摘  要： 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32芯片、用于居家環(huán)境下的健康一體機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電源管理模塊、藍(lán)牙模塊、SD卡模塊、OLED顯示模塊等幾部分組成，可以用于控制與處理多生理參數(shù)模塊采集到的心電、血氧飽和濃度、血壓、脈搏率、呼吸率、體溫等人體生理信息數(shù)據(jù)，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)解析進(jìn)行OLED屏顯示以及通過(guò)藍(lán)牙或串口發(fā)送給外界顯示設(shè)備進(jìn)行顯示。系統(tǒng)利用模塊化設(shè)計(jì)理念，可以適應(yīng)不同多生理參數(shù)采集模塊，具有多功能、擴(kuò)展性能好、可移植性高等特點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)利用OLED屏進(jìn)行顯示，區(qū)別于傳統(tǒng)的醫(yī)用大型設(shè)備，有效地減小了設(shè)備體積，降低了設(shè)備使用功耗，便于居家環(huán)境下使用。
關(guān)鍵詞： 多參數(shù); STM32; 數(shù)據(jù)協(xié)議; OLED

    人體各項(xiàng)生理參數(shù)反映著人體健康方面的信息，近年來(lái)，人們的醫(yī)療觀念逐漸從傳統(tǒng)的疾病治療向早期預(yù)防和保健護(hù)理方面轉(zhuǎn)變，希望能夠在家中方便及時(shí)地了解病人、老年人和兒童等家庭成員的身體狀況，甚至希望在無(wú)人看管的情況下能夠隨時(shí)監(jiān)護(hù)病人的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)亞健康、潛伏性疾病人群的常見疾病、突發(fā)疾病的早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)[1]。因此，一款便于攜帶、操作簡(jiǎn)便、適宜家庭用戶使用的并且可以用于健康信息監(jiān)測(cè)的智能化、個(gè)性化的健康采集和管理終端——基于STM32控制系統(tǒng)的健康一體機(jī)成為了市場(chǎng)的迫切需求。
    本控制系統(tǒng)可以控制多生理參數(shù)模塊檢測(cè)人體的某些重要的生理參數(shù),如心電(ECG)、血氧飽和度(SPO2)、呼吸(RESP)、無(wú)創(chuàng)血壓(NBP(收縮壓、平均壓和舒張壓))、體溫(Temp)以及脈搏(Pulse),能夠在居家環(huán)境下通過(guò)OLED屏幕實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，通過(guò)電視機(jī)頂盒與電視機(jī)連接實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，也可以連接電腦、智能手持終端顯示測(cè)量結(jié)果。該系統(tǒng)通過(guò)有線和無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信，可以把測(cè)量到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)也可以儲(chǔ)存到Micro SD卡中，以便日后醫(yī)生診斷用戶病情時(shí)作為一定的參考[2]。由控制系統(tǒng)組成的健康一體機(jī)的使用環(huán)境為居家環(huán)境，如家中客廳的沙發(fā)茶幾以及臥室中的床頭柜均可以擺放該設(shè)備。對(duì)于家庭用戶來(lái)說(shuō),該設(shè)備連接方式簡(jiǎn)單，便于操作且易于擺放，從而區(qū)別于傳統(tǒng)的參數(shù)單一、功能簡(jiǎn)單、體積較大而又僅限于在醫(yī)院使用的大型醫(yī)用設(shè)備[3]。
1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    健康一體機(jī)控制系統(tǒng)以STM32芯片為控制核心，由電源管理模塊、藍(lán)牙模塊、RS232通信模塊、SD卡模塊、OLED顯示模塊等組成,其整體架構(gòu)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)與外部顯示設(shè)備的連接分為有線和無(wú)線方式，有線方式下使用RS232串口，無(wú)線方式下使用藍(lán)牙方式。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示分為獨(dú)立屏和外接設(shè)備顯示，獨(dú)立顯示采用了OLED屏，外界顯示為PC、電視機(jī)連接機(jī)頂盒、智能手持終端等方式。
2 控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)
2.1芯片選擇
    本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體STM32F103VCT6芯片為主控芯片，該芯片以ARM Cortex-M3為內(nèi)核，是32 bit芯片，時(shí)鐘頻率為72 MHz，從而區(qū)別于功能簡(jiǎn)單的8 bit單片機(jī)。專門應(yīng)用于對(duì)性能要求較高、成本要求較低以及低功耗的場(chǎng)合,是一款在醫(yī)療設(shè)備里比較常用的芯片[4]。
2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)通過(guò)控制與接收多生理參數(shù)采集模塊采集到的生理信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)串行通信2口傳送到主控芯片，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后通過(guò)控制OLED顯示屏進(jìn)行測(cè)量結(jié)果顯示，或通過(guò)有線、無(wú)線方式傳送到顯示終端。同時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SD卡電路部分保存到Micro SD卡中，方便用戶數(shù)據(jù)的拷貝和查看。模塊程序下載同時(shí)設(shè)計(jì)JTAG下載和串口下載兩種方式，通過(guò)BOOT位進(jìn)行設(shè)定。模塊裝有3 V備份電池，為RTC時(shí)鐘提供備份電源，能保障系統(tǒng)斷電后時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。圖2所示為控制及數(shù)據(jù)處理模塊的部分硬件電路。

