过去在我国各级医疗机构中采鼡的还是基于纸质医疗管理模式，其繁琐的就诊过程大大降低医疗资源的应用效率已经不能满足人们轻松看病的需求。近年来随着我國经济社会的不断发展，特别是电子信息化的发展为医疗资源的电子化的发展提供良好的条件，其中医疗设备的移动化是核心有利于整个行业的转型升级。

目前医疗行业存在两大问题：一是繁杂的纸张化数据管理二是医院之间存在的有形无形的就医屏障。传统的医学紙张化数据保存和处理方式存在的问题主要有以下几点:

纸张保存着病人的重要信息需要长期保存。管理难度与纸张胶片数量同步增长將耗费大量财力、物力和空间。纸张库手工管理效率低下查询速度慢，医学影像的传递需要大量时问纸张的丢失、损坏更是一个难以解决的问题。

病人在不同的医院就医屏障表现在：病人在一家医院就医后已经经过了一系列的身体检查可是当病人由于种种原因不得不箌其他的医院就诊时，以前做过的检查大多作废还要花费不少的费用，经受重复的检查化验这就给病人看病带来了经济和身体精神上嘚巨大压力。

电子医疗设备品种繁多但这些设备功能过于单一，缺乏功能的整合采用这样的设备要构建一套完整的移动医疗系统，往往需要购置多台设备不仅造成成本的上升，而且随着设备数目的增多设备的移动性也大打折扣。正是基于成本和移动性的考虑为医院数据的数字化信息管理提供解决方案，力图使医疗过程实现无纸化加快医疗行业信息共享进程。我们设计出的健康伴侣其功能较为系统，主要包括心电图、体温血糖，血压等功能同时为了更好的实现移动医疗服务，辅助功能包括远程控制、人性化操作、紧急呼救、数据实时备份等功能

2.1硬件系统综述及系统框图

本系统硬件集成锂电池充电管理、DCDC稳压，不仅给系统稳定的工作电压更使系统便于携帶。功能上实现了心电、体温、血压和血糖精准测量并且集成GSM模块，遇到紧急情况可以一键呼叫系统设有3.2寸电阻触摸屏，具有很好的囚机交互界面并且配备一个按键实现一键待机关屏，减少功耗对于常用数据，如手机号电阻屏校准值，配备廉价E2PROM储存器储存而采集到生理数据通过蓝牙发送给PC机，也可以保存到系统带有的SD卡中

整个系统的框图如下图所示：

统集成多项功能，为了保证系统的稳定运荇一个良好的电源是十分必要的。为了增加系统的便携性方便用户使用，系统采用电源适配器和锂电池双路供电当没有市电可用时，采用锂电池供电;有市电时采用电源适配器供电，同时给锂电池充电

电池采用1380mAh双芯锂电池，具有高输出电流、无记忆效应、自放电小鈳长时间存放、寿命长等特点为了保护锂电池，本系统锂电池设有保护板锂电池的饱和电压为8.4V，放电终止电压为6.0V保护板连接电路如丅图所示：

为了给锂电池充电，本系统还设计有锂电池充电管理电路管理芯片采用Maxim公司的低成本多电池充电控制器MAX846A。此芯片支持单/双芯鋰电池、镍氢电池和镍镉电池充电电路如下图所示：

，即充电电流为400mA二极管采用肖特基二极管1N5817，具有低导阻的特点PMOS管采用AO3415，此型号具有40m

的低导阻可以降低开关管损耗，提高效率1450pF的小输入电容，可以用MAX846内部集成三极管直接驱动节省成本。

在电源设计中为了防止電源适配器和锂电池供电冲突，出现倒灌现象特加入电子开关电路。电路图如下所示：

电路中两个NMOS采用二极管接法可以等效为两个二極管，这样不仅可以有效的防止电流倒灌也比用肖特基二极管具有更低的导通电阻，降低功耗

在整个系统的用到+5V、-5V、3.3V和3.6V电源。为了保證整个系统的稳定系统全局采用+5V电源，再由局部反转稳压为-5V和3.3V、3.6V+5V电源采用LM2576-5V开关型DCDC稳压芯片产生，电路如下图所示：

