基于嵌入式技術(shù)的監(jiān)護系統(tǒng)研究與設(shè)計

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市化進程的日益加速、人們生活節(jié)奏的不斷加快，越來越多的人們開始感到自己的健康每況愈下，很多人直至病情突發(fā)才明白。據(jù)報道，我國絕大多數(shù)人都處于亞健康狀態(tài)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，16/32位CPU的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的生理信號監(jiān)護儀的CPU系統(tǒng)也在逐漸的由8位CPU向更高位數(shù)的處理器發(fā)展。隨著監(jiān)護儀功能的強大，對數(shù)據(jù)處理速度的要求越來越高，使得8位CPU的發(fā)展受到了限制，16/32位CPU可以在遠(yuǎn)高于8位CPU的時鐘頻率下正常工作，數(shù)據(jù)一次性吞吐量大，處理器的價格卻在下降，16/32位CPU開始被廣泛應(yīng)用于生理信號監(jiān)護儀中。

該監(jiān)護系統(tǒng)采用了ARM7系列芯片中的LPC2292嵌入式微處理器，主要用來測量人體的生理參數(shù)，如：心電圖、血壓、血氧飽和度、體溫等。因為系統(tǒng)需要采集、處理大量的數(shù)據(jù)信息，而在CPU上用單任務(wù)的軟件來處理這些數(shù)據(jù)信息是很難的，甚至是不可能的。因此在設(shè)計中選用可同時處理多任務(wù)的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。其提供了安全可靠的操作系統(tǒng)平臺，縮短了開發(fā)周期。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

ARM 7系列芯片LPC2292最小系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 ARM 7系列芯片LPC2292最小系統(tǒng)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

由圖2可看出整個系統(tǒng)以ARM 7系列芯片LPC2292為核心，在其外圍擴展一些外圍電路，從而實現(xiàn)了對人體生理參數(shù)：心電、血壓、血氧飽和度、體溫的安全檢查。系統(tǒng)通過心電模塊、血壓模塊、血氧飽和度模塊、體溫模塊采集人體的生理參數(shù)、調(diào)理電路對這些信號進行濾波和放大，LPC2292自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將傳輸過來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后人體的各參數(shù)指標(biāo)通過LCD顯示。

2.1 ARM系統(tǒng)模塊

ARM系統(tǒng)是這個系統(tǒng)的控制中心，主要完成運算、控制、管理等工作，是系統(tǒng)工作的核心模塊。該系統(tǒng)采用的ARM 7系列芯片LPC2292，他是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位CPU，并帶有256 kb嵌入的高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使2位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。由于LPC2292的144腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、8路10位ADC、2路PWM通道以及多達9個外部中斷使他們特別適用于醫(yī)療系統(tǒng)、汽車、工業(yè)控制應(yīng)用以及容錯維護總線。

2.2 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊主要完成數(shù)據(jù)顯示、輸出數(shù)據(jù)與顯示數(shù)據(jù)的同步等功能。由于LPC2292中沒有液晶控制器的功能模塊，如果所選擇的液晶屏內(nèi)部也沒有液晶控制器，那么，要使CPU可以對液晶進行控制，就必須加設(shè)計一個液晶驅(qū)動控制電路。因此本系統(tǒng)中選擇自帶控制器的液晶屏HLM6323。他是5英寸偽彩液晶屏，像素是320×240點陣，每個點需要RGB三色數(shù)據(jù)，每種色需要1個字節(jié)數(shù)據(jù)表示。而設(shè)計要求需要連續(xù)觀看圖圖像，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需要每秒鐘25幀圖像，那么每秒至少需要傳輸數(shù)據(jù)為25×8×320×240=15 360 000位數(shù)據(jù)，若選用串行傳輸，則需要4.6 Mb/s的串行傳輸速度，但是遺憾的是，沒有任何一種串行標(biāo)準(zhǔn)傳輸大于這個速度，因此，勢必需要選擇并行的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 報警模塊

當(dāng)測得的生理參數(shù)，如心電、血壓、血氧飽和度、體溫超過預(yù)設(shè)的正常值，則產(chǎn)生報警，提醒患者趕緊進行治療或醫(yī)護人員需進行搶救措施。

2.4 FLASH數(shù)據(jù)存儲器以及USB接口

為了能夠確保實時數(shù)據(jù)的保存，以及提取，從而設(shè)計此模塊。本系統(tǒng)中選擇NAND08GW3D2系列的存儲器芯片。由于該芯片不同存儲密度器件引腳一致，因此系統(tǒng)可以在電路不做改動的情況下升級為高容量存儲器件。通過USB設(shè)備接口芯片ISP1161A1擴展出一個USB的設(shè)備接口。通過該USB接口，可以實現(xiàn)將監(jiān)護系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)上傳到PC機，PC機也可以通過該接口下載程序到LPC2292處理器的存儲器中。

2.5 系統(tǒng)電源

電源設(shè)計是一個系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵部分，對于整個系統(tǒng)，一個穩(wěn)定的、具有一定功率的電源和合理的電源管理是必不可少的。本系統(tǒng)有以下幾種電源：CPU的內(nèi)核數(shù)字和模擬電源電壓+1.8 V，CPU的I/O口數(shù)字和模擬電源電壓+3.3 V、總線的隔離電源、LCD的驅(qū)動電源、LCD的背光逆變電源、其他外圍設(shè)備電源電壓+5 V等電源。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括ARM的應(yīng)用程序的開發(fā)和μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植2個基本部分。ARM的應(yīng)用程序主要包括LCD顯示程序、FLASH存儲程序、USB通信程序、鍵盤掃描程序、A/D程序和報警程序等。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是協(xié)調(diào)LPC2292對程序的任務(wù)管理和調(diào)度。整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 整個系統(tǒng)的軟件流程圖

3.1 LCD驅(qū)動軟件的設(shè)計思想

LCD驅(qū)動軟件的功能是完成數(shù)據(jù)最終輸出顯示，其主要軟件流程有數(shù)據(jù)的收發(fā)、LCD上按鍵的讀取、LCD掃描等。數(shù)據(jù)收發(fā)是為了完成數(shù)據(jù)與CPU、LCD液晶顯示器進行數(shù)據(jù)的傳輸，CPU通過驅(qū)動芯片向LCD輸送數(shù)據(jù)，而LCD要向CPU返回響應(yīng)數(shù)據(jù)等。為了增強人機界面的可讀性，在LCD上設(shè)置了幾個按鍵，當(dāng)有按鍵反應(yīng)時，應(yīng)當(dāng)向CPU發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)，并且可以通過按鍵對LCD的顯示界面設(shè)置和對其他系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。LCD的掃描是為了保證顯示不出現(xiàn)明顯間斷、不出現(xiàn)花屏現(xiàn)象，在出現(xiàn)花屏現(xiàn)象時能夠進行準(zhǔn)確的錯誤響應(yīng)。其中的按鍵設(shè)計沒有給每個按鍵使用硬件中斷，因為在本系統(tǒng)中，LCD顯示驅(qū)動的任務(wù)優(yōu)先級在應(yīng)用程序中是最高的，按鍵統(tǒng)一使用一個硬件外部中斷，然后用軟件對按鍵進行軟件中斷安排，確定軟件優(yōu)先級;另一個原因由于按鍵較多，沒有足夠的硬件中斷設(shè)置為按鍵中斷，如果設(shè)置為中斷擴 展，除了要進行硬件的擴展，還要進行軟件擴展，將浪費很多資源。

本設(shè)計中，LCD的驅(qū)動需要編寫2個文件，其中一個是C語言文件，另一個是C語言頭文件。C語言文件是通信接口協(xié)議文件，需要與其他模塊進行數(shù)據(jù)的交換。而頭文件是設(shè)計一些LCD基本參數(shù)，在系統(tǒng)運行中，這些參數(shù)基本不變。

3.2 USB通信軟件的設(shè)計思想

本系統(tǒng)設(shè)計的USB通信軟件通過中斷響應(yīng)來實現(xiàn)，這樣做的目的是CPU在沒有USB設(shè)備或者不需要USB設(shè)備時，可以進行其他工作，節(jié)省CPU和操作系統(tǒng)的資源。其有利于保護CPU。

3.3 FLASH讀寫操作軟件的設(shè)計思想

整個程序文件包括芯片的擦除、芯片的寫入和讀取、數(shù)據(jù)的效驗等幾個部分。擦除是為了存儲器能夠進行重復(fù)利用而不更換芯片;芯片的寫入和讀取是整個文件的中心，負(fù)責(zé)存儲器的數(shù)據(jù)的寫入，在適當(dāng)時候要讀取數(shù)據(jù);效驗是為了保證數(shù)據(jù)的正確，在錯誤時需要報警。

本設(shè)計中，存儲器有3個存儲器地址入口，所有的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過這3個地址入口，因此，必須保證此3個地址入口在任何時刻都沒有與其他地址發(fā)生地址交叉的狀況。

3.4 μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植

μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實時內(nèi)核(RTOS)，適合應(yīng)用于各種微處理器和微控制器。其性能足可以媲美于各種商用內(nèi)核，在某些方面表現(xiàn)更佳。所有代碼都是采用ANSI的C語言編寫，故具有良好的可移植性。

μC/OS-Ⅱ不像其他實時操作系統(tǒng)，他提供給用戶的是一個標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，程序開發(fā)人員利用操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)進行應(yīng)用程序的開發(fā)。要想在μC/OS-Ⅱ內(nèi)核上進行應(yīng)用程序的開發(fā)，就需要程序開發(fā)人員在實時內(nèi)核基礎(chǔ)上建立自己的實時操作系統(tǒng)。首先，把μC/OS-Ⅱ移植到自己的硬件目標(biāo)板上，寫出相應(yīng)的驅(qū)動程序以及用戶圖形界面等;在這些接口函數(shù)之上，加上用戶自己的應(yīng)用程序，就構(gòu)成了嵌入式軟件。

μC/OS-Ⅱ的移植條件是：處理器C編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼;處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時中斷;用C語言可以開、關(guān)中斷;處理器支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧;處理器有將堆棧指針及其他CPU寄存內(nèi)容讀出，并保存到堆?；騼?nèi)存中的指令這5個方面的要求。Philips公司LPC2292芯片和ADS1.2的C編譯器一起可以滿足上述5個條件，因此本設(shè)計是完全可以移植操作系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的功能。

μC/OS-Ⅱ軟件的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 μC/OS-Ⅱ軟件的體系結(jié)構(gòu)

雖然μC/OS-Ⅱ大部分源代碼是用C語言寫的，但是完成和處理器有關(guān)的一些代碼時，還是必須要用匯編語言來實現(xiàn)的。寄存器的讀、寫只能通過匯編語言的存儲和加載指令實現(xiàn)。

移植μC/OS-Ⅱ到一個新的體系結(jié)構(gòu)上需要對如下3個文件進行修改：

(1)c語言頭文件OS-CPU.H;

(2)C語言源文件OS-CPU.C;

(3)匯編源文件程序OS-CPU-A.ASM。

4 結(jié) 語

該人體生理參數(shù)監(jiān)護系統(tǒng)在基于ARM7微處理器的硬件平臺上實現(xiàn)，采用當(dāng)前流行的μC/OS-Ⅱ?qū)崟r多任務(wù)操作系統(tǒng)，能實時檢測用戶的心電、血壓、血氧飽和度和體溫，并能對其進行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出現(xiàn)異常時，能自動報警使用戶得到及時救治。該系統(tǒng)可擴展性比較高，可根據(jù)需要直接在該系統(tǒng)上進行擴展，使其具有GPS，GPRS，CDMA功能的遠(yuǎn)程人體生理參數(shù)監(jiān)護儀。