中心議題：

• 脈搏血氧飽和度儀係統的組成及功能
• 檢測儀移動采集終端的設計與實現
• 檢測儀主站的設計與實現

解決方案：

• 數據存儲器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041實現
• 顯示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02實現

本文介紹了基於無線個域網(WPAN)設計的脈搏血氧飽和度檢測儀。WPAN是為在小範圍內的設備間建立無線連接而開發的無線傳輸技術,IEEE標準化協會已為此製定了IEEE802.15.X標準。本文涉及的傳輸技術符合專門針對低速WPAN製定的IEEE802.15.4(ZigBee)標準。　　

1 係統的組成及功能　　

基於WPAN的脈搏血氧飽和度檢測儀的係統結構如圖1所示。
 

圖1 WPAN脈搏血氧飽和度側儀係統 　　

檢測儀移動采集終端的功能:檢測人體的血氧飽和度
、脈搏和脈搏強度,並通過WPAN通信模塊將數據傳送給檢測係統主站。檢測儀移動采集終端分為檢測探頭
、血氧飽和度監測模塊、電源和WPAN通信模塊等部分。檢 測探頭和血氧飽和度檢測模塊為外購的OEM模塊,是美國BCI公司的產品,它利用光電法和比爾定理,從而實現無創檢測。檢測儀移動采集終端還支持一種獨立工作方式,這種工作方式適合於連續非實時工作的情況。　　

檢測儀主站的功能:通過WPAN接口接收並存儲檢測儀移動采集終端發出的信息;按操作者的指令在顯示屏上顯示移動終端傳來的實時信息或曆史數據;當檢測參數超出門限值時發出報警信號;可根據需要通過快速以太網接口與後台的支持管理係統通信,以完成更複雜的管理功能。一個檢測儀主站可連接多個檢測儀移動采集終端,不僅增加了使用的方便性,而且提高了主站的利用率並降低了係統的使用成本。除檢測探頭和血氧飽和度檢測模塊外,係統其餘部分全部為自行設計,下麵分別予以介紹。　　

2檢測儀移動采集終端的設計與實現　　

檢測儀移動采集終端WPAN通信模塊的功能:經WPAN通信模塊接收檢測儀主站的命令,對命令解析後通過RS2232接口向血氧飽和度檢測模塊發出控製命令;接收血氧飽和度監測模塊的采集數據和反饋控製信息,經預處理和打包後經WPAN通信模塊發送給檢測儀主站。　　

2.1　檢測儀移動采集終端通信模塊硬件設計　　

檢測儀移動采集終端WPAN通信模塊的硬件組成如圖2所示。
 

圖2 移動采集終端WPAN通信模塊框圖　　

(1)MCU部分功能和實現　　

MCU部分是WPAN通信模塊的核心,完成通信模塊各組成部分的控製、協調和數據的加工。具體功能:通過RS232接口與血氧飽和度檢測模塊通信,實現對它的控製和配置,並接收檢測數據;通過SPI接口和狀態指示接口實現對RF收發器的配置和檢測,並完成發射和接收的數據交換;通過USART接口與數據存儲器連接,完成數據存儲器的讀寫操作;通過電源檢測和狀態指示部分,監測電源電壓情況,並能通過狀態指示產生報警提示。　　
[page]
(2)RF收發器的功能和實現　　

RF收發器的功能是實現要傳輸數據的無線收發。具體功能包括:通過SPI接口完成與MCU部分的數據交換,數據內容包括要傳輸的數據和來自MCU部分的控製和配置信息;根據來自MCU的控製和配置信息調整相關的RF參數;通過狀態和指示接口將傳輸狀態反饋給MCU;通過天線完成數據的無線發送和接收;完成WPAN的物理層功能,實現物理層的協議處理。該部分采用Chipcon公司CC2420實現。　　

(3)數據存儲器的功能和實現　　

數shu據ju存cun儲chu器qi的de功gong能neng是shi緩huan衝chong血xue氧yang飽bao和he度du檢jian測ce模mo塊kuai的de采cai集ji數shu據ju。數shu據ju的de緩huan衝chong主zhu要yao應ying用yong在zai無wu線xian連lian接jie不bu可ke靠kao的de情qing況kuang。數shu據ju存cun儲chu器qi在zai無wu線xian連lian接jie不bu通tong暢chang、無法完成采集數據的及時傳送時緩衝積聚的數據,以便在數據通路恢複時傳送這些數據;數據存儲器的另一個功能是在移動采集終端離線使用時存儲采集數據,這適合對監測對象的長期非實時的狀態跟蹤。　　

數據存儲器采用ATMEL公司的新型FLASH芯片AT45DB041實現。當移動采集終端工作在離線狀態時,采集數據存儲在該存儲器中,數據存儲可持續時間大於48h,如采用壓縮技術存儲數據,數據存儲持續時間大於168h。

2.2檢測儀移動采集終端的軟件實現　　

檢測儀移動終端的軟件是基於Webit510操作係統開發的。Webit510具有如下特點:麵向8/16位低成本微控製器;完全搶占式事件驅動的固定優先級調度程序;支持256個優先級,相同優先級任務遵循FIFO調度策略;采用信號量機製實現同步或互斥共享;定時器管理支持一次性和周期性定時;精簡、高效的動態內存管理策略;流設備管理;支持多級目錄的文件係統;內置TCP/IP協議棧;支持運行任務的單步調試。　　