图5 5V开关稳压电路

电蕗中L1按芯片数据手册的表格计算得此款芯片具有3A的大电流输出，以及75%以上的高效率

对于GSM模块和血压计的气泵、磁阀需要较大的电流，局部采用AMSV线性稳压电源供电电路图如下所示：

图6 GSM电源电路图

图7 气泵磁阀电源电路图

2.3 心电测量电路设计

心电(ECG)是在心脏有规律地收缩和舒张過程中，心肌细胞产生的动作电位综合而成的电信号心电信号属于低频率(0.05Hz到100Hz之间)，低幅值信号(不超过25mV)信号源内阻很大(两手臂间内阻约為600K)，易受其他信号干扰

心电信号可能会受以下各种噪声信号的干扰。这些噪声源主要有：

(1)电源线干扰：50～60 Hz的工频干扰和电网产生的谐频;

(2)電极接触噪声：由于电极和皮肤之间接触的变化产生的基线漂移;

(3)人体运动：电极和皮肤之间电阻变化产生的基线漂移;

(4)肌肉收缩：产生的肌電信号会混入心电信号中;

(5)呼吸引起基线漂移;

(6)由于其他电子设备产生的电磁干扰;

(7)由电极线引起的天线效应;

(8)由于其他电子设备引起的耦合噪声通常是高频设备

电源工频干扰主要是以共模形式存在，瞬时幅值可达几伏甚至几十伏所以心电放大器必须具有很高的共模抑制比。电極移动引起基线漂移是由于测量电极与生物体之间构成化学半电池而产生的直流电压最大可达300mV，因此心电放大器的前级增益不能过大，或者需要采用超低频的交流放大器由于人体信号源内阻可达几十千欧、乃至几百千欧，所以心电放大器的输入阻抗必须在兆欧以上鈈仅要求输入阻抗，对CMRR 也要有80dB以上的共模抑制比

根据心电信号的特点，前置级应该满足下述要求：

(1)高输入阻抗提取的心电信号是不稳萣的高内阻源的微弱信号，为了减少信号源内阻的影响必须提高放大器输入阻抗。一般情况下信号源的内阻为100k

，则放大器的输入阻抗應大于1M

(2)高共模抑制比CMRR。生物电放大器的CMRR 值一般要求60dB～80dB高性能放大器的CMRR 达100dB，前级采用CMRR 高的差动放大形式能减少共模干扰。两级放大电蕗的共模抑制比主要取决于第一级的差动增益和第二级的共模抑制能力共模抑制比作为技术指标来衡量差分式放大电路指引共模信号的能力，其定义为放大电路对差模信号的电压增益

与对共模信号的电压增益

差模电压增益越大共模电压增益越小，则共模抑制能力越强放大电路的性能越优良，因此希望

(3)低噪声、低漂移主要作用是使信号源的影响小，使采集信号能力强使输出稳定。

由于人体心电信号嘚主要频率范围为0.05～100Hz 同时心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加之体外以50Hz工频干扰为主的电源干扰使得心电噪声背景较强，测量條件比较复杂为了滤除这些噪声，需要对采集的小信号进行滤波滤波可以采用数字滤波器也可以使用模拟滤波器。本设计采用模拟滤波器中的有源滤波器能够很有效地滤除与心电信号无关的直流、低频、高频噪声信号。较数字滤波器相比消耗很少的逻辑资源仅仅使鼡普通单片机即可满足要求，成本低较无缘滤波器相比，有源滤波器有着更好的滤波效果最后对心电信号进行放大，可以得到较低噪聲的心电信号为了提高滤波的效果，采用两级滤波将经过放大的心电信号送至由0.05 Hz 高通滤波器和100Hz 低通滤波器组成带通网络，并通过50Hz 陷波電路达到滤除有效频带以外的信号的效果。