    控制系統(tǒng)采用12 V直流電源，通過(guò)電源管理模塊控制繼電器吸合，同時(shí)ASM1117-5、ASM1117-3.3兩款芯片可以提供12 V、5 V、3.3 V直流電壓。其中，12 V用于多生理參數(shù)采集模塊和OLED顯示模塊，5 V用于RS232串口模塊，3.3 V電源供給主控芯片、藍(lán)牙模塊以及Micro SD卡模塊。同時(shí),控制系統(tǒng)具備12 V鋰電池充電電路,可以在不使用外界電源情況下單獨(dú)使用鋰電池為控制系統(tǒng)供電。電源部分硬件電路如圖3所示。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件部分是在KEIL MDK for ARM 開發(fā)平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試的。該軟件是由德國(guó)KEIL公司開發(fā)，針對(duì)各種嵌入式應(yīng)用推出的。
    系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。首先控制系統(tǒng)通過(guò)時(shí)鐘配置以及串口1、串口2、OLED屏和GPIO口等初始化，開啟系統(tǒng)中斷進(jìn)行中斷檢測(cè)，然后控制多生理參數(shù)模塊通過(guò)體溫探頭、血壓袖帶、血氧探頭、心電導(dǎo)聯(lián)線分別對(duì)體溫、血壓、血氧、心電等生理信號(hào)進(jìn)行采集，再通過(guò)多參數(shù)生理采集板上的相應(yīng)模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理[5]?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)串口2采集到生理信號(hào)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到串口發(fā)送過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)，中斷響應(yīng)，依據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，把解析出來(lái)的生理參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)OLED屏以每5 s一次的切屏顯示，同時(shí)把測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送到Micro SD卡當(dāng)中進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)UART1把所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到RS232串口或藍(lán)牙模塊，進(jìn)而通過(guò)有線或無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,把數(shù)據(jù)發(fā)送給外部設(shè)備進(jìn)行顯示。

2.4 串口數(shù)據(jù)包格式
     數(shù)據(jù)包由1 B包類型ID字節(jié)、N(N≤8)B數(shù)據(jù)+1 B校驗(yàn)和構(gòu)成。包的最大長(zhǎng)度為10 B(包含包類型ID和校驗(yàn)和)，數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度為8 B。數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)頭和N-1個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)成。數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。

     包類型ID的最高位Bit7為0，數(shù)據(jù)和校驗(yàn)和的最高位Bit7為1。所有包的數(shù)據(jù)頭依次包含數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位，如：數(shù)據(jù)頭的Bit0為數(shù)據(jù)1的Bit7，數(shù)據(jù)頭的Bit1為數(shù)據(jù)2的Bit7。
2.5 控制系統(tǒng)的OLED顯示部分設(shè)計(jì)
　  該控制系統(tǒng)使用1.54英寸128×64像素的OLED屏進(jìn)行顯示，區(qū)別于傳統(tǒng)的LCD液晶屏，OLED顯示屏幕可視角度大，顯示清晰，并且能夠顯著節(jié)省電能，降低了系統(tǒng)功耗。鑒于顯示內(nèi)容多，且為了便于查看測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果采用分屏間隔顯示設(shè)計(jì)。機(jī)器開啟時(shí)屏幕顯示時(shí)間日期等信息，便于觀察測(cè)量時(shí)間。測(cè)得具體參數(shù)時(shí)便切換到對(duì)應(yīng)屏幕。圖6為OLED屏幕顯示的一組測(cè)試數(shù)據(jù)信息。

3 控制系統(tǒng)性能測(cè)試及總結(jié)
　  根據(jù)以上控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案制作了健康一體機(jī)樣機(jī)。對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試分析，使用醫(yī)療器械檢測(cè)部門常用的模擬設(shè)備(Fluke多生理參數(shù)模擬儀、Fluke血氧模擬儀、BP-2L血壓模擬儀等)對(duì)樣機(jī)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，得到如圖7、表1、表2所示的數(shù)據(jù)。

      對(duì)樣機(jī)功能經(jīng)過(guò)各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果顯示，該樣機(jī)穩(wěn)定性良好，測(cè)量數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)藍(lán)牙連接方式和RS232連接方式分別接外部顯示設(shè)備測(cè)試，通過(guò)與OLED顯示結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，外部顯示設(shè)備穩(wěn)定。因此，基于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的健康一體機(jī)工作性能穩(wěn)定，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。該樣機(jī)對(duì)于家庭用戶來(lái)說(shuō)設(shè)備連接方式簡(jiǎn)單，便于操作，而且易于擺放，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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