家庭便携式远程医疗监护器的研究与设计

论文摘要

随着社会的进步和科技的发展,社会老龄化的到来以及人们生活质量的改善,人们的健康观念发生着深刻的变化,医疗观念已逐步从传统的疾病治疗转向疾病预防和保健护理,HHCE(家庭医疗保健工程)应运而生。HHCE提倡医疗进入家庭,在配备先进适宜的医疗设备的条件下,使病人在家中实施自我监护、诊断、治疗、康复和保健。另一方面,远程医疗系统也随着网络科技的发展逐步成为医疗领域的新趋势,它能远距离传送医疗信息,使专家和医生能远距离对患者进行病情诊断、处理、治疗,乃至手术和紧急救助。它不受地域的限制,能起到普及医疗,提高边远地区医疗水平,同时减少医疗成本和时间,并实现医疗资源的传输、存储和共享。当前的HHCE用户终端设备正随着家庭医疗保健工程的兴起与远程医疗的发展而开始不断涌现,根据国内外市场调查和未来医疗监护器的发展趋势,课题的研究定位在一种具备家用多功能、便携式的远程医疗监护仪的解决方案上。它将适用于个人、家庭、社区和出诊医师等人群,具备实时监测、参数分析、数据存储、远程传输和监控等功能,将HHCE与远程医疗相互融合;并采用SOPC(片上可编程系统)技术进行系统单片化设计,实现体积小、低功耗和便携化的目的。本文着重从硬件设计、软件开发和软硬件协同工作等方面来展开介绍。经过需求分析和方案论证,该项目确定采用Altera公司的SOPC技术来开发构建硬件平台。系统选用友晶科技的DE2 FPGA开发板来进行验证开发,其拥有的丰富的外设接口为系统的设计提供很大的方便,同时,Altera公司的Nios II软核处理器及其提供的IP库大大提高了设计速度和质量。文章首先重点介绍系统硬件平台的构建,包括前端生物医学信号的采集电路设计、主要IP核的设计与验证及系统搭建过程。然后介绍为实现系统的多功能、多任务和多线程而进行的软件设计内容,系统软件部分的设计是在μC/OS II实时操作系统移植后进行的,文中详细介绍了基于操作系统的硬件驱动程序设计;文件系统μC/FS、用户图形界面μC/GUI和TCP/IP协议栈的移植和应用;信号处理算法的设计实现等。最后,介绍系统的软硬件测试方法和参数,以及功能完成情况,结果表明,所设计的系统在功能、性能和稳定性等几个方面都达到设计要求。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 家庭医疗保健工程
• 1.1.3 国内外发展状况
• 1.2 本课题的设计考量和研究内容
• 1.3 论文的主要结构
• 第二章 系统总体设计与方案论证
• 2.1 系统需求分析
• 2.1.1 功能需求
• 2.1.2 性能需求
• 2.2 系统方案论证
• 2.2.1 生物医学信号采集方案
• 2.2.2 中央处理平台解决方案
• 2.3 基于SOPC 的现代电子设计方法
• 2.3.1 SOC 技术与IP
• 2.3.2 FPGA 开发流程及开发语言
• 2.3.3 SOPC 技术
• 2.3.4 Nios II 软核SOPC 系统及组件
• 2.3.5 Nios II 软核SOPC 系统开发环境
• 2.4 系统组成和功能
• 2.5 小结
• 第三章 硬件设计
• 3.1 概述
• 3.2 DE2 FPGA 开发平台
• 3.2.1 DE2 板上资源和硬件布局
• 3.2.2 DE2 原理
• 3.3 前端生物医学信号采集板设计
• 3.3.1 心电信号特点
• 3.3.2 心电测量
• 3.4 A/D 转换控制IP 核设计
• 3.4.1 A/D 采样芯片
• 3.4.2 基于Avalon 总线的A/D 转换控制IP 核设计
• 3.5 LCD 控制IP 设计
• 3.5.1 DE2 板LCD 显示器
• 3.5.2 基于Avalon 总线的LCD 控制IP 设计
• 3.6 SD 卡接口设计
• 3.7 网络接口设计
• 3.8 基于NIOS II 的SOPC 硬件平台构建
• 3.9 小结
• 第四章 软件系统
• 4.1 概述
• 4.2 SOPC 软件开发
• 4.2.1 SOPC 软件开发流程
• 4.2.2 HAL 系统库
• 4.2.3 本系统的软件层结构
• 4.3 μC/OS II 的多任务设计
• 4.3.1 μC/OS II 实时操作系统
• 4.3.2 μC/OS II 在Nios II 上的移植
• 4.3.3 系统多任务设计
• 4.4 μC/GUI 的移植及应用
• 4.4.1 μC/GUI 的移植
• 4.4.2 系统操作界面的设计
• 4.5 基于SD 卡的文件系统移植
• 4.6 WEB 服务器的设计
• 4.6.1 网络芯片的低层驱动
• 4.6.2 网络芯片的HAL 网络设备驱动
• 4.6.3 轻量级TCP/IP 协议栈LWIP 移植
• 4.6.4 基于LWIP 的WEB 服务器设计
• 4.7 小结
• 第五章 心电信号检测、压缩算法和FFT 实现
• 5.1 概述
• 5.2 ECG 信号检测算法
• 5.3 ECG 信号压缩算法
• 5.4 C2H 技术及应用
• 5.4.2 C2H 编译器功能与优点
• 5.4.3 C2H 开发流程
• 5.4.4 FFT 的C2H 硬件加速器
• 5.5 小结
• 第六章 系统调试与测试结果
• 6.1 概述
• 6.2 系统调试
• 6.3 系统测试结果
• 6.3.1 资源使用情况
• 6.3.2 作品性能参数
• 6.3.3 系统执行结果
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 设计特点
• 7.2 不足与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录 1:心电信号采集板 PCB 图
• 附录 2:A/D 转换控制 IP 部分程序
• 附录 3 :LCD 控制 IP DMA 状态机实现 VHDL 程序
• 附录 4: SD 卡读写驱动程序
• 附录 5:WEB 服务器的主任务---SOCKET 通讯程序
• 附录 6:DM9000A 低层驱动函数