原标题：基于S3C2410A和nRF401芯片实现多床位遥测心电监护仪的设计

基于S3C2410A和nRF401芯片实现多床位遥测心电监护仪的设计

引言

随着社会生活节奏的加快和人口老龄化的加剧，心血管疾病已成为威胁人类生命的主要疾病之一。心电图（ECG）是检查、诊断和预防心血管疾病的主要手段和依据。传统的基于PC机平台的心电监护仪价格昂贵、体积庞大、不便于移动，主要集中在大医院，给医生和病人带来了很大的不便。因此，设计一种体积小、功耗低、便于携带的多床位无线心电监护仪显得尤为重要。本文介绍了一种基于ARM9微处理器S3C2410A和nRF401无线收发芯片的多床位遥测心电监护仪的设计，旨在解决传统监护仪的不便。

系统总体设计

该监护仪采用Samsung公司的一款以ARM920T为控制器内核的16/32位高速处理器S3C2410A芯片作为系统控制核心，利用nRF401无线收发芯片发送和接收心电数据。系统可同时监护1～12个床位，具有功耗低、体积小、可靠性高、操作简单等优点。

主控芯片型号及其在设计中的作用

1. S3C2410A

   S3C2410A是Samsung公司推出的一款基于ARM920T处理器构架的嵌入式CPU，是一款功能强大的16/32位RISC微处理器。它提供了丰富的外设接口，包括8通道的10位模数转换器（ADC）、USB设备控制器、Nand Flash控制器、LCD控制器等。S3C2410A在系统中的作用主要体现在以下几个方面：

• 数据采集与处理：通过内置的ADC模块，S3C2410A可以将模拟的心电信号转换为数字信号，并进行必要的处理和分析。

• 系统控制：作为系统的控制核心，S3C2410A负责协调各个模块的工作，确保系统的正常运行。

• 通信：S3C2410A通过串口与nRF401无线收发芯片连接，实现心电数据的无线传输。同时，它还可以通过USB口与PC机相连，将采集到的心电数据上传给PC机进行进一步的分析和处理。

• 数据存储与显示：利用S3C2410A自带的Nand Flash控制器，可以扩展大容量存储器，用于存储心电数据。同时，通过LCD控制器，可以设计LCD显示屏的接口，用于显示所采集的心电信号及一些基本参数。

2. nRF401

   nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段，该频段无需申请许可证。nRF401采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，数据传输速率可达20kbps，传输距离可达1000m，完全满足本设计所需要的通信距离要求。nRF401在系统中的作用主要体现在以下几个方面：

• 无线数据传输：nRF401通过串口直接与S3C2410A连接，实现心电数据的无线传输。它可以将采集到的心电数据从监护终端发送到中心监护端，或者将中心监护端的命令发送到各个监护终端。

• 低功耗：nRF401具有低功耗的特点，适合用于便携式设备。

• 易于集成：nRF401的外围元件很少，只包括一个基准晶振和几个无源器件，具有成本低、一致性好等特点。

系统硬件设计

系统硬件设计包括中心监护端的硬件设计和监护一个床位的各个心电监护终端的硬件设计两大部分。

中心监护端的硬件设计

中心监护端的硬件设计主要包括S3C2410A与PC机的连接和nRF401与S3C2410A的连接。

• S3C2410A与PC机的连接：由于S3C2410A具有USB设备控制器，因此可通过USB口与PC机相连，并得到5V的工作电压。这样，中心监护端就可以接收PC机发出的命令，并将各个监护终端采集到的心电数据上传给PC机。

• nRF401与S3C2410A的连接：无线收发芯片nRF401直接与S3C2410A的串口1连接，实现心电数据的无线传输。

心电监护终端的硬件设计

心电监护终端的硬件设计主要包括心电采集电路、微处理器模块、无线收发模块、存储显示键盘模块等。

• 心电采集电路：心电采集电路包括放大器、低通滤波器、50Hz陷波器等。放大器由差动放大电路和放大级电路两级放大电路组成，总增益接近1000。低通滤波器采用一阶滤波电路，截止频率为100Hz。50Hz陷波器用于抑制工频干扰。导联系统采用通用的二电极方式，右胸上电极及左腹下电极为心电采样电极，右腹下电极为右腿驱动电极。

• 微处理器模块：采用S3C2410A作为微处理器模块，负责采集和处理心电信号，并通过nRF401无线收发芯片将数据传输到中心监护端。

• 无线收发模块：采用nRF401无线收发芯片，实现心电数据的无线传输。

• 存储显示键盘模块：为了实现大容量的数据存储，利用S3C2410A自带的Nand Flash控制器扩展了一片16Mx8位的Nand Flash存储器，可存储12小时的心电数据。为了使用户能够对采集到的心电信号有一个直观的印象和进行常识性的观察，利用S3C2410A自带的LCD控制器，设计了LCD显示屏的接口，并选用了一块240x128的LCD显示屏，用于显示所采集的心电信号及一些基本参数。系统还设计了一个4x4的键盘模块，用户可通过键盘实现一些基本功能的切换。

系统软件设计

系统的软件设计基于Windows CE操作系统，采用多线程技术确保实时性和响应速度。

Windows CE操作系统

Windows CE是为各种嵌入式系统和产品设计的一种压缩的、具有高效的、可升级的操作系统，具有多线性、多任务、全优先的操作系统环境。由于Window CE操作系统本身没有自带独立的开发环境，因此需要在PC机（宿主机）上完成应用程序的开发，实现仿真，并针对ARM嵌入式设备（目标机）进行交叉编译，使其与目标机的CPU体系结构相匹配，使操作系统和应用软件在目标机上也能正常运行。然后再移植到各目标机上。

多线程编程

中心监护端的功能不只是单一的网络通信，还要进行数据分析和处理，所以不在主线程中直接进行通信。而是在主线程中创建一个单独的子线程负责等待PC机的命令，收到命令后，为其创建一个单独的通信子线程与相应的终端节点进行通信。等待子线程继续等待PC机的命令。通信子线程接收数据并进行校验，并通过USB口传递到PC机。

由于多个通信子线程可能会同时对共享资源nRF401进行访问，形成线程冲突，因此需要协调好各个线程之间的同步问题。互斥对象（Mutex）是Windows CE操作系统所提供的实现线程同步的方法之一，主要用于协调多个线程对共享资源的访问。其原理是只有拥有互斥对象的线程才具有访问共享资源的权限。由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程所访问。

数据处理与分析

采集到的心电信号经过S3C2410A的ADC模块转换为数字信号后，需要进行进一步的处理和分析。处理和分析的过程包括滤波、特征提取、波形显示等。滤波主要是去除噪声和干扰，提高信号的信噪比。特征提取主要是提取心电信号中的关键特征点，如P波、QRS波群、T波等。波形显示则是将处理后的心电信号以波形图的形式显示出来，供医生和患者观察和分析。

结论

本文设计了一种基于ARM9微处理器S3C2410A和nRF401无线收发芯片的多床位遥测心电监护仪。该监护仪具有体积小、功耗低、便于携带等优点，可同时监护1～12个床位，实时性良好。采用多线程编程，可同时监护多个床位，提高了系统的整体响应速度和利用率。该系统在不影响患者日常活动的同时，使患者得到较好的监护，具有重要的临床应用价值。

通过本设计的实现，不仅提高了心电监护的效率和准确性，还降低了医疗成本，为心血管疾病患者的治疗和康复提供了有力的支持。未来，随着嵌入式技术和无线通信技术的不断发展，多床位遥测心电监护仪的性能和功能将得到进一步的提升和完善。