应用软件，应用现代时域、频域及时频结合的小波分析方法，它不仅使检测更精密、更准确，而且能对数据进行快速自动分析处理，并结合医学专家经验解决生物医学信号自动检测，分析
19、及显示。应用程序的开发在嵌入式软件开发环境下，利用 Gnu 开发套件由 C/C+语言交叉编译完成。5.2 软件程序的实现5.2.1 uClinux 操作系统的加载FLASHROM 中依次固化有 BootLoader、uClinux 内核的启动参数、uClinux 内核和根文件系统的压缩文件。BootLoader 就是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序，初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，将 uClinux 内核映像和根文件系统解压后加载到系统 RAM 中，然后跳转到内核的入口点运行。BootLoader 是严重地依赖于硬件而实现的, 依赖于 CPU 的体系结构和具体的嵌入式板级设备的配置
20、。5.2.2 蓝牙主控制器接口协议 HCI 驱动的实现由于本监护仪的蓝牙无线模块采用 HCI 协议提供的标准 USB 接口来完成主机与蓝牙模块的控制和通讯。需要实现 USB 接口驱动，蓝牙协议采用的是已有的 USBV1.1 规范协议，限于篇幅，uClinux 系统下 USB 接口驱动程序不再详述。下面仅就蓝牙 HCI 协议驱动程序给出蓝牙通信步骤。代码如下：(1) 对本地蓝牙设备配置void HCIUSB_Configure()/将 HCI 配置指令,流量控制指令和参数放入 BUFFERS 中，打包后发送(2) 查询有效范围内其他蓝牙设备void HCIUSB_Inquiry()/将 HCI
21、查询指令和参数放入 BUFFERS 中，打包后发送(3) 建立 ACL 连接void HCIUSB_ACLConnection()/将 HCI 查询指令返回的地址作为参数的 ACL 连接指令和参数放入 BUFFERS 中，打包后发送(4) ACL 数据发送和接受Void HCIUSB_SendACLData()/将 ACL 数据分组放入 BUFFERS 中，打包后发送Void HCIUSB_GetACLData()/将 BUFFERS 中 ACL 数据分组，拆包后送给上层软件(5) 断开连接Void HCIUSB_QuitACLConnection()/将 HCI 断开链路指令放入 BUFFE
22、RS 中，打包后发送5.2.3 FLASHROM 片上应用软件的实现片上应用软件如图 3 所示，程序全部由 Gnu 开发套件编写及交叉编译。由于人体生理信号频带一般定为（0100HZ），信号采样速率为 250HZ 或 500HZ,所以应用程序采用同时运行有多个进程，心电处理进程有分为数个线程，和优化的中断处理程序来保证处理的实时性。由于 uClinux 操作系统没有mmu 管理存储器，在实现多个进程线程时需要实现数据保护。6 结 语为了克服传统监护仪的体积大、附件多、有线检测传输方式、组网不方便、检测参数单一、扩展交互能力差的不足，本监护仪提供一种具有蓝牙无线通信的智能嵌入式监护设备，实现监护
23、设备的多生理参数的检测存储和实时显示，提供更充分的生命体征信息；生理数据分析诊断、阈值设置及监督报警；用蓝牙技术实现生理数据传输无线化的同时实现使具有蓝牙接口的检测设备利用蓝牙无线网络组网；内含嵌入式操作系统和数据分析诊断应用软件，为设备的功能扩展提供了方便。参 考 文 献：1 Karim Yghmour ,Building Embedded Linux Systems. OReilly, 20032 马建仓，罗亚军等.蓝牙核心技术及应用，北京:科学出版社，20033 BlueCore2-Exteral Product Data Sheet, http:/4 S3C44B0X USER MANAL ,SUMSUNG 公司5 王保华.生物医学测量与仪器，上海：复旦大学出版社，2003-第 5 页 共 5 页
