基于USB传输之嵌入式生理量测系统研制


资讯产业发展快速,电脑产业的兴起,资讯和资料之传输方式越来越讲求方便、迅速,从最早接触的UART(RS-232)埠、网际网路 (Ethernet)等连线传输发展至现在的USB 传输(低速、全速、高速)、无线技术(BlueTooth、ZigBee)等无线传输。而应用的范围也概括了个人、家庭、日常生活等。

心电图常被广泛运用在临床实验上,用于量测心脏和肺部疾病的重要诊断工具。目前心电图量测之资料传输介面较常应用RS-232 介面来传输,其优点为:(1)传输协定和传送封包格式较容易理解。而其缺点为:(1)传送资料之距离受到限制(2)传送速度较慢。然而本论文所强调之重点在于应用USB介面传输来传送心电讯号,其目的是为了运用USB 随插即用特性,将使用者所量测到之心电讯号储存至硬体电路的储存装置上,而心电讯号之呈现可透过与嵌入式开发平台之连接,配合装置驱动程式之挂载,将使用者之心电讯号在平台的触碰式萤幕(Touch Panel)上显示。使用者也可将心电图波形携带至医院,让专业医师来诊断其是否有异常现象。

研究方法

本论文之系统架构由心电讯号感测元件(电极贴片)、心电讯号撷取之硬体电路(前端处理、储存装置)、USB 介面传输协定、系统平台(装置驱动程式挂载)、系统架构整合等四大部分整合组成。人体藉由电极贴片撷取微弱讯号至硬体电路之仪表放大器(AD620)做第一级放大,透过可程式系统晶片PSoC 其内部的滤波、第二级放大、A/D 转换等将讯号转换成USB 封包格式传送,经由USB 介面传送心电讯号至可携式行动平台做讯号之分析与显示。其系统架构图,如图1 所示。

基于USB传输之嵌入式生理量测系统研制

图 1 系统架构方块图

一、心电讯号感测元件

本系统架构主要量测之生理讯号为心电图(EleCTRocardiogram,ECG)讯号,透过心电讯号感测元件可量测使用者(User)心脏电位活动之变化并纪录,其变化经由感测元件转换成研究者可观测之讯号波形,而後更可依据波形产生之差异,进而得知受测者心脏方面的讯息(例如:心脏疾病),此接收到的讯号属於类比讯号。市面上有贩售许多不同厂牌的心电图电极贴片(ECG Electrode) , 我们使用的电极贴片是KENDALL 公司所生产的电极贴片, 其型号为:31078135。

心电图主要是纪录心脏向量投影至各导程之投影量变化。本论文中,我们应用3导程(3-Lead)方式来量测和纪录我们所需要的心电图波形,如图2 所示为使用3 导程电极贴片之放置示意图。

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图 2 使用3 导程电极贴片之放置示意图

由于送至硬体电路所需之心电讯号为差动讯号(Differential Signal),因此我们计算心电讯号的方式为:Lead III – Lead II,其求得的值为我们所需要之差动生理讯号。3 导程量测在灵敏度(接收讯号之难易度)方面较优於其它导程量测。本文所强调之重点在于硬体电路和系统平台,因此在量测方面较着重於量测之容易和便利性。

二、讯号撷取之硬体电路

可携性、体积小是近年来市面上热烈讨论之话题。USB 装置随插即用之便利性也不外乎是消费者所热爱追求的。基於以上的观点,我们所设计之硬体电路朝着体积小携带方便,以USB 装置为传输介面等方向来达成可携式USB 传输讯号之目标。如图3-1,3-2所示为硬体电路正反面之实体图。

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图 3-1 硬体电路正面实体图

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图 3-2 硬体电路反面实体图

硬体架构方面主要可分成四大部分来分析说明,第一部份为:仪表放大器,主要目的是用来做讯号处理的第一级放大,第二部份为:可程式系统晶片PSoC,主要使用之目的是用来做生理讯号处理之讯号滤波、第二级放大、A/D 转换等,第三部份为:USB介面传输协定分析。

第一部份应用仪表放大器之目的与说明

由於前端感测元件(电极贴片)所产生之差动讯号为微弱讯号,其讯号较不易让研究者做进一步分析观察,因此使用AD620 仪表放大器先针对微弱讯号做约500 倍的增益放大,其输出讯号进而再送至可程式系统晶片PSoC 做讯号处理,如图4 所示为使用者与仪表放大器连接之示意图。

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图 4 使用者与仪表放大器连接之示意图

连接说明:使用者左边胸部靠近心脏部位之电极贴片需连接至仪表放大器PIN 3 (+ IN)当作生理讯号源正端输入。使用者右边胸部与左边贴片对称之部位需连接至仪表放大器Pin 2 (-IN)当作生理讯号源负端输入。使用者左脚接地部位需连接至Pin 5(VREF)当作参考接地。RG 阻值大小可随意改变,变更其放大增益。Pin 7、4 需正确接上电源,才得以驱动仪表放大IC 晶片,最後输出讯号透过Pin 6 输出至下一级做讯号处理。

第二部份可程式系统晶片PSoC

经由仪表放大器放大波形至一定增益大小,其波形需再透过滤波器滤除杂讯、第二级放大、A/D 转换、资料型态转换等步骤後,才能将讯号资料送至系统平台做讯号处理或储存的动作。

可程式系统晶片(PSoC)所概括的讯号处理有:(1)类比讯号处理(2)数位讯号处理。在设计环境中,可以任意配置使用者所需之类比、数位区块模组。如图5-1,5-2 所示为类比、数位区块模组配置示意图。

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图 5-1 类比区块配置示意图

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