基于ARM的远程生理监护仪的设计与嵌入式低功耗策略的研究

摘要

临床医学上的重要生理参数，如心电、血压、血氧饱和度、体温等的监护与检测对慢性病患者和老年人的健康有着积极重要的临床意义，特别是对这些生理信号的长期监护可了解人体健康状况的变化趋势及这些疾病对人体的影响。随着医疗体制的改革，社区医院和家庭保健的医疗模式的兴起，借助远程医疗解决目前看病难、看病贵、看病不方便等难题。基于远程医疗监护的便携式小型多参数生理监护仪已成为目前生物医学工程领域的研究热点之一。
　　 本文运用嵌入式技术、计算机技术，结合基于UML的嵌入式系统的开发方法，设计并实现了一种可通过远程访问进行监视的嵌入式多参数生理监护仪。
　　 首先，在了解分析心电、血压、血氧饱和度等生理参数的产生机理和特征的基础上，根据监护仪的功能定位，采用基于UML的嵌入式系统的开发方法，论文给出了系统的整体设计方案，选择了目前流行的ARM作为处理器。系统由信号调理模块、存储器模块、网络通信、LCD显示等多个相对独立而又协同工作的模块组成，完成信号的采集、存储，本地显示及远程连接功能。
　　 其次，论文对系统各个模块的硬件设计进行了详细的阐述。人体心电，血压，血氧饱和度等信号极其微弱，且频率较低，经常被淹没在各种高、低频干扰信号中，容易受到周围以及50Hz工频干扰，本文分别采用带通滤波，二阶有源低通滤波器，陷波器等，仿真实验证明这些电路能够有效抑制相应的干扰，达到预期效果。
　　 然后，深入研究了基于嵌入式Linux操作系统下的软件设计方法，对监护仪的软件实现进行了详细的分析设计。本文根据任务、资源分配和管理的需要，在硬件平台上移植了嵌入式Linux操作系统以及启动软件Bootloader和文件系统，设计了硬件平台的驱动程序和个模块的应用程序。基于嵌入式以太网和CGI技术，采用Web服务器的形式实现了系统的Internet远程访问；采用数字滤波的方法，解决了硬件滤波灵活性差，效果差的缺点，进一步提高了信号采集精度。
　　 随着便携式嵌入式设备的广泛应用，功耗已成为嵌入式领域的广泛关注的热点之一。本文通过嵌入式CPU时钟频率对功耗的影响的研究，在Linux操作系统下，提出了一种基于动态改变时钟频率的嵌入式低功耗方法，测试结果表明该方法能够对降低功耗起到良好的效果。
　　 本文研制的远程生理监护仪能够对病人的脉搏、心电、血压等参数进行实时监护，对社区医院和家庭保健，特别是对慢性病患者和老年人的健康状态的监护作了一些有益的探讨。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 课题研究现状

1.3 论文主要内容

第二章 人体部分生理信号的生理学机理及特点

2.1 心电信号产生机理及波形特征

2.2 脉搏波产生机理及波形特征

2.3 血压的形成机理

2.4 血氧饱和度的生理学意义

第三章 远程生理监护仪的总体设计

3.1 统一建模语言UML

3.2 基于UML的嵌入式系统开发方法

3.3 基于UML方法的远程生理监护仪的总体设计

3.3.1 系统需求

3.3.2 系统分析

3.3.3 系统设计

3.4 本章小结

第四章 远程生理监护仪硬件设计

4.1 硬件总体框架

4.2 脉搏波检测模块

4.2.1 脉搏波传感器

4.2.2 脉搏信号调理电路设计

4.3 心电检测模块

4.3.1 带通滤波

4.3.2 陷波电路

4.3.3 右腿驱动电路

4.4 血压检测模块

4.4.1 压力传感器

4.4.2 充放气装置的设计

4.5 血氧饱和度检测模块

4.6 GPRS模块

4.7 处理器模块

4.7.1 CPU的选择

4.7.2 S3C2410X处理器简介

4.7.3 AD转换器选择

4.7.4 处理器外围电路

4.8 本章小结

第五章 远程生理监护仪软件设计

5.1 软件总体框架

5.2 操作系统的移植

5.2.1 创建嵌入式系统开发环境

5.2.2 嵌入式系统的引导代码Bootloader

5.2.3 Linux内核移植

5.3 Boa Web服务器的移植

5.4 文件系统与图形界面的移植

5.4.1 yaffs文件系统移植

5.4.2 QT/Embedded图形界面

5.5 应用程序设计

5.5.1 应用程序总体设计

5.5.2 图形模块

5.5.3 数据采集模块

5.5.4 数据处理模块

5.5.5 GPRS短消息发送模块

5.5.6 Boa Web服务器端模块

5.6 本章小结

第六章 远程生理监护仪系统测试

6.1 系统功能测试

6.2 系统数据测试分析

6.3 本章小结

第七章 基于动态改变时钟频率的LINUX低功耗策略的研究

7.1 时钟频率对功耗的影响

7.2 基于动态改变时钟频率的Linux低功耗策略的实现

7.2.1 系统负荷估计

7.2.2 时钟频率的计算

7.2.3 Linux内核的改进

7.3 测试

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文

附录 部分软件源程序

1 图形界面QT源程序

2 数据采集ADC驱动程序

3 数字滤波器程序

4 GPRS短消息发送程序

5. Boa Web服务器程序