便攜式微電腦多參數生理監護儀的研制

摘要：介紹一種便攜式微電腦多參數重理監護儀的工作原理、系統構成及軟、硬件設計。該系統由二個(gè)Intel-196單片機構成雙CPU系統，完成數據的采集、處理、顯示，對病人進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并可采用串行通信的方式將數據送給PC機，對數據進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。

前言

多參數重量監護儀能為醫學(xué)臨床診斷提供重要的病人信息，可實(shí)時(shí)檢測人體的心電信號、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率和體溫等重要參數，實(shí)現對各參數的監督報警。信息存儲和傳輸，是一種監護病人的重要設備，但目前國內的監護儀一般功能單一，多為CRT顯示，體積較大，移動(dòng)不方便，存在著(zhù)不足。

該便攜式微電腦參數生理監護儀，檢測參數多，設計緊湊，體積小巧，攜帶方便，既可用于病房，也可用于室外，可以定時(shí)、連續、長(cháng)時(shí)間地檢測病人的重要生命特征參數，它在保障病人的生命安全方面具有重要的臨床使用價(jià)值。

工作原理

1.系統工作原理

便攜式微電腦多參數生理監護儀的主機由兩個(gè)16位微控制器80C196組成。

系統通過(guò)信號檢測與預處理模塊將生物醫學(xué)信號轉換成電信號，并進(jìn)行干擾抑制、信號濾波和放大等預處理。然后，通過(guò)數據提取與處理模塊進(jìn)行采樣、量化，并對各參數進(jìn)行計算分析，結果與設定閾值比較，進(jìn)行監督報警，將結果數據實(shí)時(shí)存儲到RAM，并可實(shí)時(shí)傳送至PC機上，在PC機上可實(shí)時(shí)顯示各參數值。

2.系統結構

系統原理框圖如圖1所示。該監護儀由兩個(gè)單片機組成雙CPU系統。

單片機1完成對體溫、心電波形、脈搏脈形的信號檢測、處理、數據存儲，并通過(guò)LCD顯示屏對各波形、參數進(jìn)行定時(shí)顯示、報警。

單片機2承擔其中耗時(shí)較長(cháng)的血壓測量及血氧飽和度的檢測，使之不影響整個(gè)系統的正常工作，同時(shí)還承擔對心率、呼吸頻率的測定。

兩個(gè)單片機間的信息交換通過(guò)1個(gè)8位的并行口進(jìn)行，由2根I/O口實(shí)現通信控制。具體是用P1口，配合兩個(gè)高速輸入、輸出I/O口（HIS.0、HSO.0），用作兩個(gè)單片機之間的數據傳送。這種雙機間的連續方式屬于松耦合的多處理機系統（參考文獻8），在硬件實(shí)現上較為簡(jiǎn)單，只需在軟件編程時(shí)，為其通信方式設計必要的通信協(xié)議、數據傳輸方式等。

3.系統硬件設計

（1）系統采用EEPROM 28C64作為程序存儲器；采用一片非易失性靜態(tài)存儲器（NASRAM）作為數據存儲器。NASRAM具有靜態(tài)存儲器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有非易失性的特點(diǎn)。非易失性的特點(diǎn)是指存儲芯片在掉電的情況下，能夠正確無(wú)誤地保存所有數據，保存時(shí)間長(cháng)達10年。采用芯片的非易失性的特點(diǎn)可以不用為此芯片提供掉電備用電源，即可實(shí)現掉電數據保護。

（2）液晶顯示模塊

為了對心電波形、脈搏波形及其它生理參數進(jìn)行顯示，而且對波形顯示具有足夠的分辨率，為此系統采用圖形液晶顯示屏。為了減少儀器的體積，實(shí)現系統低成本，功耗小的要求，選用了特別適用于便攜式監護儀的單色LCD顯示屏。

該顯示屏為日立LMG70520XNGR液晶顯示屏，點(diǎn)陣數為640×200，點(diǎn)尺寸為0.22×0.30，其驅動(dòng)電源為 5V和-20～-21V,耗電僅8mW，能滿(mǎn)足本系統的要求。

