基于Linux和MiniGUI的心電監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

 0 引言

隨著人們生活節(jié)奏加快，人口逐漸老齡化，心臟疾病成為危害人類健康和生命的主要疾病之一。心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)為心臟病人診斷和治療提供了一個(gè)有效的手段，對心臟疾病的防治和診斷具有重大的意義，本介紹一種基于Linux 和MiniGUI 的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，能夠滿足患者隨時(shí)隨地對心電進(jìn)行方便快捷的監(jiān)測，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)異常情況并采取有效的措施，從而更好地保護(hù)人們的身體健康。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用S3C2440 處理器作為控制中心，S3C2440 是基于ARM920T 內(nèi)核的16 /32 位RISC 嵌入式處理器，最高主頻可達(dá)532MHz，提供64MSDRAM、64M Nand Flash 以及2M Nor Flash 的存儲(chǔ)設(shè)備，獨(dú)立的16kB 指令緩存和16kB 數(shù)據(jù)緩存，LCD 控制器，3通道的異步串口，SPI 同步串口，117 位通用的I /O 口，1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，8通道10 位的ADC，觸摸屏接口，以太網(wǎng)控制器、PCMCIA 接口、USB 接口等，具有高性能、低功耗、高性價(jià)比等特點(diǎn)，主要用于視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，GPS 定位/導(dǎo)航儀等，特別是醫(yī)療電子設(shè)備。系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，能夠?qū)崿F(xiàn)對心電信號(hào)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)等功能。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2． 1 構(gòu)建嵌入式Linux

心電界面的開發(fā)是基于MiniGUI 的嵌入式Linux系統(tǒng)。在各種嵌入式操作系統(tǒng)中，Linux 以其結(jié)構(gòu)清
晰、源代碼公開、功能強(qiáng)大、又易于移植得到廣泛的使用。本系統(tǒng)內(nèi)核采用2． 6 版本的內(nèi)核，Linux 2． 6 內(nèi)核在性能、模塊支持、可用性、可測量性等方面有大幅度的提高。一個(gè)完整的嵌入式Linux 系統(tǒng)主要包括BootLoader( 引導(dǎo)程序) 、內(nèi)核和根文件系統(tǒng)3 個(gè)方面。本系統(tǒng)中Bootloader 采用ViVi，文件系統(tǒng)采用Yaffs。根據(jù)目標(biāo)平臺(tái)實(shí)際的需要，對引導(dǎo)程序、內(nèi)核和文件系統(tǒng)進(jìn)行裁減、配置，最后把編譯好的ViVi 以及生成的Linux 內(nèi)核和文件系統(tǒng)的鏡像文件燒錄到平臺(tái)中并運(yùn)行，嵌入式Linux 構(gòu)建完畢。

2． 2 圖形用戶界面MiniGUI

MiniGUI 是基于Linux 的輕量級(jí)的圖形用戶界面支持系統(tǒng)，是由原清華大學(xué)教師魏永明主持開發(fā)，遵循GPL 公約。所支持的操作系統(tǒng)已不僅僅限于Linux，它還可以在uClinux、uC /OS-Ⅱ、eCos 和Vx-Works 等系統(tǒng)上運(yùn)行。已驗(yàn)證的硬件平臺(tái)包括Intelx86，ARM ( ARM/AMR9 /StrongARM/xScale ) ，Power-PC，MIPS，M68K ( DragonBall /ColdFire ) 等。對MiniGUI 移植，首先下載MiniGUI 的源代碼libminigui-1． 6． 10． tar． gz ( MiniGUI 函數(shù)庫源代碼) 和minigui-minigui-res-1． 6． 10． tar． gz( MiniGUI 所使用的資源，包括基本字體、圖標(biāo)、位圖和鼠標(biāo)光標(biāo)) ，然后編譯安裝并將MiniGUI 的資源拷貝到目標(biāo)平臺(tái)上，最后修改目標(biāo)平臺(tái)的/etc /MiniGUI． cfg 文件，對目標(biāo)平臺(tái)MiniGUI 的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行配置。

2． 3 心電采集界面設(shè)計(jì)

2． 3． 1 主界面

MiniGUI 中有3 種窗口類型: 主窗口、對話框和控件窗口，心電采集界面是采用對話框進(jìn)行設(shè)計(jì)，對話框編程是一種快速構(gòu)建用戶界面的技術(shù)，MiniGUI提供了一種基于模板的機(jī)制，利用DLGTEMPLATE和CTRLDATA 兩個(gè)結(jié)構(gòu)體來表示，DLGTEMPLATE用來定義對話框本身，結(jié)構(gòu)體CTRLDATA 用來定義控件。利用這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體模板，用戶可以根據(jù)需要在程序中定義自己的對話框和控件。主界面的對話框定義如下:

static DLGTEMPLATE DlgInitProgress =
{
WS_BORDER WS_CAPTION，
WS_EX_NONE，
0，0
， 240， 320，
" 歡迎使用心電信號(hào)采集系統(tǒng)" ，
0，0
，
10，NULL，
0
} ;

