2023年01月12日 | 基于Linux和MCU的心电监护仪设计

　　随着人们生活节奏加快，人口逐渐老龄化，心脏疾病成为危害人类健康和生命的主要疾病之一。心电监护系统为心脏病人诊断和治疗提供了一个有效的手段，对心脏疾病的防治和诊断具有重大的意义，本介绍一种基于Linux 和MiniGUI 的心电监护系统，能够满足患者随时随地对心电进行方便快捷的监测，及时地发现异常情况并采取有效的措施，从而更好地保护人们的身体健康。

　　1 硬件系统设计

　　本系统采用S3C2440 处理器作为控制中心，S3C2440 是基于ARM920T 内核的16 /32 位RISC 嵌入式处理器，最高主频可达532MHz，提供64MSDRAM、64M Nand Flash 以及2M Nor Flash 的存储设备，独立的16kB 指令缓存和16kB 数据缓存，LCD 控制器，3通道的异步串口，SPI 同步串口，117 位通用的I /O 口，1个内部时钟，8通道10 位的ADC，触摸屏接口，以太网控制器、PCMCIA 接口、USB 接口等，具有高性能、低功耗、高性价比等特点，主要用于视频会议、网络监控，GPS 定位/导航仪等，特别是医疗电子设备。系统的整体硬件结构如图1 所示，能够实现对心电信号采集、处理、显示、存储等功能。

　　图1 系统总体硬件结构

　　2 软件系统设计

　　2.1  构建嵌入式Linux

　　心电界面的开发是基于MiniGUI 的嵌入式Linux系统。在各种嵌入式操作系统中，Linux 以其结构清

　　晰、源代码公开、功能强大、又易于移植得到广泛的使用。本系统内核采用2． 6 版本的内核，Linux 2． 6 内核在性能、模块支持、可用性、可测量性等方面有大幅度的提高。一个完整的嵌入式Linux 系统主要包括BootLoader（ 引导程序） 、内核和根文件系统3 个方面。本系统中Bootloader 采用ViVi，文件系统采用Yaffs。根据目标平台实际的需要，对引导程序、内核和文件系统进行裁减、配置，最后把编译好的ViVi 以及生成的Linux 内核和文件系统的镜像文件烧录到平台中并运行，嵌入式Linux 构建完毕。

　　2.2 图形用户界面MiniGUI

　　MiniGUI 是基于Linux 的轻量级的图形用户界面支持系统，是由原清华大学教师魏永明主持开发，遵循GPL 公约。所支持的操作系统已不仅仅限于Linux，它还可以在uClinux、uC /OS-Ⅱ、eCos 和Vx-Works 等系统上运行。已验证的硬件平台包括Intelx86，ARM （ ARM/AMR9 /StrongARM/xScale ） ，Power-PC，MIPS，M68K （ DragonBall /ColdFire ） 等。对MiniGUI 移植，首先下载MiniGUI 的源代码libminigui-1． 6． 10． tar． gz （ MiniGUI 函数库源代码） 和minigui-minigui-res-1． 6． 10． tar． gz（ MiniGUI 所使用的资源，包括基本字体、图标、位图和鼠标光标） ，然后编译安装并将MiniGUI 的资源拷贝到目标平台上，最后修改目标平台的/etc /MiniGUI． cfg 文件，对目标平台MiniGUI 的运行环境进行配置。

　　2. 3 心电采集界面设计

　　2.3. 1 主界面

　　MiniGUI 中有3 种窗口类型： 主窗口、对话框和控件窗口，心电采集界面是采用对话框进行设计，对话框编程是一种快速构建用户界面的技术，MiniGUI提供了一种基于模板的机制，利用DLGTEMPLATE和CTRLDATA 两个结构体来表示，DLGTEMPLATE用来定义对话框本身，结构体CTRLDATA 用来定义控件。利用这两个结构体模板，用户可以根据需要在程序中定义自己的对话框和控件。主界面的对话框定义如下：

　　staTIc DLGTEMPLATE DlgInitProgress =

　　{

　　WS_BORDER WS_CAPTION，

　　WS_EX_NONE，

　　0，0

　　， 240， 320，

　　“ 欢迎使用心电信号采集系统” ，

　　0，0

　　，

　　10，NULL，

　　0

　　} ;

