基于USB传输之嵌入式生理量测系统之研制

2011-07-21 12:51:29来源: 互联网
摘要:科技进步,国人越来越重视自我健康状况。对于现在忙碌的人来说,由于饮食作息不正常、日夜颠倒,常容易引发文明病(例如:心血管疾病)。因此本论文设计出一套体积小、操作介面简单之随身携带的心电图量测装置,对於健康方面将提供即时监控和自我检测之功能。本系统具有可随插即用之USB 介面传输,可将自人体量测到的心电讯号,经由可程式系统(PSoC)之讯号处理和资料封包格式转换,再透过USB介面传送数据资料至嵌入式系统平台上显示及讯号分析。不论是在室内或室外都能即时监控目前使用者之健康状况。除此之外,本系统可以成功的在嵌入式平台(EDUKIT-III)与Study-ARM9 的嵌入式是单板上连结并量测,同时亦能连接到电脑主机上来量测。将可以提供未来行动装置一个生理信号量测之介面。

  前言

  资讯产业发展快速,电脑产业的兴起,资讯和资料之传输方式越来越讲求方便、迅速,从最早接触的UART晶片(RS-232)埠、网际网路(Ethernet)等连线传输发展至现在的USB 传输(低速、全速、高速)、无线技术(BlueTooth、ZigBee)等无线传输。而应用的范围也概括了个人、家庭、日常生活等。

  心电图常被广泛运用在临床实验上,用于量测心脏和肺部疾病的重要诊断工具。目前心电图量测之资料传输介面较常应用RS-232 介面来传输,其优点为:(1)传输协定和传送封包格式较容易理解。而其缺点为:(1)传送资料之距离受到限制(2)传送速度较慢。然而本论文所强调之重点在于应用USB介面传输来传送心电讯号,其目的是为了运用USB 随插即用特性,将使用者所量测到之心电讯号储存至硬体电路的储存装置上,而心电讯号之呈现可透过与嵌入式开发平台之连接,配合装置驱动程式之挂载,将使用者之心电讯号在平台的触碰式萤幕(Touch Panel)上显示。使用者也可将心电图波形携带至医院,让专业医师来诊断其是否有异常现象。

  研究方法

  本论文之系统架构由心电讯号感测元件(电极贴片)、心电讯号撷取之硬体电路(前端处理、储存装置)、USB 介面传输协定、系统平台(装置驱动程式挂载)、系统架构整合等四大部分整合组成。人体藉由电极贴片撷取微弱讯号至硬体电路之仪表放大器(AD620)做第一级放大,透过可程式系统晶片PSoC 其内部的滤波、第二级放大、A/D 转换等将讯号转换成USB 封包格式传送,经由USB 介面传送心电讯号至可携式行动平台做讯号之分析与显示。其系统架构图,如图1 所示。
 

图 1 系统架构方块图

  一、心电讯号感测元件

  本系统架构主要量测之生理讯号为心电图(Electrocardiogram,ECG)讯号,透过心电讯号感测元件可量测使用者(User)心脏电位活动之变化并纪录,其变化经由感测元件转换成研究者可观测之讯号波形,而後更可依据波形产生之差异,进而得知受测者心脏方面的讯息(例如:心脏疾病),此接收到的讯号属於类比讯号。市面上有贩售许多不同厂牌的心电图电极贴片(ECG Electrode) , 我们使用的电极贴片是KENDALL 公司所生产的电极贴片, 其型号为:31078135。

  心电图主要是纪录心脏向量投影至各导程之投影量变化。本论文中,我们应用3导程(3-Lead)方式来量测和纪录我们所需要的心电图波形,如图2 所示为使用3 导程电极贴片之放置示意图。


 

图 2 使用3 导程电极贴片之放置示意图

  由于送至硬体电路所需之心电讯号为差动讯号(Differential Signal),因此我们计算心电讯号的方式为:Lead III – Lead II,其求得的值为我们所需要之差动生理讯号。3 导程量测在灵敏度(接收讯号之难易度)方面较优於其它导程量测。本文所强调之重点在于硬体电路和系统平台,因此在量测方面较着重於量测之容易和便利性。

