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ZLG7290ZLG7290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1SA5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