嵌入式系統(tǒng)及其在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識(shí)系統(tǒng)。

文中介紹了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展，提出了在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)遵循的原則，并介紹了嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，反映當(dāng)代最新技術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今非常熱門的研究領(lǐng)域，在PC市場(chǎng)已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展。根據(jù)美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報(bào)道，在21世紀(jì)初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求量具有比PC市場(chǎng)大10～100倍的商機(jī)。

有機(jī)構(gòu)估計(jì)，全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)將超過1萬億美元。隨著技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規(guī)模集成電路、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統(tǒng)80%的工作量。嵌入式系統(tǒng)不同于一般PC 機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)，即使是針對(duì)不同的具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)之間的差別也很大。嵌入式系統(tǒng)一般功能單一、簡(jiǎn)單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多?？梢哉f，嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術(shù)。

嵌入式系統(tǒng)歷史及發(fā)展趨勢(shì)

事實(shí)上，在很早以前，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于對(duì)電子機(jī)械電話交換的控制，當(dāng)時(shí)被稱為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”（Stored Program Control）。
　　
嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)，計(jì)算機(jī)廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各式I/O插件板，從而構(gòu)成專用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。
　　
為靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機(jī)。流行的單板計(jì)算機(jī)有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設(shè)計(jì)一臺(tái)專用的嵌入式計(jì)算機(jī)，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購(gòu)最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就能形成新的系統(tǒng)，因此希望插件相互兼容，從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器，即俗稱的單片機(jī)，成為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平，并迅速滲入到消費(fèi)電子、醫(yī)療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。
　　
20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國(guó)市場(chǎng)上掌上電腦不過四五個(gè)品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來。此外，Nokia推出了智能電話，西門子推出了機(jī)頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。21世紀(jì)無疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿薮?，其?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/醫(yī)療儀器">醫(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的定義及分類

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等部分組成（見圖１），用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I／O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。
嵌入式系統(tǒng)通常可按圖２分類。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、交通、電子、醫(yī)療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點(diǎn)：

(1)對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度；

(2)具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷；

(3)可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器；

(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。