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醫(yī)生pda遠(yuǎn)程無線心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)-資料下載頁

2025-06-07 09:04本頁面
  

【正文】 電數(shù)據(jù)包是實時監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù) (Y)還是歷史心電數(shù)據(jù) (N)。 圖 心電數(shù)據(jù)包頭部節(jié)區(qū)報文格式 數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)長度( length): 2Bytes 長度,說明心電數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)的長度, 單位為 Byte。數(shù)據(jù)節(jié)區(qū)長度最大不超過 65535Bytes。 導(dǎo)聯(lián)數(shù)( nosig): 1Bytes 長度,可為 3 或者 12。 數(shù)據(jù)流水號( serial number): 4Bytes 長度。無論是實時監(jiān)護(hù)還是歷史數(shù)據(jù)下載,第一個心電數(shù)據(jù)包的流水號編為零,然后依次遞增。 心電數(shù)據(jù)由醫(yī)院心電信息中心打包后發(fā)出, PDA 心電遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)軟件在數(shù)據(jù)接收 線程中完成心電數(shù)據(jù)包的接收與解包,流程如圖 所示。 2) 數(shù)據(jù)發(fā)送速度 數(shù)據(jù)的發(fā)送速率是指心電服務(wù)中心通過 InterCDMA 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)速率。對于實時監(jiān)控,我們希望 PDA 與心電服務(wù)中心盡量同步。我們移動終端的數(shù)據(jù)采集頻率為 400HZ, AD 轉(zhuǎn)換位數(shù) 8 位,每秒鐘的數(shù)據(jù)量為: 4008= 3200 (bit),因此實時監(jiān)護(hù)時速率為 。如果同時監(jiān)護(hù)三位病人,每秒鐘需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為 。 CDMA 1X 理論帶寬可達(dá) 300kb/s,目前的實際應(yīng)用帶寬大約在 100kb/s 左右(雙向?qū)ΨQ傳輸),是完全可以滿足這樣的傳輸要求的。在實際發(fā)送時,考慮到 PDA 的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示要求,以及 TCP/IP 包的傳輸效長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 21 率,我們每隔 500ms 發(fā)送一次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量為 500ms 內(nèi)的采樣數(shù)據(jù) 200Bytes,即每個 IP 包大小為 200 多 Bytes。如果 IP 包太小,發(fā)送太頻繁, PDA 的接收也太頻繁,會消耗處理器資源;并且,實際數(shù)據(jù)過小的 IP 包,加上心電數(shù)據(jù)頭部節(jié)區(qū),包的傳輸效率就會很低。如果 IP 包過大,接收延遲會比較大。 而對于歷史心電數(shù)據(jù)下 載,我們希望能夠數(shù)據(jù)在盡量短的時間內(nèi)下載完,因此,采用的策略是:一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)送 socket 的發(fā)送緩沖區(qū)有空余,就用 send()函數(shù)將其填滿。這樣可以保證數(shù)據(jù)發(fā)送速度是現(xiàn)有處理器、網(wǎng)絡(luò)狀況可接受的范圍內(nèi)最快的。 IP 包的大小采用較大的 800Bytes,以提高包的傳輸效率。 3)阻塞處理 在實際測試過程中,發(fā)現(xiàn)在 ecg 數(shù)據(jù)的傳輸過程中,會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象,而且長時間不能恢復(fù)。究其原因,一般來說擁塞可由以下原因引起:存儲空間不足;傳輸過程本身的問題;處理器速度能力弱,處理速度慢等。第一種原因可以被排除;而第 三種原因,我們在測試中發(fā)現(xiàn),對于一個 200 個字節(jié)的心電數(shù)據(jù)包, PDA 對其進(jìn)行相關(guān)處理大概要耗費 22~28ms 的時間。