远程心电医疗信号监测系统的设计与实现

引言

HHCE（Home Health Care Engineering）这门学科正随着人类对健康的重视和远程医疗的发展而逐渐走进人们的生活，本实用新型涉及一种基于无线传输和互联网传输的远程心电监护系统，包括心电监护仪、心电服务器、心电监控终端、短信报警器、医生终端和护士终端。心电监护仪采集病人的心电生理参数，通过网络输送至心电服务器中的心电数据库，心电监控终端从心电数据库中取得实时数据并显示、分析、处理；当病人的心电生理参数出现异常时，心电监控终端通过短信报警器自动给监护发送报警信息；医生终端通过互联网连接心电服务器和心电监控终端；护士终端通过本地无线网络与心电监护仪连接。本实用新型实现了采集的心电生理参数与医务人员的无线信息交换方式，适用远程心电监护，使用互联网模块，成本低，易于推广，且特别适用于病人的家庭监护。

HHCE系统提供一种对于家庭、社区医疗、出诊医生有效便捷的医疗监测解决方案，具有心电信号监测功能的监测器是HHCE系统的重要组成部分。就国内而言，该类产品的研究也属于刚起步阶段，远程网络也只是简单的完成数据库医疗数据的存储和传输，还没有真正完成将网络与医疗器械相结合。

本设计采用了Altera公司的NiosⅡ软核处理器作为CPU，并移植了当今主流的μClinux操作系统。该系统具有系统稳定、便携式、功能可升级扩展、面向用户、远程控制等特点。一方面，它将家庭保健和远程医疗结合起来，主要面向用户终端设计，使个人能够方便的对自身心电信号的进行自我检测与分析，实时了解自己的身体健康状况；另一方面，采集到的数据还可以通过存储卡存储，以便对数据进行长期分析处理和诊断；NiosⅡ处理器具有完全的可定制性，包括处理器的定制，外设的定制和接口的定制等；32位的NiosⅡ处理器具有超过200 DIMP的性能，而其成本只有同级别性能ARM处理器的l／10。此外，SD存储卡以其大容量和小尺寸的特点，成为市面上各种嵌入式消费产品最常见的存储媒介，探讨SD卡设备的设计具有广泛的应用价值。这里将结合NiosⅡ处理器的总线架构，分析SD卡的接口协议和驱动程序设计方法，并给出SD卡设备在NiosⅡ处理器的设计实例。

2 系统介绍

远程心电医疗信号监测系统主要由心电信号的前端采集与调理模块、心电信号处理与存储模块、数据显示模块和远程传输控制模块等4个关键模块组成。

该监测系统的硬件平台采用ALTERA公司CycloneⅡ2C35 FPGA芯片，采用SOPC（片上可编程系统）技术将NiosⅡ软核处理器、存储器、功能接口和扩展I／O口等集成在一块FPGA芯片上，外围扩展心电数据采集板、网络、LCD屏、触摸屏／键盘、SD存储卡等硬件来实现系统的硬件架构，且带有可扩展的I／O接口，便于以后系统功能升级与扩展。

3 系统关键模块的设计

3.1 NiosⅡ嵌入式软核处理器简介

Nios Ⅱ嵌入式处理器是ALTERA公司推出的采用哈佛结构、具有32位指令集的第二代片上可编程的软核处理器， 其最大优势和特点是模块化的硬件结构， 以及由此带来的灵活性和可裁减性。相对于传统的处理器， Nios Ⅱ系统可以在设计阶段根据实际的需求来增减外设的数量和种类。设计者可以使用ALTERA 提供的开发工具SOPC Builder, 在PL D器件上创建软硬件开发的基础平台， 也即用SOPC Builder创建软核CPU和参数化的接口总线Avalon。在此基础上， 可以很快地将硬件系统（包括处理器、存储器、外设接口和用户逻辑电路）与常规软件集成在单一可编程芯片中。而且， SOPC Builder还提供了标准的接口方式，以便用户将自己的外围电路做成Nios Ⅱ软核可以添加的外设模块。

NiosⅡ处理器采用Avalon交换式总线，该总线是Altera开发的一种专用的内部连线技术。Avalon交换式总线由SOPC Builder自动生成，是一种用于系统处理器、内部模块以及外设之间的内联总线。Avalon交换式总线使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐、中断优先级的指定以及高级的交换式总线传输。

3.2 心电信号采集调理模块设计

对ECG信号采集采用模块化的设计方式，主要由前端的导联传感器、信号滤波放大调理电路和A／D采样电路组成。人体心电信号的主要频率范围为0.05～100 Hz，幅度约为0～4 mV，信号十分微弱。同时心电信号中通常混杂有其他生物电信号，加之体外以50 Hz工频干扰为主的电磁场干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。为了不失真地检测出有临床价值的心电信号，信号滤波与放大调理部分主要由一下几个电路组成：前置放大电路、高低通滤波电路、陷波电路与A／D转