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

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的日益加速、人們生活節(jié)奏的不斷加快，越來(lái)越多的人們開(kāi)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(bào)道，我國(guó)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(hào)監(jiān)護(hù)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(hù)儀功能的強(qiáng)大，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求越來(lái)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(shí)鐘頻率下正常工作，數(shù)據(jù)一次性吞吐量大，處理器的價(jià)格卻在下降，16/32位CPU開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于生理信號(hào)監(jiān)護(hù)儀中。

該監(jiān)護(hù)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(lái)測(cè)量人體的生理參數(shù)，如：心電圖、血壓、血氧飽和度、體溫等。因?yàn)橄到y(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(lái)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(jì)中選用可同時(shí)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(tái)，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(gè)系統(tǒng)以ARM 7系列芯片LPC2292為核心，在其外圍擴(kuò)展一些外圍電路，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guò)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(duì)這些信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，LPC2292自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將傳輸過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后人體的各參數(shù)指標(biāo)通過(guò)LCD顯示。

2.1 ARM系統(tǒng)模塊

ARM系統(tǒng)是這個(gè)系統(tǒng)的控制中心，主要完成運(yùn)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(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位CPU，并帶有256 kb嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使2位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)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(guò)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(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2路PWM通道以及多達(dá)9個(gè)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(cuò)維護(hù)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(méi)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(méi)有液晶控制器，那么，要使CPU可以對(duì)液晶進(jìn)行控制，就必須加設(shè)計(jì)一個(gè)液晶驅(qū)動(dòng)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(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)需要RGB三色數(shù)據(jù)，每種色需要1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)表示。而設(shè)計(jì)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(méi)有任何一種串行標(biāo)準(zhǔn)傳輸大于這個(gè)速度，因此，勢(shì)必需要選擇并行的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 報(bào)警模塊

當(dāng)測(cè)得的生理參數(shù)，如心電、血壓、血氧飽和度、體溫超過(guò)預(yù)設(shè)的正常值，則產(chǎn)生報(bào)警，提醒患者趕緊進(jìn)行治療或醫(yī)護(hù)人員需進(jìn)行搶救措施。

2.4 FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及USB接口

為了能夠確保實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的保存，以及提取，從而設(shè)計(jì)此模塊。本系統(tǒng)中選擇NAND08GW3D2系列的存儲(chǔ)器芯片。由于該芯片不同存儲(chǔ)密度器件引腳一致，因此系統(tǒng)可以在電路不做改動(dòng)的情況下升級(jí)為高容量存儲(chǔ)器件。通過(guò)USB設(shè)備接口芯片ISP1161A1擴(kuò)展出一個(gè)USB的設(shè)備接口。通過(guò)該USB接口，可以實(shí)現(xiàn)將監(jiān)護(hù)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)，PC機(jī)也可以通過(guò)該接口下載程序到LPC2292處理器的存儲(chǔ)器中。

2.5 系統(tǒng)電源

電源設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)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(dòng)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(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM的應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植2個(gè)基本部分。ARM的應(yīng)用程序主要包括LCD顯示程序、FLASH存儲(chǔ)程序、USB通信程序、鍵盤(pán)掃描程序、A/D程序和報(bào)警程序等。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)是協(xié)調(diào)LPC2292對(duì)程序的任務(wù)管理和調(diào)度。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖

3.1 LCD驅(qū)動(dòng)軟件的設(shè)計(jì)思想

LCD驅(qū)動(dòng)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(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，CPU通過(guò)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)人機(jī)界面的可讀性，在LCD上設(shè)置了幾個(gè)按鍵，當(dāng)有按鍵反應(yīng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)向CPU發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)，并且可以通過(guò)按鍵對(duì)LCD的顯示界面設(shè)置和對(duì)其他系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(shí)能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的錯(cuò)誤響應(yīng)。其中的按鍵設(shè)計(jì)沒(méi)有給每個(gè)按鍵使用硬件中斷，因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中，LCD顯示驅(qū)動(dòng)的任務(wù)優(yōu)先級(jí)在應(yīng)用程序中是最高的，按鍵統(tǒng)一使用一個(gè)硬件外部中斷，然后用軟件對(duì)按鍵進(jìn)行軟件中斷安排，確定軟件優(yōu)先級(jí);另一個(gè)原因由于按鍵較多，沒(méi)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(kuò) 展，除了要進(jìn)行硬件的擴(kuò)展，還要進(jìn)行軟件擴(kuò)展，將浪費(fèi)很多資源。