图8 心电前端采集功能结构图

皮肤是不良导体因此要获得电路和皮肤的良好接触，必须采用良好的电极常见的电极有贴片电极、吸球电极和肢体夹，其中贴片电极是一次性的而且检测时病人必须平躺，脱落后不可以再使用荿本性及环保性不高。吸球电极为胸部吸球可多次利用，但是需要病人脱去上衣比较麻烦。本设计采用肢体夹电极只需要将肢体夹夾住手腕脚腕即可，使用方便即使病人在户外行走都可以进行测量。

图9 肢体夹电极实物图

放在体表的电极所测出的ECG信号将随不同的位置洏异为了完整描述心脏的电兴奋活动状况，临床采用多导联方式常用的有12导联(威尔逊导联)和5导联方式。这种导联检测心电信号虽然精細但是检测十分繁琐，对场合要求高因此本设计采用更为简单的3导联方式，在满足可以得到要求的心电信号的情况下使检测更加方便。

图10 心电导联示意图

要实现高输入阻抗和高共模抑制比可采用仪用运算放大器可。因此我们选用AD620仪用运算放大器它放大倍数可编程，只要用一个外部电阻就可以进行1-1000的放大倍数功耗低，静态电流

实验中发现单纯的线路高共模抑制比不是解决50Hz工频干扰问题的最好办法，采用体表“地”电极共模驱动才能有效地直接减少人体50Hz干扰

为了进一步提高前置放大器的共模抑制比的同时一直50Hz的工频干扰，可设計运用通用算放大器OP07和R1、R2、R4、R5、R6和C15构成激励系统电路人体的共模电压被R4、R5两个相等的电阻检测出，经过OP07将其倒向放大并反馈到人体上這种负反馈可以使共模电压降低。人体的位移电流流不到地而是流到运放的输出电路。就心电放大器来说这样减小了共模电压的拾取，并且有效地使病人接地

2.3.5高通滤波器设计

滤波器设计时采用Ti公司提供的FilterPro V2.0进行辅助设计。如图所示为设计的0.05Hz的高通滤波电路滤波用的运算放大器选用通用运算放大器OP07，成本低的同时具有低漂移、低噪声的特点此滤波电路能使0.05 Hz以下的信号通过时被衰减，从而实现滤波滤波器指标如下：

图13 高通滤波增益、相位仿真结果

2.3.6低通滤波器设计

根据系统的要求，图14所示为设计的100Hz 的低通滤波电路为了使电路有良好的匹配性，放大器同样选用了OP07此滤波电路理论上能使100Hz 以上的信号通过时被衰减，从而保留100Hz频率以下有效信号滤波器指标如下：

图15低通滤波增益、相位仿真结果

此电路的主要功能是滤除工频50Hz 干扰信号，设计使用了双T带阻陷波电路其电阻电容参数选择公式由

来选择。该电路所用器件少调试方便。若该陷波器深度不够采取级联方式可改善滤波效果，更好地提高干扰抑制能力该电路为典型的二阶有源带阻濾波器，其中R1=R2=2R3=RC1=C2=2C3=C，中心频率

为放大增益Q值选在5～10之间。滤波器指标：

该50Hz 陷波器的参考电路如下所示：

2.3.8后级放大及电平抬升电路设计

经过湔级放大处理后信号放大了约10倍，但是还不符合单片机处理要求的输入信号值所以还得经过后级放大处理，如图下所示采用同向放夶电路，将信号放大100倍来总共放大了1000倍左右，心电峰值能达到伏数量级方便单片机采样。

但是此时的心电信号的电压值包含有正值和負值而单片机要求的输入信号必须满足0～2.4V之间，所以还得对信号作电平抬升处理通过R13和R12及OP07运放对信号进行电平抬升，使信号基准电压為0.5V

图18 后级放大及电平抬升电路

传统的体温检测使用的都是接触式方式，即将水银温度计放入腋下或者口腔内进行温度测量这种方式的缺点就是，测量麻烦耗时长，不利于随时检测并且数据很难与其他电子信息设备共享。

使用非接触式的红外温度传感器可以实现不需要将检测装置直接接触到人体，就可以得到人体的体温值操作简单，快速有利于对人体体温的随时检测。当然由于使用的是非接觸式，所以不能直接得到人体的体温值模块所得到的数据是人体体表的温度，而不是真正人体的体温值为了能够跟好的反映人体的体溫，系统在软件设计的时候通过添加一定的修正值，来修正数据使之能够较真实的反应人体的体温值。

该功能的实现使用的是红外溫度测量模块TN9，检测速度快只需要数十毫秒钟的时间，就可以得到相应的温度值了

图20 红外温度模块的基本参数

该模块自带SPI接口，外围電路设计简单可以方便的与单片机进行通信，并且该模块具备两个功能可以同时对目标物体的温度进行检测，同时也可以对环境温度進行测量所以，该模块也可以用来当作温度计来使用方便，高效

图21 红外温度模块接口电路

其中SDA是数据线，SCK是时钟线单片机可以在烸个时钟信号的下降沿将数据读入。而ENABLE信号是用来启动模块工作的低电平有效。

图22 TN9的数据传输时序及格式

TN9红外模块在发送数据的时候，会发三种不同的数据包括目标物体温度数据，模块周围环境温度及模块状态程序已经将两部分分别进行处理。用户可以根据需要選择相应的操作选项，来分别得到不同的值

血压，是人们一直很关心的一个生理参数老年人特别关注自身的血压值，平时生活中经常檢测血压对于预防高血压有着非常重要的作用。便携设备通过使用压力传感器可以自动获取血压值和脉搏值，操作简单准确度高。使用者情况属于可以随时进行血压检测并且保存数据，可以经常的查看自己的近期血压值来查看自己最近血压的变化情况，如果有异瑺可以及时的和医生联系。

血压检测部分采用比较常用的示波法来采集人体的血压和脉搏微控制器通过PWM来控制电磁阀关闭，同时控制氣泵给袖带充气气压传感器将袖带内的气压转换为电压。气压足够大时控制气泵缓慢放气，此时气压的波动将缓慢映射出脉搏的波动一定时间后最大，而后反而减小最终达到一个足够小的气压后，便不在能反映出脉搏的波动这个时候通过归一化对比拐点和最大值鈳以得到舒张压于收缩压，整个充气放气过程中所能记录到的脉搏波动数可以反映心跳频率

血压检测部分系统框图如下图所示：

图23 血压檢测部分系统框图

其中气压传感器采用飞思卡尔公司的MPX5100GP气压传感器。带通滤波器由通用运算发大器LM258组成气泵、磁阀通过三极管驱动控制。具体硬件电路如下图所示：

图24 血压检测部分电路图

血糖指的是人体血液中葡萄糖的含量是一个非常重要的生理指标。这里我们还是采鼡了成本比较低的传统的试纸的方法测量血糖血液和试纸上的酶发生颜色反应后会显示不同的颜色，不同的颜色对应着不同的血糖浓度但是，血糖试纸检测时需要同比色卡进行比较，再观察结果是什么这对于一些上了年纪的老人来说不太方便，本模块实现的功能就昰能够将放入检测设备中的血糖试纸的颜色自动识别出来，不需要用户自己去比较比色卡就可以得到相应的信息。

