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嵌入式生理量测系统有什么优缺点？
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心电图
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。
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（2）
陈政竹
2020-3-9 11:07:20
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。
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。
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。
图 3-1 硬体电路正面实体图
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。
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。
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。
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。
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。
图 3-1 硬体电路正面实体图
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。
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。
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张红
2020-3-9 11:07:23
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。
图 5-1 类比区块配置示意图
图 5-2 数位区块配置示意图
本系统采用型号为CY8C24794 之PSoC 晶片，经由仪表放大器放大後之波形输入至PSoC 内部做讯号处理和转换。波形先经过低通滤波器(Low Pass Filter)将20Hz 以下之杂讯滤除，再通过高通滤波器(HighPass Filter)将180Hz 以上之杂讯滤除，由於会跨过电源频率60Hz，因此还需要使用陷波器将其杂讯滤除。滤除过後之讯号再透过放大器(PGA)做二级放大。处理过後之波形讯号透过ADCINC(A/D 转换模组)将类比讯号转换成数位讯号。选用此颗PSoC 晶片主要之目的是为了运用其USB 模组，透过USB 通讯协定设定，将心电讯号数据资料转换成USB 封包格式，利用USB介面传输把数据资料传送到系统平台或储存到储存装置。如图6 所示为运用USB 介面传输资料之示意图。
图6 运用USB 介面传输资料之示意图
第三部份 USB 介面传输协定分析
应用CY8C24794 晶片设计本系统之硬体架构，它提供了USB2.0 的传输速度。此颗IC 在USB 模组方面设计了USB Setup wizard 选单，使用者能新增移除选单上预设的描述元符号(Descriptor)、字串/语言特性(String/LANGID)和人机介面装置回报描述符号(HIDReport Descriptor)，如图7 所示为USB Setup wizard 设计介面。
图 7 USB Setup wizard 设计介面
USB 的传输方式可分为：控制、中断、等时和巨量等四种不同传输型态。资料传输可细分三大交易阶层：设置(Setup)、资料(Data)、状态(State)等。每个阶层可分类成三种封包型态：执照(Token)、资料(Data)、交握(Handshake)等。如图8 所示为USB 资料传输之树状结构。在自制板与主机端之间的传输中，当主机在设置阶层时，是以控制传输方式来达成。当主机与装置在进行资料交易时，是以中断传输方式来达成。
图 8 USB 资料传输之树状结构