而以采樣頻率為 400HZ 計,每兩個包的發(fā)送間隔時間為 500ms。因此,這種原因也可以排除;由此我們推測,擁塞是由傳輸過程本身引起。 TCP/IP 的超時重傳機(jī)制保證了較好的安全性與可靠性,但也帶來了較大的系統(tǒng)開銷。擁塞一旦發(fā)生,往往會不斷加重,形成一個惡性循環(huán)。如果路由器沒有空余的緩存,那么它就必須丟棄新到的數(shù)據(jù)包。當(dāng)數(shù)據(jù)包被丟棄時,源端會因超時而重傳該包。由于沒有得到確認(rèn),源端 只能保留數(shù)據(jù)包,結(jié)果緩存會進(jìn)一步消耗,并加重?fù)砣H? 節(jié)中所述, TCP/IP 協(xié)議所采用的一種和式增加積式減少的基于窗口的端到端擁塞控制機(jī)制,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀況較差時,擁塞窗口持續(xù)地指數(shù)式減少,而 增大很緩慢。在測試中也證明了這一點,當(dāng)持續(xù)一段時間收不到心電數(shù)據(jù)時,通訊便好像停滯了一般,很長時間都無法恢復(fù)。 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 22 圖 數(shù)據(jù)接收線程流程圖 對于應(yīng)用層協(xié)議來說, TCP/IP 的擁塞控制機(jī)制是無法修改的(而且它已經(jīng)被證明是目前的擁塞控制機(jī)制中很精巧的一種了)。經(jīng)過測試和思考,我們制定的應(yīng)用層的擁塞處理辦法( 見圖 ):當(dāng)心電信息中心發(fā)現(xiàn)很多次發(fā)送數(shù)據(jù)都失敗后(比如說六十次),發(fā)信息通知 PDA 端; PDA 端關(guān)閉連接 socket,切斷通訊連接,并通知心電信息中心已經(jīng)做好重新連接的準(zhǔn)備;心電信息中心重新發(fā)起連接請求;連接重新建立,繼續(xù)心電數(shù)據(jù)的傳輸。通過這種方法,使得通信過程可以從擁塞避免階段脫離出來,重新進(jìn)入慢啟動階段,在這一階段擁塞窗口是指數(shù)增長而不是緩慢的線性增長。這一策略在實際測試中被證明效果良好。 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 23 圖 阻塞處理流程圖 Socket 編程實現(xiàn) TCP/IP通信 TCP/IP 協(xié)議的 核心部分是傳輸層協(xié)議 (TCP、 UDP),網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 (IP)和物理接口層,這三層通常是在操作系統(tǒng)內(nèi)核中實現(xiàn),用戶一般不涉及 [17]。編程時,編程界面有兩種形式:一、由內(nèi)核心直接提供的系統(tǒng)調(diào)用;二、使用以庫函數(shù)方式提供的各種函數(shù)。前者為核內(nèi)實現(xiàn),后者為核外實現(xiàn)。用戶服務(wù)要通過核外的應(yīng)用程序才能實現(xiàn),所以要使用套接字 (socket)來實現(xiàn)。所謂的 Socket 是應(yīng)用層與 TCP/IP 協(xié)議族通信的中間軟件抽象層,它是一組接口。在設(shè)計模式中, Socket 其實就是一個門面模式,它把復(fù)雜的 TCP/IP 協(xié)議族隱藏在 Socket 接口后面,讓 Socket 去組織數(shù)據(jù),以符合指定的協(xié)議。這種模式大大減少了程序設(shè)計人員的工作量。 Socket 與 TCP/IP、應(yīng)用協(xié)議層之間的關(guān)系如圖 所示: 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 24 圖 TCP/IP 協(xié)議、 Socket、應(yīng)用程序間的關(guān)系 Socket 有五種不同的類型,其中最常用的是流式套接字 (stream socket)和數(shù)據(jù)報套接字。流式套接字使用 TCP 協(xié)議,提供了雙向、有序的、無重復(fù)的以及無記錄邊界的數(shù)據(jù)流服務(wù),適合處理大量數(shù)據(jù)。它是面向聯(lián)結(jié)的,必須建立數(shù)據(jù)傳輸鏈路,同時還必須對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行驗證,確保數(shù)據(jù) 的準(zhǔn)確性。因此,系統(tǒng)開銷較大; 數(shù)據(jù)報套接字使用 UDP 協(xié)議,也支持雙向的數(shù)據(jù)流,但不保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,但保留了記錄邊界。由于數(shù)據(jù)報套接字是無聯(lián)接的,例如廣播時的聯(lián)接,所以并不保證接收端是否正在偵聽。