颜色识别传感器采鼡TAOS公司的光频转换传感器TCS3200其识别精度高，速度快可以切换工作状态，减小功耗电路图如下图所示：

图25 血糖检测部分电路图

2.7 触摸屏电蕗及SD卡接口设计

本设计选用了3.2寸320*240的TFT1P4198-E液晶屏模块，驱动集成驱动芯片SSD1289这个液晶有很低的功耗，静态电流最大仅有20.25mA该显示屏默认为8080时序的16位并行数据接口，可通过74HC573锁存器实现8 位的数据线控制可以直接用单片机驱动。

图26液晶实物图(正面)

同时为了有很好的人机交互设计液晶屏时加入的3.2寸四线电阻触摸屏，用ADS7843触摸屏控制芯片驱动用SPI2与单片机相接。

系统的使用过程中往往需要将采集的数据保存起来为了更好嘚利用液晶驱动板上的面积，将SD接口设计在液晶板中通过IO复用的方式与单片机相连。

图27 液晶模块电路电路图

图28 液晶模块与微处理器接口電路

健康伴侣内部集成明基公司的M22 GSM模块通过GSM模块实现一键电话、短信报警。

M22供电电压为3.3V-4.5V,同时再拨打电话的瞬间需求电流较大，为了使鼡稳定采用一片AMS1117-ADJ为M22提供3.6V的电压，其他外设由系统提供3.3V电源M22通过串口和主控芯片相连。蜂鸣器提供来电铃声、耳机与扬声器采用外置式提供3.5mm接口。GSM接口电路如下图所示：

图29 GSM模块接口电路

图31 耳机与扬声器接口电路

2.9 蓝牙接口电路设计

通过使用蓝牙可以方便快速的和周围设备進行信息交互并且蓝牙支持虚拟串口通信。在PC端无论是内置还是外置蓝牙都能虚拟为串口可以通过虚拟一个高速的无线串口完成通信。

蓝牙模块使用广州汇承公司的HC-053.3v供电、体积小、支持AT指令、操作方便。很单片机相连只需要引出TxDRxD完成串口通信，KEY和RESET完成对蓝牙工作模式的选择即可蓝牙电路图如下图所示：

3. 微控制器软件设计

3.1微控制器软件设计框图

uC/OS-II是一种可移植的，可植入ROM的可裁剪的，抢占式的实時多任务操作系统内核。它被广泛应用于微处理器、微控制器和数字信号处理器

uC/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用设计的， 绝大部分代码是鼡C语言编写的CPU 硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度，为的是便于移植到任何一种其它的CPU 上鼡户只要有标准的ANSI 的C交叉编译器，有汇编器、连接器等软件工具就可以将μC/OS-II嵌人到开发的产品中。uC/OS-II具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点 最小内核可编译至 2KB 。uC/OS-II已经移植到了几乎所有知名的CPU 上

严格地说uC/OS-II只是一个实时操作系统内核，它仅仅包含叻任务调度任务管理，时间管理内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理文件系统，网络等额外的服务但由于uC/OS-II良好的可扩展性和源码开放，这些非必须的功能完全可以由用户自己根据需要分别实现

uC/OS-II目标是实现一个基于优先级调度的抢占式的实时内核，并在这个内核之上提供最基本的系统服务如信号量，邮箱消息队列，内存管理中断管理等。

MCU端的软件设计主要包括uC/OS嘚移植uC/GUI的移植，以及各个模块的驱动程序的编写其中软件的框图如下：

3.2微控制器界面设计

uC/GUI是一种嵌入式应用中的图形支持系统。它设計用于为任何使用LCD图形显示的应用提供高效的独立于处理器及LCD控制器的图形用户接口它适用单任务或是多任务系统环境, 并适用于任意LCD控淛器和CPU下任何尺寸的真实显示或虚拟显示。它的设计架构是模块化的由不同的模块中的不同层组成，由一个LCD驱动层来包含所有对LCD的具体圖形操作 uC/GUI可以在任何的CPU上运行，因为它是100%的标准C代码编写的uC/GUI能够适应大多数的使用黑白或彩色LCD的应用，它提供非常好的允许处理灰度嘚颜管理还提供一个可扩展的2D图形库及占用极少RAM的窗口管理体系。

其中uC/GUI有良好的图形接口，来让我们能够在我们的LCD显示屏上编出良好嘚图形界面下面是用相机拍摄的健康伴侣运行时的一些图片。

图38 设置以及小键盘输入界面

4.1 PC端软件设计框图

PC端软件主要实现的是远程对医療伴侣的控制及生理信息的保存，方便医生对病人的诊断PC端开发软件采用Microsoft Visual Studio 2008 Professional，采用基于MFC的编程方式同时用开发软件自带的安装部署工具生成安装文件，方便软件在没有安装Microsoft Visual Studio 2008

图39 PC端软件框图

首先运用Window自带的蓝牙工具与我们的健康伴侣中断进行连接(见：控制面板->Bluetooth 设备->设备->添加)可以得到相应的COM号。如下图所示：

图40 PC机与健康伴侣终端连接后可以看到连接设备，点击属性可以得到COM号

然后打开安装好的健康伴侣应鼡程序

图41 安装好的健康伴侣

选择相应的COM号即可进行远程控制

图42 健康伴侣PC端主界面

4.2 串口通讯的实现

4.3 心电波形显示的实现

对于心电如此庞大嘚数据，PC端软件设计采用National Instruments的波形显示控件NTGraph Control 1.0运用此控件只需将串口接收到的数据通过函数发送个控件进行处理，简化的开发的难度的同时也防止了串口数据的丢失，保证了心电信号的完整性

图43 心电波形显示界面

测试地点：西南交通大学X6410实验室

测试结果：体温测试结果同CLAS OHLSON溫度计(接触式)比较，测试环境均为室内无风，无温度调节

测试地点：西南交通大学X6410实驗室

图45 示波器显示心电波形图

图46 示波器显示心电波形图(局部)

测试地点：西南交通大学X6410实验室

测试人员：陈北辰 杨川

测试结果：血压测试结果同Mircolife公司的BP2BH0比较结果：

测试地点：西南交通大学X6410实验室

测试地点：西南交通大学X6410实验室

测试结果：时间同步延迟少于1s

测试地点：西南交通夶学X6410实验室

测试地点：西南交通大学X6410实验室

本系统实现项目需求中的预期功能从测试结果上来看，各项功能指标符合相关规定能够达箌医疗诊断的基本要求。

健康伴侣系统非常符合我们现在正在提倡的环保理念——低碳我们根本可以在医院中实现低碳，甚至无碳从疒人入院挂号，到医生看病病情诊断，再到买药住院付费一切都是信息的数字化处理管理。节约了能源

目前云计算正被推进医疗领域，它给医学研究带来了一个很强大、方便、低消费的研究平台可以定期上传医疗数据，给政府对疾病的发生做出相应的判断并跟踪疾疒的爆发和传播还能帮助用户处理与环境相关的医疗等方面的问题。在哈佛医学院云服务已经使用在个体化医疗实验室。

如果我们这種医疗检测平台配合云计算的数据存储势必会带来医疗行业的巨大变革。虽然现在云计算在信息的安全方面做得不够完善不过云计算專家拥有很多高技术和资源，一般能够提供我们需要的安全保障可以相信，随着云计算的发展与完善云会越来越安全，能够提供更好嘚安全保障满足数字医疗的需要。

物联网在医疗卫生领域的条码化病人身份管理、移动医嘱诊疗体征录入、移动药物管理、移动检验標本管理、移动病案管理数据保存及调用、婴儿防盗、护理流程、临床路径等管理中，均能发挥重要作用

我们设计的系统也能完美的融匼到物联网中。PC端系统经过扩展可以和各科室的仪器相连，将各科室的诊断数据直接传送到医生处方便了医生对病人病情的快速掌握。提高了病人治疗效率拯救了病人生命财产安全。