  二、讯号撷取之硬体电路

  可携性、体积小是近年来市面上热烈讨论之话题。USB 装置随插即用之便利性也不外乎是消费者所热爱追求的。基於以上的观点,我们所设计之硬体电路朝着体积小携带方便,以USB 装置为传输介面等方向来达成可携式USB 传输讯号之目标。如图3-1,3-2所示为硬体电路正反面之实体图。


 

图 3-1 硬体电路正面实体图


 

图 3-2 硬体电路反面实体图

  硬体架构方面主要可分成四大部分来分析说明,第一部份为:仪表放大器,主要目的是用来做讯号处理的第一级放大,第二部份为:可程式系统晶片PSoC,主要使用之目的是用来做生理讯号处理之讯号滤波、第二级放大、A/D 转换等,第三部份为:USB介面传输协定分析。

  第一部份应用仪表放大器之目的与说明

  由於前端感测元件(电极贴片)所产生之差动讯号为微弱讯号,其讯号较不易让研究者做进一步分析观察,因此使用AD620 仪表放大器先针对微弱讯号做约500 倍的增益放大,其输出讯号进而再送至可程式系统晶片PSoC 做讯号处理,如图4 所示为使用者与仪表放大器连接之示意图。


 

图 4 使用者与仪表放大器连接之示意图

  连接说明:使用者左边胸部靠近心脏部位之电极贴片需连接至仪表放大器Pin 3 (+ IN)当作生理讯号源正端输入。使用者右边胸部与左边贴片对称之部位需连接至仪表放大器Pin 2 (-IN)当作生理讯号源负端输入。使用者左脚接地部位需连接至Pin 5(VREF)当作参考接地。RG 阻值大小可随意改变,变更其放大增益。Pin 7、4 需正确接上电源,才得以驱动仪表放大IC 晶片,最後输出讯号透过Pin 6 输出至下一级做讯号处理。

  第二部份可程式系统晶片PSoC

  经由仪表放大器放大波形至一定增益大小,其波形需再透过滤波器滤除杂讯、第二级放大、A/D 转换、资料型态转换等步骤後,才能将讯号资料送至系统平台做讯号处理或储存的动作。

  可程式系统晶片(PSoC)所概括的讯号处理有:(1)类比讯号处理(2)数位讯号处理。在设计环境中,可以任意配置使用者所需之类比、数位区块模组。如图5-1,5-2 所示为类比、数位区块模组配置示意图。


 

图 5-1 类比区块配置示意图


 

 图 5-2 数位区块配置示意图

  本系统采用型号为CY8C24794 之PSoC 晶片,经由仪表放大器放大後之波形输入至PSoC 内部做讯号处理和转换。波形先经过低通滤波器(Low Pass Filter)将20Hz 以下之杂讯滤除,再通过高通滤波器(HighPass Filter)将180Hz 以上之杂讯滤除,由於会跨过电源频率60Hz,因此还需要使用陷波器将其杂讯滤除。滤除过後之讯号再透过放大器(PGA)做二级放大。处理过後之波形讯号透过ADCINC(A/D 转换模组)将类比讯号转换成数位讯号。选用此颗PSoC 晶片主要之目的是为了运用其USB 模组,透过USB 通讯协定设定,将心电讯号数据资料转换成USB 封包格式,利用USB介面传输把数据资料传送到系统平台或储存到储存装置。如图6 所示为运用USB 介面传输资料之示意图。


 

图6 运用USB 介面传输资料之示意图

  第三部份 USB 介面传输协定分析

  应用CY8C24794 晶片设计本系统之硬体架构,它提供了USB2.0 的传输速度。此颗IC 在USB 模组方面设计了USB Setup wizard 选单,使用者能新增移除选单上预设的描述元符号(Descriptor)、字串/语言特性(String/LANGID)和人机介面装置回报描述符号(HIDReport Descriptor),如图7 所示为USB Setup wizard 设计介面。


 