用CTRLDATA 定義對話框中所有的控件并用數(shù)組表示，對話框常常使用控件來實(shí)現(xiàn)提示或者設(shè)置等功能，定義控件數(shù)組模型如下:

static CTRLDATA CtrlInitProgess［］=
{
{ CTRL_STATIC，
WS_CHILD|WS_VISIBLE| SS_NOTIF
|WS_BORDER，
0，0
， 240， 30
IDC_STATIC1，
“歡迎使用心電信號(hào)采集系統(tǒng)”，
0
} ;
{
…
} ;
…
} ;
通過上述方法生成的心電監(jiān)護(hù)儀主界如圖2 所示。心電采集界面主要有心電數(shù)據(jù)采集與顯示、存
儲(chǔ)、分析等功能，采用多線程編程，為采集、顯示、存儲(chǔ)、分析各建立一個(gè)專門的線程。多線程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集可以有效地加快程序的反應(yīng)速度、增加執(zhí)行的效率。

圖2 電監(jiān)護(hù)儀主界面

在MiniGUI 中，使用消息驅(qū)動(dòng)作為應(yīng)用程序的創(chuàng)建構(gòu)架。在消息驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序中，計(jì)算機(jī)外設(shè)發(fā)生的事件都由支持系統(tǒng)收集，將以事先的約定格式翻譯為特定的消息。應(yīng)用程序一般包含有自己的消息隊(duì)列，系統(tǒng)將消息發(fā)送到應(yīng)用程序的消息隊(duì)列中。從消息隊(duì)列中讀取這些消息，并由窗口過程函數(shù)來處理這些消息。本系統(tǒng)界面通過鼠標(biāo)鍵的按擊，翻譯成特定的消息，若收到的是控件消息，則判斷ID，根據(jù)應(yīng)用程序進(jìn)行相應(yīng)的消息處理。

2． 3． 2 心電采集與顯示

心電數(shù)據(jù)采集采用定時(shí)器進(jìn)行采集和顯示，定時(shí)器使用SetTimer 函數(shù)創(chuàng)建，創(chuàng)建時(shí)需要指定定時(shí)器標(biāo)識(shí)號(hào)以及定時(shí)時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)時(shí)，定時(shí)器將會(huì)產(chǎn)生MSG _ TIMER 消息，本系統(tǒng)的心電采集頻率為200Hz。

從A/D 寄存器讀取三通道的數(shù)據(jù)存入數(shù)組中，并將數(shù)組中的數(shù)據(jù)在液晶顯示器上繪出。在MiniGUI 中實(shí)時(shí)繪圖采用GDI，GUI 系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是GDI，即圖形設(shè)備接口( Graphics Device
Interface) 。通過GDI，GUI 程序就可以在計(jì)算機(jī)屏幕上，或者其它的顯示設(shè)備上進(jìn)行圖形輸出，包括基本繪圖和文本輸出。所有繪圖相關(guān)的函數(shù)均需要有一個(gè)設(shè)備上下文，為了提高繪圖效率，在這里建立私有設(shè)備上下文，所建立的設(shè)備上下文在整個(gè)窗口生存期內(nèi)有效，從而免除了獲取和釋放的過程。利用hdc =GetPrivateClientDC( hDlg) 可獲得私有設(shè)備上下文。然后調(diào)用MoveTo ( HDC hdc， int x， int y) 和LineTo( HDC hdc， int x， int y) 對數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行畫線，由于采集到的心電數(shù)據(jù)較小，因此在對其進(jìn)行畫線之前根據(jù)顯示區(qū)域?qū)λ袛?shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)放大，這樣可以使心電波形在液晶顯示器上直觀顯示。

2． 3． 3 心電數(shù)據(jù)分析

在心電數(shù)據(jù)顯示和分析線程中，由于心電信號(hào)容易受到各種干擾的影響，為了濾除心電信號(hào)中的干擾成分，首先要進(jìn)行數(shù)字濾波處理，采用FFT 濾波和滑動(dòng)平均濾波的方法使圖像得以平滑，并采用差分方法進(jìn)行R 波檢測。當(dāng)采集到5 秒的數(shù)據(jù)的時(shí)候，程序啟動(dòng)心電數(shù)據(jù)分析線程，對存儲(chǔ)在數(shù)組中的心電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，主要進(jìn)行R 波檢測，并且在液晶顯示器上顯示。

2． 3． 4 心電界面程序的編譯

心電界面程序首先是在PC 機(jī)上編寫的，為了能夠在目標(biāo)平臺(tái)上運(yùn)行，必須先進(jìn)行交叉編譯，編譯
如下:
#arm-linux-gcc -I /home /include -L/home /lib-O2 -oxindian xindian．c -lminigui -lmgext -lm -ljpeg-lpthread-lpng

這時(shí)生成心電界面程序的可執(zhí)行文件，將其下載到目標(biāo)平臺(tái)中即可運(yùn)行。

3 結(jié)束語

本文研制的心電監(jiān)護(hù)儀采用高性能的ARM9 微處理器為核心，在其上移植Linux 操作系統(tǒng)，并用
MiniGUI 進(jìn)行心電界面開發(fā)，能夠?qū)π碾娦盘?hào)進(jìn)行采集、波形顯示及處理，實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的目的。該心電監(jiān)護(hù)儀結(jié)合了目前現(xiàn)有的心電監(jiān)護(hù)儀的優(yōu)點(diǎn)，體積小、重量輕，并且具有操作界面簡潔、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對各種心率失常及各種心臟病變有較高的診斷價(jià)值。

 

 

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM