基於嵌入式技術的監護系統設計方案
——可擴充套件，如gprs，即時通訊……
1 引言
隨著我國經濟的快速發展、城市化程序的日益加速、人們生活節奏的不斷加快，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才明白。據報道，我國絕大多數人都處於亞健康狀態。隨著現代電子技術的發展，16／32位cpu的廣泛應用，傳統的生理訊號監護儀的cpu系統也在逐漸的由8位cpu向更高位數的處理器發展。隨著監護儀功能的強大，對資料處理速度的要求越來越高，使得8位cpu的發展受到了限制，16／32位cpu可以在遠高於8位cpu的時鐘頻率下正常工作，資料一次性吞吐量大，處理器的**卻在下降，16／32位cpu開始被廣泛應用於生理訊號監護儀中。
該監護系統採用了arm7系列晶元中的lpc2292嵌入式微處理器，主要用來測量人體的生理引數，如：心電圖、血壓、血氧飽和度、體溫等。因為系統需要採集、處理大量的資料資訊，而在cpu上用單任務的軟體來處理這些資料資訊是很難的，甚至是不可能的。因此在設計中選用可同時處理多工的μc／os-ⅱ作業系統。其提供了安全可靠的作業系統平台，縮短了開發周期。
2 系統硬體設計
arm 7系列晶元lpc2292最小系統如圖1所示：
系統的總體結構框圖如圖2所示。
由圖2可看出整個系統以arm 7系列晶元lpc2292為核心，在其外圍擴充套件一些外圍電路，從而實現了對人體生理引數：心電、血壓、血氧飽和度、體溫的安全檢查。系統通過心電模組、血壓模組、血氧飽和度模組、體溫模組採集人體的生理引數、調理電路對這些訊號進行濾波和放大，lpc2292自帶的a／d轉換器將傳輸過來的模擬訊號轉換為數碼訊號，最後人體的各引數指標通過lcd顯示。
2.1 arm系統模組
arm系統是這個系統的控制中心，主要完成運算、控制、管理等工作，是系統工作的核心模組。該系統採用的arm 7系列晶元lpc2292，他是基於乙個支援實時**和跟蹤的16／32位cpu，並帶有256 kb嵌入的高速flash儲存器。128位寬度的儲存器介面和獨特的加速結構使2位**能夠在最大時鐘速率下執行。對**規模有嚴格控制的應用可使用16位thumb模式將**規模降低超過30％，而效能的損失卻很小。由於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於醫療系統、汽車、工業控制應用以及容錯維護匯流排。
2.2 lcd顯示模組
lcd顯示模組主要完成資料顯示、輸出資料與顯示資料的同步等功能。由於lpc2292中沒有液晶控制器的功能模組，如果所選擇的液晶屏內部也沒有液晶控制器，那麼，要使cpu可以對液晶進行控制，就必須加設計乙個液晶驅動控制電路。因此本系統中選擇自帶控制器的液晶屏hlm6323。他是5英吋偽彩液晶屏，畫素是320×240點陣，每個點需要rgb三色資料，每種色需要1個位元組資料表示。而設計要求需要連續**圖影象，根據標準需要每秒鐘25幀影象，那麼每秒至少需要傳輸資料為25×8×320×240=15 360 000位資料，若選用序列傳輸，則需要4.6 mb／s的序列傳輸速度，但是遺憾的是，沒有任何一種序列標準傳輸大於這個速度，因此，勢必需要選擇並行的資料傳輸。
2.3 報警模組
當測得的生理引數，如心電、血壓、血氧飽和度、體溫超過預設的正常值，則產生報警，提醒患者趕緊進行**或醫護人員需進行搶救措施。
2.4 flash資料儲存器以及usb介面
為了能夠確保實時資料的儲存，以及提取，從而設計此模組。本系統中選擇nand08gw3d2系列的儲存器晶元。由於該晶元不同儲存密度器件引腳一致，因此系統可以在電路不做改動的情況下公升級為高容量儲存器件。通過usb裝置介面晶元isp1161a1擴充套件出乙個usb的裝置介面。通過該usb介面，可以實現將監護系統
2.5 系統電源
電源設計是乙個系統設計中的關鍵部分，對於整個系統，乙個穩定的、具有一定功率的電源和合理的電源管理是必不可少的。本系統有以下幾種電源：cpu的核心數字和模擬電源電壓+1.8 v，cpu的i／o口數字和模擬電源電壓+3.3 v、匯流排的隔離電源、lcd的驅動電源、lcd的背光逆變電源、其他外圍裝置電源電壓+5 v等電源。
3 軟體設計
本系統的軟體設計主要包括arm的應用程式的開發和μc／os-ⅱ作業系統的移植2個基本部分。arm的應用程式主要包括lcd顯示程式、flash儲存程式、usb通訊程式、鍵盤掃瞄程式、a／d程式和報警程式等。μc／os-ⅱ作業系統是協調lpc2292對程式的任務管理和排程。整個系統的軟體流程圖如圖3所示。
3.1 lcd驅動軟體的設計思想
lcd驅動軟體的功能是完成資料最終輸出顯示，其主要軟體流程有資料的收發、lcd上按鍵的讀取、lcd掃瞄等。資料收發是為了完成資料與cpu、lcd液晶顯示器進行資料的傳輸，cpu通過驅動晶元向lcd輸送資料，而lcd要向cpu返回響應資料等。為了增強人機介面的可讀性，在lcd上設定了幾個按鍵，當有按鍵反應時，應當向cpu發出相應的響應，並且可以通過按鍵對lcd的顯示介面設定和對其他系統引數進行設定。lcd的掃瞄是為了保證顯示不出現明顯間斷、不出現花屏現象，在出現花屏現象時能夠進行準確的錯誤響應。其中的按鍵設計沒有給每個按鍵使用硬體中斷，因為在本系統中，lcd顯示驅動的任務優先順序在應用程式中是最高的，按鍵統一使用乙個硬體外部中斷，然後用軟體對按鍵進行軟體中斷安排，確定軟體優先順序；另乙個原因由於按鍵較多，沒有足夠的硬體中斷設定為按鍵中斷，如果設定為中斷擴 展，除了要進行硬體的擴充套件，還要進行軟體擴充套件，將浪費很多資源。
本設計中，lcd的驅動需要編寫2個檔案，其中乙個是c語言檔案，另乙個是c語言標頭檔案。c語言檔案是通訊介面協議檔案，需要與其他模組進行資料的交換。而標頭檔案是設計一些lcd基本引數，在系統執行中，這些引數基本不變。
3.2 usb通訊軟體的設計思想
本系統設計的usb通訊軟體通過中斷響應來實現，這樣做的目的是cpu在沒有usb裝置或者不需要usb裝置時，可以進行其他工作，節省cpu和作業系統的資源。其有利於保護cpu。
3.3 flash讀寫操作軟體的設計思想
整個程式檔案包括晶元的擦除、晶元的寫入和讀取、資料的效驗等幾個部分。擦除是為了儲存器能夠進行重複利用而不更換晶元；晶元的寫入和讀取是整個檔案的中心，負責儲存器的資料的寫入，在適當時候要讀取資料；效驗是為了保證資料的正確，在錯誤時需要報警。
本設計中，儲存器有3個儲存器位址入口，所有的資料都需要經過這3個位址入口，因此，必須保證此3個位址入口在任何時刻都沒有與其他位址發生位址交叉的狀況。
3.4 μc／os-ⅱ作業系統的移植
μc／os-ⅱ實時作業系統是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多工實時核心(rtos)，適合應用於各種微處理器和微控制器。其效能足可以媲美於各種商用核心，在某些方面表現更佳。所有**都是採用ansi的c語言編寫，故具有良好的可移植性。
μc／os-ⅱ不像其他實時作業系統，他提供給使用者的是乙個標準的api函式，程式開發人員利用作業系統提供的api函式進行應用程式的開發。要想在μc／os-ⅱ核心上進行應用程式的開發，就需要程式開發人員在實時核心基礎上建立自己的實時作業系統。首先，把μc／os-ⅱ移植到自己的硬體目標板上，寫出相應的驅動程式以及使用者圖形介面等；在這些介面函式之上，加上使用者自己的應用程式，就構成了嵌入式軟體。
μc／os-ⅱ的移植條件是：處理器c編譯器能產生可重入型**；處理器支援中斷，並能產生定時中斷；用c語言可以開、關中斷；處理器支援一定數量的資料儲存硬體堆疊；處理器有將堆疊指標及其他cpu寄存內容讀出，並儲存到堆疊或記憶體中的指令這5個方面的要求。philips公司lpc2292晶元和ads1.2的c編譯器一起可以滿足上述5個條件，因此本設計是完全可以移植作業系統，以提高系統的功能。
μc／os-ⅱ軟體的體系結構如圖4所示：
雖然μc／os-ⅱ大部分源**是用c語言寫的，但是完成和處理器有關的一些**時，還是必須要用組合語言來實現的。暫存器的讀、寫只能通過組合語言的儲存和載入指令實現。
移植μc／os-ⅱ到乙個新的體系結構上需要對如下3個檔案進行修改：
(1)c語言標頭檔案os-cpu.h；
(2)c語言原始檔os-cpu.c；
(3)彙編原始檔程式os-cpu-a.asm。
4 結 語
該人體生理引數監護系統在基於arm7微處理器的硬體平台上實現，採用當前流行的μc／os-ⅱ實時多工作業系統，能實時檢測使用者的心電、血壓、血氧飽和度和體溫，並能對其進行資料分析，當出現異常時，能自動報警使使用者得到及時救治。該系統可擴充套件性比較高，可根據需要直接在該系統上進行擴充套件，使其具有gps，gprs，cdma功能的遠端人體生理引數監護儀，甚至可以嵌入anychat sdk元件生成一定時刻用到的即時通訊系統，與外界聯絡。
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