如图9 所示，USB 资料传输型式是由主机端与装置端之间相互沟通，当装置(Device)连接主机 (Host)时，主机会先以预设位址0 (Addr )和端点0 (EP)向装置询问其为何种描述字元、装置型态和重新设定新的传送位址和端点，往後的资料传送都依据新的位址和端点来发送。确定好位址後，装置会将其列举资讯与HID 报告回报给主机端，当双方在传输协定上达成协议时，资料才能开始进行传送的动作。
图 9 装置连结主机相互沟通之方块图
主机端(PC、系统平台)传送讯息至装置端(自制板)是透过位址3 和端点4 来传输和要求资料。装置端是透过位址3 和端点3 来向主机传输和要求资料。我们设置讯框轮询时间(Interval)时间为5msec，而所量测的心电讯号经由PSoC 转换成USB 封包格式传送，每次传送2Bytes 心电讯号资料。心电讯号的取样率为240(sps)：每一秒取样240 个取样点。
三、系统平台
本文中的系统架构是以EDUKIT III Embest ARM开发平台为基础架构，再基础架构上整合开发心电图讯号量测系统。系统核心为S3C2410X ARM920T，在程式设计方面以Embedded Linux 来开发程式。然而如果要将心电图量测装置挂载至系统平台，需要撰写适合硬体装置之驱动程式才得以驱动运作。嵌入式Linux 下之设备驱动程式，是介於作业系统核心和硬体之间的介面，从应用程式层面来看硬体设备，其就像是一个设备档案，应用程式如要针对设备档案进行操作，只要像一般档案一样的操作方式即可达到读写和控制之目的。
图 10 驱动程式设计之流程
如图10 所示，当装置挂载至系统平台时，其设计流程可分为以下几个步骤：(1)透过Insmod 指令将kernel module 载入到kernel 的address space(2)对装置做初始化的动作(3)装置向主机注册成为装置节点(4)应用程式可透过驱动程式所提供的入口点(open、read、write、close、ioctl)询问主机是否可读取资料或装置是否可写入资料(5)装置向主机取消注册(6)清除装置(7)透过rmmod 指令卸载核心模组。以上说明为驱动程式设计之流程。
四、系统架构整合
如图11 为本论文之系统架构之整合。
如图11 系统架构整合图
实验结果
心电图讯号透过感测元件的撷取，再经由硬体装置的讯号转换，利用USB 介面传输讯号至电脑PC 上显示。如图12 所示为量测到的心电图讯号。
图 12 心电图讯号呈现
PQRST 特性说明：
P 波：心房去极化。QRS 波前会出现，P-P 心房之速率。
PR 区间：从心房去极化传到心室去极化。
QRS 波：心室的去极化。
ST 区间 (代表时间)：从QRS 的末端至T 波的开始。
T 波：心室的再极化。
QT 区间(代表时间)：从QRS 的开始至T 波的结束。
所量测之心电讯号能够在行动平台上呈现其结果，如图13（a）是连接到PC 端接收的软体执行结果，图13（b）是连接到嵌入式平台上应用软体执行结果。
图 13 心电讯号量测呈现於PC端软体介面与行动平台
结论
本论文提供使用者一套随身携带的心电图量测系统装置，整合了电极贴片、硬体电路(仪表放大器AD620、可程式系统晶片PSoC)、USB介面传输、嵌入式系统平台(或电脑)等。其主要目的是为了将心电图量测之应用扩展成为可携式行动平台(可针对运动者实施心跳的即时监控、针对老人做即时之健康照护)，希望对於使用者之健康状况能有多一份的保障。
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。
图 5-1 类比区块配置示意图
图 5-2 数位区块配置示意图
本系统采用型号为CY8C24794 之PSoC 晶片，经由仪表放大器放大後之波形输入至PSoC 内部做讯号处理和转换。波形先经过低通滤波器(Low Pass Filter)将20Hz 以下之杂讯滤除，再通过高通滤波器(HighPass Filter)将180Hz 以上之杂讯滤除，由於会跨过电源频率60Hz，因此还需要使用陷波器将其杂讯滤除。滤除过後之讯号再透过放大器(PGA)做二级放大。处理过後之波形讯号透过ADCINC(A/D 转换模组)将类比讯号转换成数位讯号。选用此颗PSoC 晶片主要之目的是为了运用其USB 模组，透过USB 通讯协定设定，将心电讯号数据资料转换成USB 封包格式，利用USB介面传输把数据资料传送到系统平台或储存到储存装置。如图6 所示为运用USB 介面传输资料之示意图。
图6 运用USB 介面传输资料之示意图
第三部份 USB 介面传输协定分析