數(shù)據(jù)報套接字傳輸效率比較高。在本文中,保證心電數(shù)據(jù)的完整性非常重要,心電波形關(guān)鍵片段的遺失將會嚴(yán)重影響醫(yī)生的判斷,因此選用了流式套接字(也就是面向連接的套接字)。 Socket 通信流程 在 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,通信的兩個進(jìn)程間相互作用的主要模式是客戶 /服務(wù)器模式( Client/Server model),服務(wù)端偵聽客戶端的連接請求,一旦客戶端發(fā)出連接請求,服務(wù)程序就為每個客戶提供服務(wù),比如創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理線程。 Client/Server 模式的 Socket 通信簡要流程如圖 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 25 圖 面向連接的套接字通訊流程圖 Socket 通信的多線程實現(xiàn) 為了避免阻塞,提高通信性能, socket 通信往往通過多個線程來實現(xiàn)。以本文中的心電數(shù)據(jù)傳輸為例, PDA 端需要每隔一段時間就去偵聽是否有連接請求,如果通過主線程中的循環(huán)來實現(xiàn),勢必造成主線程的阻塞,因此專門建立一個偵聽線程是有必要的( 也可以用異步 select 模式來實現(xiàn),但 Windows CE并不支持這一模式);每一個連接請求被允許(即一個新的連接被建立時),也必須建立一個新線程來管理這一連接,接收 ecg 數(shù)據(jù)包并通知主線程;由主線程來完成對接收到的心電信息的處理,如圖 。 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 26 圖 Socket 通訊的多線程實現(xiàn) 對于多線程程序設(shè)計來說,線程間的同步與異步控制是不可回避的工作,也是成敗的關(guān)鍵。線程同步是指線程之間所具有的一種制約關(guān)系,一個線程的執(zhí)行依賴另一個線程的消息,當(dāng)它沒有得到另一個線程的消息時應(yīng)等待,直到消息到 達(dá)時才被喚醒;線程互斥是指對于共享的資源在各線程訪問時的排它性。當(dāng)有若干個線程都要使用某一共享資源時,任何時刻最多只允許一個線程去使用,其它要使用該資源的線程必須等待,直到占用資源者釋放該資源。在實際程序設(shè)計中,要盡量減少線程間共享資源,以減少線程互斥控制的復(fù)雜度,同時也減少線程等待資源的時間。基于這一考慮,將 ecg 數(shù)據(jù)的實時濾波工作放在主線程中完成,這樣放置心電數(shù)據(jù)的環(huán)形緩沖區(qū) m_loop_rev_buf、 m_loop_ana_buf 成為主線程的獨享資源,而不需被主線程和數(shù)據(jù)接收線程分享。 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 27 結(jié) 論 本文結(jié)合實際項目講述了 PDA 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程,從需求分析方案,系統(tǒng)總體和功能模塊設(shè)計,各種算法的實現(xiàn)都做了較詳細(xì)的敘述。論文首先介紹了 PDA 遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)軟件系統(tǒng)的功能需求和總體框架,然后介紹了系統(tǒng)的通信模塊和通信協(xié)議,包括自行設(shè)計的應(yīng)用層 PDA心電信息中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議。接著論文分章講述了心電信號檢測的電路設(shè)計和單片機(jī)數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵或創(chuàng)新之處只要是選用超低功耗 8 位單片機(jī) AT89C52,作為心電監(jiān)護(hù)儀的 MCU。該單片機(jī)具有功耗低、體積小等特點。外部 I/0 端口 32 個。在大容量數(shù)據(jù)存貯器上,我們選用低功耗大容量的 Flash 存貯芯片 DA28F640,另外,考慮到閃速存儲器的壽命問題,因此擴(kuò)展了一片 6264 作為數(shù)據(jù)緩沖器。另外選用了一個 12 位 A /D 轉(zhuǎn)換器來完成數(shù)據(jù)的采集工作。 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文 28 參考文獻(xiàn) [1] 袁少應(yīng) .心電圖診斷基礎(chǔ)知識 .天津科學(xué)計數(shù)出版社 . 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