本設(shè)計(jì)中，LCD的驅(qū)動(dòng)需要編寫(xiě)2個(gè)文件，其中一個(gè)是C語(yǔ)言文件，另一個(gè)是C語(yǔ)言頭文件。C語(yǔ)言文件是通信接口協(xié)議文件，需要與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。而頭文件是設(shè)計(jì)一些LCD基本參數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行中，這些參數(shù)基本不變。

3.2 USB通信軟件的設(shè)計(jì)思想

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的USB通信軟件通過(guò)中斷響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣做的目的是CPU在沒(méi)有USB設(shè)備或者不需要USB設(shè)備時(shí)，可以進(jìn)行其他工作，節(jié)省CPU和操作系統(tǒng)的資源。其有利于保護(hù)CPU。

3.3 FLASH讀寫(xiě)操作軟件的設(shè)計(jì)思想

整個(gè)程序文件包括芯片的擦除、芯片的寫(xiě)入和讀取、數(shù)據(jù)的效驗(yàn)等幾個(gè)部分。擦除是為了存儲(chǔ)器能夠進(jìn)行重復(fù)利用而不更換芯片;芯片的寫(xiě)入和讀取是整個(gè)文件的中心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，在適當(dāng)時(shí)候要讀取數(shù)據(jù);效驗(yàn)是為了保證數(shù)據(jù)的正確，在錯(cuò)誤時(shí)需要報(bào)警。

本設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器有3個(gè)存儲(chǔ)器地址入口，所有的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)這3個(gè)地址入口，因此，必須保證此3個(gè)地址入口在任何時(shí)刻都沒(méi)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(shí)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(shí)時(shí)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(yǔ)言編寫(xiě)，故具有良好的可移植性。

μC/OS-Ⅱ不像其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，他提供給用戶的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的API函數(shù)，程序開(kāi)發(fā)人員利用操作系統(tǒng)提供的API函數(shù)進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。要想在μC/OS-Ⅱ內(nèi)核上進(jìn)行應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，就需要程序開(kāi)發(fā)人員在實(shí)時(shí)內(nèi)核基礎(chǔ)上建立自己的實(shí)時(shí)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(xiě)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(shí)中斷;用C語(yǔ)言可以開(kāi)、關(guān)中斷;處理器支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)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(gè)條件，因此本設(shè)計(jì)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(yǔ)言寫(xiě)的，但是完成和處理器有關(guān)的一些代碼時(shí)，還是必須要用匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。寄存器的讀、寫(xiě)只能通過(guò)匯編語(yǔ)言的存儲(chǔ)和加載指令實(shí)現(xiàn)。

移植μC/OS-Ⅱ到一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)上需要對(duì)如下3個(gè)文件進(jìn)行修改：

(1)c語(yǔ)言頭文件OS-CPU.H;

(2)C語(yǔ)言源文件OS-CPU.C;

(3)匯編源文件程序OS-CPU-A.ASM。

4 結(jié) 語(yǔ)

該人體生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在基于ARM7微處理器的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，采用當(dāng)前流行的μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的心電、血壓、血氧飽和度和體溫，并能對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警使用戶得到及時(shí)救治。該系統(tǒng)可擴(kuò)展性比較高，可根據(jù)需要直接在該系統(tǒng)上進(jìn)行擴(kuò)展，使其具有GPS，GPRS，CDMA功能的遠(yuǎn)程人體生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀。