基于STM32的健康一体机控制系统的设计

基于STM32的健康一体机控制系统的设计摘要：设计与实现了一种基于STM32芯片、用于居家环境下的健康一体机控制系统。该系统由电源管理模块、蓝牙模块、SD卡模块、OLED显示模块等几部分组成，可以用于控制与处理多生理参数模块采集到的心电、血氧饱和浓度、血压、脉搏率、呼吸率、体温等人体生理信息数据，并且可以对数据解析进行OLED屏显示以及通过蓝牙或串口发送给外界显示设备进行显示。系统利用模块化设计理念，可以适应不同多生理参数采集模块，具有多功能、扩展性能好、可移植性高等特点。同时，系统利用OLED屏进行显示，区别于传统的医用大型设备，有效地减小了设备体积，降低了设备使用功耗，便于居家环境下使用。关键词：多参数;STM32;数据协议;OLED人体各项生理参数反映着人体健康方面的信息，近年来，人们的医疗观念逐渐从传统的疾病治疗向早期预防和保健护理方面转变，希望能够在家中方便及时地了解病人、老年人和儿童等家庭成员的身体状况，甚至希望在无人看管的情况下能够随时监护病人的健康状态，实现对亚健康、潜伏性疾病人群的常见疾病、突发疾病的早期发现和预测[1]。因此，一款便于携带、操作简便、适宜家庭用户使用的并且可以用于健康信息监测的智能化、个性化的健康采集和管理终端——基于STM32控制系统的健康一体机成为了市场的迫切需求。本控制系统可以控制多生理参数模块检测人体的某些重要的生理参数,如心电(ECG)、血氧饱和度(SPO2)、呼吸(RESP)、无创血压(NBP(收缩压、平均压和舒张压))、体温(Temp)以及脉搏(Pulse),能够在居家环境下通过OLED屏幕实时显示测量结果，通过电视机顶盒与电视机连接实时显示测量结果，也可以连接电脑、智能手持终端显示测量结果。该系统通过有线和无线传输方式实现与计算机通信，可以把测量到的数据发送到数据库中，同时也可以储存到MicroSD卡中，以便日后医生诊断用户病情时作为一定的参考[2]。由控制系统组成的健康一体机的使用环境为居家环境，如家中客厅的沙发茶几以及卧室中的床头柜均可以摆放该设备。对于家庭用户来说,该设备连接方式简单，便于操作且易于摆放，从而区别于传统的参数单一、功能简单、体积较大而又仅限于在医院使用的大型医用设备[3]。1控制系统的总体设计健康一体机控制系统以STM32芯片为控制核心，由电源管理模块、蓝牙模块、RS232通信模块、SD卡模块、OLED显示模块等组成,其整体架构。控制系统与外部显示设备的连接分为有线和无线方式，有线方式下使用RS232串口，无线方式下使用蓝牙方式。数据实时显示分为独立屏和外接设备显示，独立显示采用了OLED屏，外界显示为PC、电视机连接机顶盒、智能手持终端等方式。2控制系统的硬件电路设计与软件设计2.1芯片选择本系统选用意法半导体STM32F103VCT6芯片为主控芯片，该芯片以ARMCortex-M3为内核，是32bit芯片，时钟频率为72MHz，从而区别于功能简单的8bit单片机。专门应用于对性能要求较高、成本要求较低以及低功耗的场合,是一款在医疗设备里比较常用的芯片[4]。2.2控制系统的硬件设计本系统通过控制与接收多生理参数采集模块采集到的生理信号数据，通过串行通信2口传送到主控芯片，主控芯片对数据进行解析，然后通过控制OLED显示屏进行测量结果显示，或通过有线、无线方式传送到显示终端。同时，将采集到的数据通过SD卡电路部分保存到MicroSD卡中，方便用户数据的拷贝和查看。模块程序下载同时设计JTAG下载和串口下载两种方式，通过BOOT位进行设定。模块装有3V备份电池，为RTC时钟提供备份电源，能保障系统断电后时钟数据恢复正常。图2所示为控制及数据处理模块的部分硬件电路。控制系统采用12V直流电源，通过电源管理模块控制继电器吸合，同时ASM1117-5、ASM1117-3.3两款芯片可以提供12V、5V、3.3V直流电压。其中，12V用于多生理参数采集模块和OLED显示模块，5V用于RS232串口模块，3.3V电源供给主控芯片、蓝牙模块以及MicroSD卡模块。同时,控制系统具备12V锂电池充电电路,可以在不使用外界电源情况下单独使用锂电池为控制系统供电。电源部分硬件电路。2.3控制系统软件设计系统软件部分是在KEILMDKforARM开发平台下进行开发和调试的。该软件是由德国KEIL公司开发，针对各种嵌入式应用推出的。系统软件流程。首先控制系统通过时钟配置以及串口1、串口2、OLED屏和GPIO口等初始化，开启系统中断进行中断检测，然后控制多生理参数模块通过体温探头、血压袖带、血氧探头、心电导联线分别对体温、血压、血氧、心电等生理信号进行采集，再通过多参数生理采集板上的相应模块对采集到的信号进行分析和处理[5]。控制系统通过串口2采集到生理信号数据，当检测到串口发送过来数据，中断响应，依据数据协议进行数据解析，把解析出来的生理参数数据通过OLED屏以每5s一次的切屏显示，同时把测得的数据发送到MicroSD卡当中进行存储。同时，通过UART1把所接收到的数据发送到RS232串口或蓝牙模块，进而通过有线或无线数据传输,把数据发送给外部设备进行显示。2.4串口数据包格式数据包由1B包类型ID字节、N(N≤8)B数据+1B校验和构成。包的最大长度为10B(包含包类型ID和校验和)，数据的最大长度为8B。数据由数据头和N-1个数据构成。数据包格式。包类型ID的最高位Bit7为0，数据和校验和的最高位Bit7为1。所有包的数据头依次包含数据字节的最高位，如：数据头的Bit0为数据1的Bit7，数据头的Bit1为数据2的Bit7。2.5控制系统的OLED显示部分设计该控制系统使用1.54英寸128×64像素的OLED屏进行显示，区别于传统的LCD液晶屏，OLED显示屏幕可视角度大，显示清晰，并且能够显著节省电能，降低了系统功耗。鉴于显示内容多，且为了便于查看测量结果，测量结果采用分屏间隔显示设计。机器开启时屏幕显示时间日期等信息，便于观察测量时间。测得具体参数时便切换到对应屏幕。图6为OLED屏幕显示的一组测试数据信息。3控制系统性能测试及总结根据以上控制系统的设计方案制作了健康一体机样机。对样机性能进行测试分析，使用医疗器械检测部门常用的模拟设备(Fluke多生理参数模拟仪、Fluke血氧模拟仪、BP-2L血压模拟仪等)对样机参数进行测试对比，得到的数据。对样机功能经过各项指标测试，结果显示，该样机稳定性良好，测量数据符合标准。此外，对蓝牙连接方式和RS232连接方式分别接外部显示设备测试，通过与OLED显示结果对比发现，其发送数据准确，外部显示设备稳定。因此，基于控制系统设计的健康一体机工作性能稳定，符合预期设计要求。该样机对于家庭用户来说设备连接方式简单，便于操作，而且易于摆放，具有广泛的应用前景。