基于TI OMAP3平臺的多參數監護儀設計與實現

摘要：設計及實現了一個以美國德州儀器公司的OMAP3平臺為核心，用于檢測人體心電、心率、血氧、血壓、呼吸頻率及體溫6個基本生命參數的新型多參數監護儀。系統采用ARM+DSP的雙核芯片OMAP3530作為核心處理器，以Google Android 2.1為操作系統，擴展參數采集前端、觸摸屏、SD卡存儲電路和網絡接入電路等模塊，實現了對人體6個基本生命參數的測量、顯示、存儲和網絡傳送等功能。

關鍵詞：多參數監護；OMAP3；Android

引言

在現代醫學中，使用多參數監護儀對危重病人進行實時監測，可以及時地了解其心肺功能、血壓以及氧合能力等綜合因素，對病人的治療起著非常重要的作用。多參數監護儀已經在病房護理和急救系統中得到了廣泛的應用。

基于傳統PC平臺的多參數監護儀成本高、體積大、操作復雜，使用范圍具有局限性。而采用單片機為核心的便攜式多參數監護儀運算能力低、功能單一，界面簡陋，只能進行簡單的信號顯示和存儲。本文以德州儀器公司(TI)ARM+DSP的雙核處理器OMAP3530為核心，擴展參數采集前端、觸摸屏、SD卡存儲電路和網絡接入電路等模塊，設計及實現了一個具有實時檢測、顯示、存儲和網絡傳輸等功能的新型多參數監護儀。基于雙核芯片的優異性能，系統可采用高效復雜的算法對各生命參數進行快速準確的檢測、除噪和優化等處理，而Google Android豐富的應用支持，則為監護儀提供了良好的監護界面、網絡功能以及應用擴展性。醫生可使用該監護儀實時或遠程掌握病人的信息、使用者也可以家中自行測量，這將是新一代“數字醫療社區／醫院”的重要發展方向。

系統架構

處理核心

OMAP3530處理器采用65nm低功耗工藝制造，內部集成了600MHz的Cortex-A8彈性內核以及430MHz的TMS320C64x+DSP內核。ARM+DSP的雙核結構使操作系統效率和代碼的執行更加優化，ARM端負責系統控制工作，DSP端則承擔繁重的實時信號處理任務，從而成功地解決了性能與功耗的最佳組合問題。具有雙核結構的OMAP3530非常適合新型多參數監護儀的設計。低功耗可以更好地實現監護儀的便攜性，滿足野外救護等特殊需要；ARM對多種操作系統的支持，可以保證系統的穩定和良好的監護界面；DSP強大的運算能力可以確保對各生命參數進行快速、準確和復雜的分析處理。

硬件架構

系統框圖如圖1所示，監護儀的設計采用經典C／S(Client／Server，客戶機／服務器)架構，既可以離線使用，也可以通過以太網或者Wi－Fi網絡傳送數據到遠程PC服務端。人體各個生命特征信號通過導聯電極、血氧探頭、袖套等傳感器獲得后，在參數采集前端進行除噪、放大和A／D轉換后，通過串行口送到OMAP3530進行檢測、顯示、存儲和網絡傳送等處理。

軟件架構

Android是Google與開發手機聯盟(Open Handset Alliance，OHA)推出的以Linux為內核，真正意義上的開放性移動設備綜合平臺。從軟件結構的角度上，Android系統分成4個層次：Linux操作系統及驅動、本地代碼框架、Java框架和Java應用程序。圖2為本系統的軟件架構圖。多參數采集前端通過異步串行口與OMAP3530通信，由于Java本身未提供串口的類庫，必須使用JNI(Java Native Interface)實現應用層與串口硬件的數據傳送。數據采集、處理、顯示及網絡傳輸使用多線程和隊列緩沖機制來保證數據的實時性和完整性。網絡使用C／S架構，充分發揮服務器上的硬件優勢，完成更多監護信息的顯示和分析。

關鍵設計

參數采集前端

前端中的心電模塊使用儀表放大器和運放組成兩級放大電路將微弱心電信號放大200倍，并在設計中加入右腿驅動電路來克服50Hz工頻共模干擾。血氧的測量是根據血液中各種血紅蛋白對血氧探頭發射的不同特定波長光吸收程度不同而進行的。血壓采用振動無創方法測量，首先充氣袖套阻斷上臂的動脈血流，通過檢測因為血液流經彈性動脈而引起袖套內壓力的波動幅度來識別動脈收縮壓、舒張壓和平均壓。呼吸頻率的測量共用心電模塊的前端導聯電極，使用呼吸阻抗法，根據呼吸時胸腔張弛，肺阻抗的變化來檢測人體的呼吸頻率。設計中體溫的測量線路采用惠斯登電橋，將熱敏電阻接在電橋的一個橋臂上，通過測量電橋的不平衡輸出，即可測定體溫的大小。

高速PCB設計

系統中采用LPDDR數據總線頻率高達330MHz，屬于典型的高速電路、必須考慮器件管腳的電氣特性、PCB(印制電路板)參數、布局和高速信號的布線等因素，否則容易導致系統工作不穩定，甚至無法工作。PCB采用6層板設計，FR4板材，分層方案為：頂層－地層－走線層－電源層－地層－底層。在高速PCB設計中，首先要對信號進行分組，再確定布線規則，如表1所示。

監護程序設計

監護程序需要完成各參數的采集、接收、顯示、存儲以及網絡傳輸等功能。程序中使用JNI技術向Java層提供串口的訪問接口，通過文件描述符對象創建輸入／輸出流進行串口通信。為保證數據采集的實時性和完整性，設計采用多線程和雙緩沖機制。如開啟遠程監護，系統將動態生成一個線程來完成數據傳輸的任務。波形顯示是界面設計中的難點，考慮到數據采集、波形繪制時的頁面刷新和網絡傳輸給系統帶來的消耗以及屏的大小限制，繪制波形的視圖采用多緩沖機制來實現，避免屏幕刷新時閃爍的現象。為了維護Android的單線程模型，設計中使用消息通知機制來完成非主界面線程與主界面線程之間的通信。監護界面如圖3所示。

結語

樣機測試結果表明，基于OMAP3530雙核處理器設計的多參數監護儀，可以實現對心電、心率、血氧、血壓、呼吸頻率和體溫6個生命參數的實時檢測、顯示、存儲和網絡傳送等功能。該監護儀便于操作、成本低、功耗小、功能強大、便攜等特點使其具有廣泛的應用領域和良好的市場價值。隨著人們醫療意識的提高和醫療體系的完善，該類型監護儀將會在個人醫療保健、醫院救護、野外急救和遠程醫療監護等場合得到越來越廣泛的應用。