图 7 USB Setup wizard 设计介面

  USB 的传输方式可分为:控制、中断、等时和巨量等四种不同传输型态。资料传输可细分三大交易阶层:设置(Setup)、资料(Data)、状态(State)等。每个阶层可分类成三种封包型态:执照(Token)、资料(Data)、交握(Handshake)等。如图8 所示为USB 资料传输之树状结构。在自制板与主机端之间的传输中,当主机在设置阶层时,是以控制传输方式来达成。当主机与装置在进行资料交易时,是以中断传输方式来达成。


 

图 8 USB 资料传输之树状结构

  如图9 所示,USB 资料传输型式是由主机端与装置端之间相互沟通,当装置(Device)连接主机 (Host)时,主机会先以预设位址0 (Addr )和端点0 (EP)向装置询问其为何种描述字元、装置型态和重新设定新的传送位址和端点,往後的资料传送都依据新的位址和端点来发送。确定好位址後,装置会将其列举资讯与HID 报告回报给主机端,当双方在传输协定上达成协议时,资料才能开始进行传送的动作。


 

图 9 装置连结主机相互沟通之方块图

  主机端(PC、系统平台)传送讯息至装置端(自制板)是透过位址3 和端点4 来传输和要求资料。装置端是透过位址3 和端点3 来向主机传输和要求资料。我们设置讯框轮询时间(Interval)时间为5msec,而所量测的心电讯号经由PSoC 转换成USB 封包格式传送,每次传送2Bytes 心电讯号资料。心电讯号的取样率为240(sps):每一秒取样240 个取样点。

  三、系统平台

  本文中的系统架构是以EDUKIT III Embest ARM开发平台为基础架构,再基础架构上整合开发心电图讯号量测系统。系统核心为S3C2410X ARM920T,在程式设计方面以Embedded Linux 来开发程式。然而如果要将心电图量测装置挂载至系统平台,需要撰写适合硬体装置之驱动程式才得以驱动运作。嵌入式Linux 下之设备驱动程式,是介於作业系统核心和硬体之间的介面,从应用程式层面来看硬体设备,其就像是一个设备档案,应用程式如要针对设备档案进行操作,只要像一般档案一样的操作方式即可达到读写和控制之目的。


 

图 10 驱动程式设计之流程

  如图10 所示,当装置挂载至系统平台时,其设计流程可分为以下几个步骤:(1)透过Insmod 指令将kernel module 载入到kernel 的address space(2)对装置做初始化的动作(3)装置向主机注册成为装置节点(4)应用程式可透过驱动程式所提供的入口点(open、read、write、close、ioctl)询问主机是否可读取资料或装置是否可写入资料(5)装置向主机取消注册(6)清除装置(7)透过rmmod 指令卸载核心模组。以上说明为驱动程式设计之流程。
  四、系统架构整合

  如图11 为本论文之系统架构之整合。


 

如图11 系统架构整合图

  实验结果

  心电图讯号透过感测元件的撷取,再经由硬体装置的讯号转换,利用USB 介面传输讯号至电脑PC 上显示。如图12 所示为量测到的心电图讯号。


 

图 12 心电图讯号呈现

  PQRST 特性说明:

  P 波:心房去极化。QRS 波前会出现,P-P 心房之速率。

  PR 区间:从心房去极化传到心室去极化。

  QRS 波:心室的去极化。

  ST 区间 (代表时间):从QRS 的末端至T 波的开始。

  T 波:心室的再极化。

  QT 区间(代表时间):从QRS 的开始至T 波的结束。

  所量测之心电讯号能够在行动平台上呈现其结果,如图13(a)是连接到PC 端接收的软体执行结果,图13(b)是连接到嵌入式平台上应用软体执行结果。


 

图 13 心电讯号量测呈现於PC端软体介面与行动平台

  结论

  本论文提供使用者一套随身携带的心电图量测系统装置,整合了电极贴片、硬体电路(仪表放大器AD620、可程式系统晶片PSoC)、USB介面传输、嵌入式系统平台(或电脑)等。其主要目的是为了将心电图量测之应用扩展成为可携式行动平台(可针对运动者实施心跳的即时监控、针对老人做即时之健康照护),希望对於使用者之健康状况能有多一份的保障。


关键字:传输  嵌入式  生理  系统

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0721/article_7418.html
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