应用CY8C24794 晶片设计本系统之硬体架构，它提供了USB2.0 的传输速度。此颗IC 在USB 模组方面设计了USB Setup wizard 选单，使用者能新增移除选单上预设的描述元符号(Descriptor)、字串/语言特性(String/LANGID)和人机介面装置回报描述符号(HIDReport Descriptor)，如图7 所示为USB Setup wizard 设计介面。
图 7 USB Setup wizard 设计介面
USB 的传输方式可分为：控制、中断、等时和巨量等四种不同传输型态。资料传输可细分三大交易阶层：设置(Setup)、资料(Data)、状态(State)等。每个阶层可分类成三种封包型态：执照(Token)、资料(Data)、交握(Handshake)等。如图8 所示为USB 资料传输之树状结构。在自制板与主机端之间的传输中，当主机在设置阶层时，是以控制传输方式来达成。当主机与装置在进行资料交易时，是以中断传输方式来达成。
图 8 USB 资料传输之树状结构
如图9 所示，USB 资料传输型式是由主机端与装置端之间相互沟通，当装置(Device)连接主机 (Host)时，主机会先以预设位址0 (Addr )和端点0 (EP)向装置询问其为何种描述字元、装置型态和重新设定新的传送位址和端点，往後的资料传送都依据新的位址和端点来发送。确定好位址後，装置会将其列举资讯与HID 报告回报给主机端，当双方在传输协定上达成协议时，资料才能开始进行传送的动作。
图 9 装置连结主机相互沟通之方块图
主机端(PC、系统平台)传送讯息至装置端(自制板)是透过位址3 和端点4 来传输和要求资料。装置端是透过位址3 和端点3 来向主机传输和要求资料。我们设置讯框轮询时间(Interval)时间为5msec，而所量测的心电讯号经由PSoC 转换成USB 封包格式传送，每次传送2Bytes 心电讯号资料。心电讯号的取样率为240(sps)：每一秒取样240 个取样点。
三、系统平台
本文中的系统架构是以EDUKIT III Embest ARM开发平台为基础架构，再基础架构上整合开发心电图讯号量测系统。系统核心为S3C2410X ARM920T，在程式设计方面以Embedded Linux 来开发程式。然而如果要将心电图量测装置挂载至系统平台，需要撰写适合硬体装置之驱动程式才得以驱动运作。嵌入式Linux 下之设备驱动程式，是介於作业系统核心和硬体之间的介面，从应用程式层面来看硬体设备，其就像是一个设备档案，应用程式如要针对设备档案进行操作，只要像一般档案一样的操作方式即可达到读写和控制之目的。
图 10 驱动程式设计之流程
如图10 所示，当装置挂载至系统平台时，其设计流程可分为以下几个步骤：(1)透过Insmod 指令将kernel module 载入到kernel 的address space(2)对装置做初始化的动作(3)装置向主机注册成为装置节点(4)应用程式可透过驱动程式所提供的入口点(open、read、write、close、ioctl)询问主机是否可读取资料或装置是否可写入资料(5)装置向主机取消注册(6)清除装置(7)透过rmmod 指令卸载核心模组。以上说明为驱动程式设计之流程。
四、系统架构整合
如图11 为本论文之系统架构之整合。
如图11 系统架构整合图
实验结果
心电图讯号透过感测元件的撷取，再经由硬体装置的讯号转换，利用USB 介面传输讯号至电脑PC 上显示。如图12 所示为量测到的心电图讯号。
图 12 心电图讯号呈现
PQRST 特性说明：
P 波：心房去极化。QRS 波前会出现，P-P 心房之速率。
PR 区间：从心房去极化传到心室去极化。
QRS 波：心室的去极化。
ST 区间 (代表时间)：从QRS 的末端至T 波的开始。
T 波：心室的再极化。
QT 区间(代表时间)：从QRS 的开始至T 波的结束。
所量测之心电讯号能够在行动平台上呈现其结果，如图13（a）是连接到PC 端接收的软体执行结果，图13（b）是连接到嵌入式平台上应用软体执行结果。
图 13 心电讯号量测呈现於PC端软体介面与行动平台
结论
本论文提供使用者一套随身携带的心电图量测系统装置，整合了电极贴片、硬体电路(仪表放大器AD620、可程式系统晶片PSoC)、USB介面传输、嵌入式系统平台(或电脑)等。其主要目的是为了将心电图量测之应用扩展成为可携式行动平台(可针对运动者实施心跳的即时监控、针对老人做即时之健康照护)，希望对於使用者之健康状况能有多一份的保障。
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