　　用CTRLDATA 定义对话框中所有的控件并用数组表示，对话框常常使用控件来实现提示或者设置等功能，定义控件数组模型如下：

　　staTIc CTRLDATA CtrlInitProgess［］=

　　{

　　{ CTRL_STATIC，

　　WS_CHILD|WS_VISIBLE| SS_NOTIF

　　|WS_BORDER，

　　0，0

　　， 240， 30

　　IDC_STATIC1，

　　“欢迎使用心电信号采集系统”，

　　0

　　} ;

　　{

　　…

　　} ;

　　…

　　} ;

　　通过上述方法生成的心电监护仪主界如图2 所示。心电采集界面主要有心电数据采集与显示、存储、分析等功能，采用多线程编程，为采集、显示、存储、分析各建立一个专门的线程。多线程进行数据采集可以有效地加快程序的反应速度、增加执行的效率。

　　在 MiniGUI 中，使用消息驱动作为应用程序的创建构架。在消息驱动的应用程序中，计算机外设发生的事件都由支持系统收集，将以事先的约定格式翻译为特定的消息。应用程序一般包含有自己的消息队列，系统将消息发送到应用程序的消息队列中。从消息队列中读取这些消息，并由窗口过程函数来处理这些消息。本系统界面通过鼠标键的按击，翻译成特定的消息，若收到的是控件消息，则判断ID，根据应用程序进行相应的消息处理。

　　2. 3.2 心电采集与显示

　　心电数据采集采用定时器进行采集和显示，定时器使用SetTimer 函数创建，创建时需要指定定时器标识号以及定时时间，当定时时间到达时，定时器将会产生MSG _ TIMER 消息，本系统的心电采集频率为200Hz。

　　从A/D 寄存器读取三通道的数据存入数组中，并将数组中的数据在液晶显示器上绘出。在MiniGUI 中实时绘图采用GDI，GUI 系统的一个重要组成部分就是GDI，即图形设备接口（ Graphics Device Interface） 。通过GDI，GUI 程序就可以在计算机屏幕上，或者其它的显示设备上进行图形输出，包括基本绘图和文本输出。所有绘图相关的函数均需要有一个设备上下文，为了提高绘图效率，在这里建立私有设备上下文，所建立的设备上下文在整个窗口生存期内有效，从而免除了获取和释放的过程。利用hdc =GetPrivateClientDC（ hDlg） 可获得私有设备上下文。然后调用MoveTo （ HDC hdc， int x， int y） 和LineTo（ HDC hdc， int x， int y） 对数组中的数据进行画线，由于采集到的心电数据较小，因此在对其进行画线之前根据显示区域对所有数据进行适当放大，这样可以使心电波形在液晶显示器上直观显示。

　　2.3. 3 心电数据分析

　　在心电数据显示和分析线程中，由于心电信号容易受到各种干扰的影响，为了滤除心电信号中的干扰成分，首先要进行数字滤波处理，采用FFT 滤波和滑动平均滤波的方法使图像得以平滑，并采用差分方法进行R 波检测。当采集到5 秒的数据的时候，程序启动心电数据分析线程，对存储在数组中的心电数据进行分析，主要进行R 波检测，并且在液晶显示器上显示。

　　2.3.4 心电界面程序的编译

　　心电界面程序首先是在PC 机上编写的，为了能够在目标平台上运行，必须先进行交叉编译，编译

　　如下：

　　#arm-linux-gcc -I /home /include -L/home /lib-O2 -oxindian xindian．c -lminigui -lmgext -lm -ljpeg-lpthread-lpng

　　这时生成心电界面程序的可执行文件，将其下载到目标平台中即可运行。

　　3 结束语

　　本文研制的心电监护仪采用高性能的ARM9 微处理器为核心，在其上移植Linux 操作系统，并用MiniGUI 进行心电界面开发，能够对心电信号进行采集、波形显示及处理，实现心电信号的实时监护的目的。该心电监护仪结合了目前现有的心电监护仪的优点，体积小、重量轻，并且具有操作界面简洁、可扩展性强等优点，对各种心率失常及各种心脏病变有较高的诊断价值。