引言

      氧是人体新陈代谢的重要物质,脑组织新陈代谢率高,耗氧量占全身总量的20％左右。在心脑血管疾病及脑外伤病人的临床抢救与治疗中,如果缺乏对脑组织供氧的监护手段,就有可能造成脑组织神经功能的丧失或损害。因此,提供一种连续监测大脑供氧状况的临床设备,对提高心脑血管和脑外伤等多种疾病的诊断和治疗具有重大意义。在健康监护和临床诊断中,对脑组织血氧参数的监测是不可缺少的。

      本文即应用ARM微处理器开发了一种带有网络通信功能的嵌入式脑组织血氧参数监测设备。

      系统硬件设计

      整个硬件系统由脑血氧检测探头脉冲驱动电路、滤波放大电路、LPC2210系统及接口电路组成。由LPC2210产生PWM脉宽调制信号,经探头脉冲驱动电路放大,用于驱动探头的光源发光,并产生周期性的光信号。探头中的光电传感器采集含有脑组织血氧信息的光信号,经光电转换产生电信号。滤波放大电路将得到的电信号进行低通滤波和信号放大。LPC2210对放大后的信号进行A／D转换,并进行数字处理,同时通过接口电路扩展键盘、LCM图形液晶显示、RS232串口和以太网接口,用于整个系统的控制、显示、与上位机(PC机)的通讯以及网络通信。其系统框图如图1所示。

      LPC2210系统及接口电路

      LPC2210是飞利浦公司基于一个16／32位ARM7内核的微控制器。它具有极低的功耗,16KB片内SRAM,多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断,特别适合用于工业控制、医疗系统等。

      系统电源电路如图2所示。220V市电输入后经过B1单相桥式整流,再由三端稳压器件U1和U2稳压,分别产生+5V和-5V电压,给探头集成电路和集成运放LM324供电。由于LPC2210微控制器要使用两组电源,I／O供电电源为3.3V,内核及片内外设供电电源为1.8V,因此在+5V后面再使用低压差电源芯片稳压输出3.3V和1.8V电压,低压差电源芯片U11、U12采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3,其特点为输出电流大,输出电压精度高。

      本系统的复位电路使用了SP708S,由于在进行JTAG调试时nRST和nTRST可由JTAG仿真器控制复位,因此使用了三态缓冲门74HC125进行驱动,如图3所示。系统时钟电路采用了外部11.0592MHz晶振,使串口波特率更精确,同时能够支持LPC2210片内PLL功能,用1M电阻R45并接到晶振两端,使系统容易起振。JTAG接口电路采用了ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口,其信号的定义与LPC2210的连接电路如图3所示。根据LPC2210的应用手册说明,在RTCK引脚接一个4.7K的下拉电阻,使系统复位后,LPC2210内部的JTAG接口使能,这样就可以直接进行JTAG仿真调试了。本系统扩展了4MbSRAM(IS6ILV25616AL)和16MbFLASH(SST39VF160)。为了方便程序调试和固化,使用了Bank0和Bank1的地址空间,可以通过跳线将LPC2210的CS0和CS1分别分配给SRAM或者FLASH。程序调试时,分配SRAM为Bank0地址;最终代码固化到FLASH时,分配FLASH为Bank0地址。

      由于系统是3.3V系统,所以使用了SP3232E进行RS232电平转换。SP3232E是3V工作电源的RS232转换芯片,接收端和发送端分别接到LPC2210的P0.0_TxD0和P0.1_RxD0口。本系统具有16个按键,用于菜单选择,输入病人的信息等功能。系统使用了I2C接口的键盘驱动芯片ZLG7290,ZLG7290是一款功能强大的键盘驱动芯片,最多可支持64个键盘。

      本系统采用点阵图形液晶模块接口电路,可以直接与T6963C液晶驱动模块连接使用。系统采用8位总线方式,液晶模块没有地址总线,显示地址和显示数据地址均通过DB0～DB7实现。模块的工作电压是5V,而LPC2210的I／O电压为3.3V,所以在总线上串接470的保护电阻。让图形液晶模块的C／D与A1连接,使用A1控制模块处理数据命令,并且可以利用LPC2210的16位总线方式操作图形液晶模块(高8位数据被忽略)。模块片选信号CE由LPC2210的A22和外部存储器Bank3片选CS3相"或"后得到,当A22和nCS3同时为0时,模块被选中。LCM接口电路如图4所示。

      本系统设计了以RTL8019AS芯片为核心的以太网接口电路,其电路原理图如图5所示。由于LPC2210是开放式总线,所以电路设计为16位总线方式对RTL8019AS进行访问,数据总线D0～D15与芯片SD0～SD15连接。由于RTL8019AS的工作电压是5V,而LPC2210的I／O电压为3.3V,所以在总线上串接470Ω的保护电阻。RTL8019AS工作在跳线模式,基地址为0x300H,所以电路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地,SA9接电源。SA8与地址总线A22相连,SA5与LPC2210的外部存储器Bank3片选CS3相连,当SA8为1,SA5为0时,选中RTL8019AS。其它引脚的连接方法可参考RTL8019AS的应用手册。

      探头脉冲驱动电路

      脑血氧探头部分的前置放大电路需要系统提供+5V和-5V电源,同时灯泡需要提供电压大约为9V、周期为4s、占空比为1／3的脉冲方波,以实现760nm和850nm两个光源轮流发光和检测到响应的背景噪声。脉冲方波可以由LPC2210的PWM实现,可是其输出电压为3.3V,不足以驱动探头灯泡发光,因此采用了开关模式电压转换器MAX1848,它产生最高至13V的输出电压,足以驱动小灯泡。通过灯泡的正向电流与加在CTRL引脚的电压成正比,将LPC2210的P0.9和P0.8定义成PWM状态,通过软件使其产生上述的脉冲方波,接在CTRL上。当加载在CTRL上的电压小于100mV时,MAX1848会进入关断模式,这样可以实现PWM调光功能。探头与系统电路之间采用了标准的9针接口,方便组装和拆卸。放大电路如图6所示。

      滤波放大电路

      脑电数据采集系统一般处于含有大量电器设备的环境,通过脑电检测装置导联线及人体自身的分布电容,电磁干扰尤其是50Hz工频干扰极易引人人体。低通滤波是一种常用除工频干扰的方法,这种处理方法使电路得到简化,滤波后的截止频率约为33Hz。集成运算放大器LM324将滤波后的信号进行放大,通过LPC2210的P0.27和P0.28进行A／D转换得到数字信号,如图6所示。再根据Lambert-Beer定律,利用软件进行相关运算,得到脑组织的血氧参数,通过显示屏输出,实现双探头检测双侧脑组织局部血氧参数的功能。

      系统软件

      系统软件应用ADS1.2集成开发环境编写和调试,它是ARM公司推出的ARM核微处理器集成开发工具。在μC／OS-II操作系统上,应用C语言编写源程序,使用ADS1.2中的CodeWarriorIDE进行操作系统移植、软件的编译、连接生成二进制代码。通过AXD调试器和JTAG进行调试,最后固化到系统的FLASH上。

      结语

      本文介绍了嵌入式脑血氧监护仪的系统电路设计,用于实现双路双侧脑组织血氧的参数监测,可通过串口通讯的方式将监测参数和病人的信息传输到PC机进行储存和管理,也可使用以太网接口将信息发送至远程终端便于进行远程监控和诊断。在家庭、野外或者战场监护中有比较广泛的实用前景。