基于 ARM 架構的監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設計
[導讀] 1 引言 隨著我國經濟的快速發(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。據報道，我國絕大多數人都處于亞健康狀態(tài)。隨著現代電子技
1 引言
隨著我國經濟的快速發(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。據報道，我國絕大多數人都處于亞健康狀態(tài)。隨著現代電子技術的發(fā)展，16／32位CPU的廣泛應用，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向更高位數的處理器發(fā)展。隨著監(jiān)護儀功能的強大，對數據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可以在遠高于 8位CPU的時鐘頻率下正常工作，數據一次性吞吐量大，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，如：心電圖、血壓、血氧飽和度、體溫等。因為系統(tǒng)需要采集、處理大量的數據信息，而在CPU上用單任務的軟件來處理這些數據信息是很難的，甚至是不可能的。因此在設計中選用可同時處理多任務的 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)硬件設計
ARM 7系列芯片LPC2292最小系統(tǒng)如圖1所示：
系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2所示：
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，從而實現了對人體生理參數：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、調理電路對這些信號進行濾波和放大，LPC2292自帶的A／D轉換器將傳輸過來的模擬信號轉換為數字信號，最后人體的各參數指標通過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構使2位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用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據顯示、輸出數據與顯示數據的同步等功能。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，就必須加設計一個液晶驅動控制電路。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三色數據，每種色需要1個字節(jié)數據表示。而設計要求需要連續(xù)觀看圖圖像，根據標準需要每秒鐘25幀圖像，那么每秒至少需要傳輸數據為25×8×320×240=15 360 000位數據，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準傳輸大于這個速度，因此，勢必需要選擇并行的數據傳輸。
2.3 報警模塊
當測得的生理參數，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，提醒患者趕緊進行治療或醫(yī)護人員需進行搶救措施。
2.4 FLASH數據存儲器以及USB接口
為了能夠確保實時數據的保存，以及提取，從而設計此模塊。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設備接口芯片ISP1161A1擴展出一個USB的設備接口。通過該USB接口，可以實現將監(jiān)護系統(tǒng)記錄的數據上傳到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
電源設計是一個系統(tǒng)設計中的關鍵部分，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 的內核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、總線的隔離電源、LCD的驅動電源、LCD的背光逆變電源、其他外圍設備電源電壓+5 V等電源。
3 軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計主要包括ARM的應用程序的開發(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)是協調LPC2292對程序的任務管理和調度。整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。
3.1 LCD驅動軟件的設計思想
LCD驅動軟件的功能是完成數據最終輸出顯示，其主要軟件流程有數據的收發(fā)、LCD上按鍵的讀取、LCD掃描等。數據收發(fā)是為了完成數據與CPU、 LCD液晶顯示器進行數據的傳輸，CPU通過驅動芯片向LCD輸送數據，而LCD要向CPU返回響應數據等。為了增強人機界面的可讀性，在LCD上設置了幾個按鍵，當有按鍵反應時，應當向CPU發(fā)出相應的響應，并且可以通過按鍵對LCD的顯示界面設置和對其他系統(tǒng)參數進行設置。LCD的掃描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件中斷，因為在本系統(tǒng)中，LCD顯示驅動的任務優(yōu)先級在應用程序中是最高的，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置為按鍵中斷，如果設置為中斷擴 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。
本設計中，LCD的驅動需要編寫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議文件，需要與其他模塊進行數據的交換。而頭文件是設計一些LCD基本參數，在系統(tǒng)運行中，這些參數基本不變。
3.2 USB通信軟件的設計思想
本系統(tǒng)設計的USB通信軟件通過中斷響應來實現，這樣做的目的是CPU在沒有USB設備或者不需要USB設備時，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、數據的效驗等幾個部分。擦除是為了存儲器能夠進行重復利用而不更換芯片；芯片的寫入和讀取是整個文件的中心，負責存儲器的數據的寫入，在適當時候要讀取數據；效驗是為了保證數據的正確，在錯誤時需要報警。
本設計中，存儲器有3個存儲器地址入口，所有的數據都需要經過這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實時操作系統(tǒng)是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務實時內核(RTOS)，適合應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核，在某些方面表現更佳。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準的API函數，程序開發(fā)人員利用操作系統(tǒng)提供的API函數進行應用程序的開發(fā)。要想在 μC／OS-Ⅱ內核上進行應用程序的開發(fā)，就需要程序開發(fā)人員在實時內核基礎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板上，寫出相應的驅動程序以及用戶圖形界面等；在這些接口函數之上，加上用戶自己的應用程序，就構成了嵌入式軟件。
μC／OS-Ⅱ的移植條件是：處理器C編譯器能產生可重入型代碼；處理器支持中斷，并能產生定時中斷；用C語言可以開、關中斷；處理器支持一定數量的數據存儲硬件堆棧；處理器有將堆棧指針及其他CPU寄存內容讀出，并保存到堆棧或內存中的指令這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軟件的體系結構如圖4所示：
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的一些代碼時，還是必須要用匯編語言來實現的。寄存器的讀、寫只能通過匯編語言的存儲和加載指令實現。
移植μC／OS-Ⅱ到一個新的體系結構上需要對如下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 結語
該人體生理參數監(jiān)護系統(tǒng)在基于ARM7微處理器的硬件平臺上實現，采用當前流行的C／OS-Ⅱ實時多任務操作系統(tǒng)，能實時檢測用戶的心電、血壓、血氧飽和度和體溫，并能對其進行數據分析，當出現異常時，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功能的遠程人體生理參數監(jiān)護儀。
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