檢測儀移動終端的軟件的結構如圖3所示。
 

圖3 移動終端軟件結構圖

3檢測儀主站的設計與實現　　

檢測儀主站的主要功能:經WPAN接口與移動采集終端通信,實現對移動采集終端的控製,並接受來自移動采集終端的采集數據;通過顯示器模塊以字符或圖形方式顯示采集的曆史數據或實時數據;通過觸摸屏以菜單形式完成控製或查詢命令的輸入;按用戶要求實現對曆史數據的管理和挖掘,存儲采集的曆史數據並具備曆史數據的自動清除和鎖定功能;具備快速以太網接口,通過該接口可實現與後台管理係統的連接。　　

3.1 檢測儀主站的硬件設計　　

檢測儀主站的硬件結構如圖4所示。下麵分別介紹各主要部分的組成及其功能。
 

圖4 檢測儀主站硬件結構圖　　

[page]
(1)CPU部分的功能和實現　　

CPU部分完成主站各組成部分的控製、協調和數據的加工。具體功能:通過係統總線與存儲器相連,完成相關數據的加工、處理和存儲;通過LCD接口與彩色液晶顯示器相連,實現信息的顯示,以實現人機交互;通過觸摸屏接口與觸摸屏相連,實現控製命令的輸入;通過總線接口與以太網控製器相連,可將檢測儀接入後台支持網絡,實現係統信息的集中化管理和與後台管理係統的融合;通過SPI接口和狀態指示接口實現對RF收發器的配置和檢測,並完成發射和接收的數據交換,實現與檢測儀移動終端的通信;通過電源和外圍電路,實現對係統的供電。　　

(2)檢測儀主站存儲器的功能和實現　　

存儲器的功能是存儲係統程序和應用程序,存儲移動采集終端采集的曆史數據並提供程序運行的存儲器空間。　　

(3)快速以太網接口的功能和實現　　

為實現與後台管理係統的協作,檢測儀主站提供一個快速以太網接口。通過該接口,可方便主站與醫院的病曆管理係統


、計費係統、或其他應用單位的後台業務支持係統的連接。　　

(4)人機交互界麵的設計　　

一些專家指出:對於用戶,人機界麵就是係統本身。因此人機界麵在係統中占有重要地位。本係統中,人機界麵的硬件部分由彩屏LCD顯示器和觸摸屏組成,觸摸屏用於輸入各種控製/查詢命令和各種初始數據,LCD顯示器用於返回各種命令的操作結果和顯示各種監測數據或監測曲線。顯示器采用SHARP公司的LQ035Q7DB02[10]實現,該屏為具有配套觸摸屏的彩色LCD。　　

(5)WPAN接口　　

WPAN接口實現檢測儀移動終端與檢測儀主站的通信,與檢測儀移動終端的RF收發器部分基本相同。
 
3.2 檢測儀主站的軟件實現　　

檢測儀主站的軟件是基於ARMLinux開發的。自20世紀80年代末以來,陸續出現了一些嵌入式操作係統,但其高昂的價格令人望而卻步,且源代碼的封閉性也大大限製了開發者的積極性。因此,結合國內外具體情況,選擇了ARMLinux操作係統作為開發平台。檢測儀主站的軟件結構如圖5所示。
 

圖5 監測儀主站軟件結構　　

ARMLinux內核主要由5個子係統組成:進程調度、內存管理、虛擬文件係統、網絡接口和進程間通信。進程調度控製進程對CPU的訪問;內存管理允許多個進程安全共享主內存區域;虛擬文件係統隱藏了各種硬件的具體細節,為所有的設備提供了統一的接口;網絡接口提供了對各種網絡標準的存取和各種網絡硬件的支持;進程間通訊(IPC)支持進程間各種通信機製。　　

顯示處理模塊和觸摸屏處理模塊共同完成人機交互。顯示處理模塊完成采集數據的圖形或字符顯示,並根據用戶操作顯示各級菜單;觸摸屏處理模塊與顯示處理模塊配合完成各種控製或命令信息的輸入。　　

嵌入式數據庫實現曆史數據的管理、查詢和維護等操作。　　

4 實現結果　　

基於WPAN的血氧飽和度檢測儀的原型機已開發成功並通過測試。　　

測試結果如下:各參數的測量精度與所選擇的血氧飽和度監測模塊完全相同;一個檢測儀主站最多可同時與64個檢測儀移動采集終端通信,並保證傳輸和顯示的正確性和實時性;無線傳輸速率為250kb/s;無線傳輸距離可達75m(根據使用條件的變化會有所改變)。　　

測試結果表明,檢測儀完全達到了預期的設計指標,具有廣闊的市場前景。　　

5結論　　

基於WPAN的血氧飽和度檢測儀的研製,大大擴展了設備的適用範圍,在設備的實用性、方便性、可管理性及適用範圍等方麵有了極大提高;由於一個主站可連接多個移動采集終端,大大降低了使用成本。