為控制該顯示屏的顯示，我們選取了適用于該顯示屏的顯示控制器SED1330。該芯片是用于計算機的指令與數據，并產(chǎn)生相應的時(shí)序及數據控制液晶顯示屏的顯示。該控制器自帶RAM，自行管理顯示緩沖區，與CPU之間通過(guò)8位數據并行傳輸，與顯示屏之間是4位數據并行傳輸。

（3）鍵盤(pán)輸入模塊

系統設計的功能鍵采用中斷方式輸入。當有任一功能鍵按下時(shí)，產(chǎn)生鍵盤(pán)中斷，CPU執行中斷程序，讀取鍵碼，執行相應操作；沒(méi)有鍵按下時(shí)，不占用CPU的運行時(shí)間，提高了CPU的運行效率。

鍵盤(pán)采用兩片74LS373構成矩陣軟件編碼鍵盤(pán)，鍵盤(pán)部分直接掛在單片機1的總線(xiàn)上。不占用單片機I/O口線(xiàn)，也不必為此擴展系統I/O口，可減少系統消耗功率。

通過(guò)為鍵盤(pán)分配相應的I/O地址，可采用讀寫(xiě)該地址的方式獲得鍵碼。硬件實(shí)現簡(jiǎn)單，軟件編程方便。

（4）電源系統

基于低功耗和便于攜帶使用的考慮，系統采用電池供電及外接AC-DC變換器件供電的方式。設計采用三節1.5V電池供電。該電壓通過(guò)穩壓器件提供 5V的電壓給系統工作。同時(shí)采用DC-DC電壓變換器 5V的電壓變換至-18～-24V電壓，以提供給LCD顯示屏工作。

選擇電池作為電源是基于如下考慮：具有高輸出能力、小型結構、標準尺寸和低價(jià)格。

（5）外圍器件控制

系統各外圍器件的片選信號由74LS373鎖存的地址信號，經(jīng)芯片GAL16V8C譯碼產(chǎn)生。GAL芯片是可編程邏輯陣列，通過(guò)對其引腳的編程，將其作為譯碼器，依據P4口高字節8位地址進(jìn)行片選，其編程方便，使用靈活。系統除用作譯碼器外，在單片機2中，還用作控制氣泵和氣閥的開(kāi)關(guān)。

通過(guò)簇已分配給氣泵或氣閥I/O口地址，寫(xiě)上“0”或“1”，則輸出引腳OUT1、OUT2為低或高電平。該電平將保持，直到再次往同一地址寫(xiě)“1”或“0”，如此，可定時(shí)控制氣泵或氣閥開(kāi)關(guān)。

4.系統軟件設計

系統軟件的主要特點(diǎn)是，以實(shí)時(shí)數據為核心，以功能獨立化、結構模塊化為軟件設計模式。系統開(kāi)發(fā)采用了結構化的，從上到下的模塊劃分及從底到上的硬件功能封裝的軟件開(kāi)發(fā)設計方法。本系統采用C96語(yǔ)言進(jìn)行軟件系統開(kāi)發(fā)。

（1）數據采集程序

數據采集到整個(gè)系統最重要的問(wèn)題。如何實(shí)現數據采集，保證數據采集的實(shí)時(shí)性，并且能高效率地進(jìn)行數據采集，盡可能少的時(shí)間占用少的系統資源，對于多參數同時(shí)監護的情況下，是確保系統處理的實(shí)時(shí)性的重要因素。

在軟件設計中，我們利用硬件定時(shí)器及軟件定時(shí)器，進(jìn)行定時(shí)中斷，進(jìn)行多通道、多采樣點(diǎn)的數據采集流程設計。由于人體生理信號的變化較緩慢，采用此種方法已經(jīng)可以確保高精度、實(shí)時(shí)性的數據采集。

（2）液晶顯示控制

系統顯示功能的實(shí)現，實(shí)際上是對顯示控制器SED1330的編程控制。SED1330控制器具有系統控制、顯示操作、繪制操

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