基于ARM9的便携脑血氧监测仪及其以太接口设计

氧是人体新陈代谢的重要物质，而脑组织的耗氧量最高。如果在心脑血管疾病及脑外伤病人临床抢救与治疗中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。而目前国外尚未见双通道同时监测双侧脑组织血氧，并通过比较来反映患侧脑组织血氧含量变化的报道[1-2]。本文介绍的脑血氧监测设备不但能同时采集左右两侧大脑对称位置的血氧参数，为临床通过对比来评价患侧脑血氧变化量提供新方法，还采用了嵌入式系统应用以太网将数据共享，达到了既能实时监测大脑两侧数据，又能实现数据共享的效果。1 脑血氧检测原理本设备是根据氧合血红蛋白和还原血红蛋白对红外和近红外光不同的吸收特征，利用修正后的朗伯特-比尔定律和血红蛋白在近红外光(波长为760~850 nm)处的不同吸收特性，可以推导出血容量和氧容量表达式如下[1]：由于光在组织中所历经过程与波长相关，对于前后两个不同的生理状态，氧合血红蛋白和还原血红蛋白浓度的变化可以表示为[2]：由于在实际的测量中，不同病患的肤色、组织性能的差异，使得测量Hb和HbO2的绝对浓度困难重重，因此在实际监测中，一般使用光密度的变化来表征血容量和血氧的变化。2 便携式脑血氧检测设备的硬件设计2.1 硬件整体设计本设备由探头部分和主机部分组成，两部分之间采用无线收发的模式进行数据传输，其具体系统框图及工作流程如图1所示。

由图1可看出，该设备采用由三星S3C2410A微处理器产生的时钟脉冲序列控制的760 nm和850 nm双波长光源，通过双光源交替照射颅脑组织，通过离探头一定距离的光电转换器实时收集经透射后的光，并分成两路进行放大，通过由时序脉冲控制的模拟开关控制放大的进程，同时该监测设备将放大后的透射光的滤波降噪、和差运算、A/D转换等电路均集成在探头部分。这种设计可在一定程度上减小信号传输时的衰减程度和噪声干扰，同时也节省了仪器体积，实现了便携式设计。主机部分采用新型的S3C2410A微处理器，能更好地处理信息；新增了语音提示以及以太网数据共享接口，达到了快速直观提示病患的健康情况以及数据传输、共享的作用；保留了以往的功率谱、相关函数、血氧饱和度的显示，可为医生在制定处方时提供一定的科学依据。在探头部分与主机两部分之间一般采用有线传输，其存在占用空间、成本较高、传输距离受限等众多不足，为了克服这些不足，本设备采用了无线传输，通过软件实现了ARM7和ARM9之间的无线传输，可方便地在传输范围内移动和实时监测，省去了有线传输所占用的大量面积和存储空间，真正做到了便携式监测。三星S3C2410A 16/32 bit RISC微处理器使用的是ARM920T核心。该处理器的主要特点为低功耗、低成本、小尺寸、高性能。其组件有：16 KB指令高速缓存和16 KB数据高速缓存，NAND闪存启动加载器，MMU的虚拟内存管理器，3通道UART，4通道DMA，4通道PWM定时器，LCD控制器（超扭曲液晶屏），8通道10 bit ADC和触摸屏接口，2通道的SPI和PLL时钟发生器。在本脑血氧设备中，S3C2410A微处理器控制电路产生脉冲信号，从而使760 nm和850 nm发光二极管交替发光；当数据从探头部分输入主机部分时，S3C2410A能处理、存储、运算数据，并控制LCD显示输出，控制语音电路输出音频。控制语音电路输出音频是本设备的核心。2.2 基于ARM9的以太网接口的设计在以前的脑血氧监测设备中，以太网电路选择的是CS8900A芯片，该芯片的引脚数为100，占用了大量的PCB版图面积。而DM9000A引脚数仅为48，可以大量节省PCB版图面积。本文考虑到便携式对器件大小的要求，故采用的是以太网控制器DM9000A芯片。DM9000A以太网控制器是由DAVICOM Semiconductor公司研制的一个集成、低成本、低引脚数的单芯片快速以太网控制器，其主要组成部分包括：1个10/100 M PHY和4 KB的双字节SRAM。在提供了3.3 V~5 V输入电压时具有较低的功耗和较高的性能。DM9000A对各类接口处理器均支持8 bit和16 bit的数据内部存储器的访问，符合IEEE 802.3u标准规格，其自动协商功能会自动配置DM9000A，并最大限度利用它；支持IEEE 802.3x全双工流量控制，48引脚的LQFP，集成了10/100 M自适应收发器与自动MDIX。

DM9000A芯片的各引脚的硬件接口电路如图2所示。为了保护芯片的数据和地址引脚，保护引脚免受瞬间高压的损坏，在每个引脚后方接一个零电阻(这些零电阻在图2中未标出)。图中，电阻R7~R10可用来去除以太网输入输出电路中的信号杂波、耦合等干扰；芯片RClamp2504N用作对以太网的高压保护，以防止瞬间过高电压以及脉冲电流对DM9000A的损坏；X1是工作频率为25.000 MHz的晶振电路，为单片机正常工作提供稳定的时钟信号，并通过电容C5、C6滤去直流信号后接地，达到了设计的安全性；引脚19、20、21、46未使用做悬空处理。

图3为芯片引脚15、33、45、48的接地端的保护电路，该电路通过半导体电容和极化电容的成对并联，达到了滤除电压波动、同时保护芯片引脚在过流瞬间烧断的作用。

3 软件设计本设计中DM9000A驱动模块程序包括：(1)设定以太网物理地址，可在初始化DM9000A前修改。2)定义接收帧类型、以太网数据和地址端口。(3)设置工作模式，8位或16位模式。本设计采用16位模式，设定数据包收发过程中所用寄存器以及中断方式。(4)发送帧请求，初始化DM9000A，数据包收发流程。DM9000A的软件流程图如图4所示。

本文的创新点是：以往使用的是以太网控制器，而本设计使用DM9000A，其性能优良、功耗低、价格低廉。最大的优势是DM9000A在10 Mb/s嵌入式网络应用中占有很大的比重，在拥有共同的传输速度下，其芯片所占PCB板版的面积较小，而且可8/16 bit两用，既方便了软件设计者设计，又方便使用。由于基于ARM的嵌入式医疗器械的广泛使用和数据共享的需要，使得基于ARM的嵌入式以太网接口的软硬件设计迫在眉睫，因此，开展嵌入式以太网接口的设计具有重要的意义，同时，该接口也有很好的应用前景。参考文献[1] 王强，林淑娟，罗致诚.无创伤红外光谱脑血氧监测仪[J].国外医学生物医学工程分册，1998(21)：19-26.[2] 胡博，朱建彬，杨荣，等.基于ARM7实时网络通讯的设计与研究[J].武汉科技学院学报，2009，22(3)：17-20.[3] 李良辰，李凯扬，秦钊.新型近红外脑血氧监测设备的研制[J].激光与红外，2006，36(8)：661-664.[4] 王桂云，侯思祖.基于ARM7的以太网接口的设计与实现[J].微计算机信息，2009，25(2)：124-125，204.[5] 卜陈源.ARM7嵌入式处理器以太网通讯的实现[J].中国科技信息，2009，23：87-88.

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