嵌入式技术的监护系统分析与设计.docx

Word版本下载可任意编辑】 嵌入式技术的监护系统分析与设计 1 引言 随着我国经济的快速发展、城市化进程的日益加速、人们生活节奏的不断加快，越来越多的人们开始感到自己的安康每况愈下，很多人直至病情突发才明白据报道，我国绝大多数人都处于亚安康状态随着现代电子技术的发展，16/32位CPU的广泛应用，传统的生理信号监护仪的CPU系统也在逐渐的由8位CPU向更高位数的处理器发展随着监护仪功能的强大，对数据处理速度的要求越来越高，使得8位CPU的发展受到了限制，16/32位CPU可以在远高于8位CPU的时钟频率下正常工作，数据性吞吐量大，处理器的价格却在下降，16/32位CPU开始被广泛应用于生理信号监护仪中 该监护系统采用了ARM7系列芯片中的LPC2292嵌入式微处理器，主要用来测量人体的生理参数，如：心电图、血压、血氧饱和度、体温等因为系统需要采集、处理大量的数据信息，而在CPU上用单任务的软件来处理这些数据信息是很难的，甚至是不可能的因此在设计中选用可同时处理多任务的μC/OS-Ⅱ操作系统其提供了安全可靠的操作系统平台，缩短了开发周期 2 系统硬件设计 ARM 7系列芯片LPC2292系统如图1所示： 图1 ARM 7系列芯片LPC2292系统 系统的总体构造框图如图2所示。

图2 系统的总体构造框图 由图2可看出整个系统以ARM 7系列芯片LPC2292为，在其外围扩展一些外围电路，从而实现了对人体生理参数：心电、血压、血氧饱和度、体温的安全检查系统通过心电模块、血压模块、血氧饱和度模块、体温模块采集人体的生理参数、调理电路对这些信号开展滤波和放大，LPC2292自带的A/D转换器将传输过来的模拟信号转换为数字信号，人体的各参数指标通过LCD显示 2.1 ARM系统模块 ARM系统是这个系统的控制中心，主要完成运算、控制、管理等工作，是系统工作的模块该系统采用的ARM 7系列芯片LPC2292，他是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位CPU，并带有256 kb嵌入的高速FLASH存储器128位宽度的存储器接口和独特的加速构造使2位代码能够在时钟速率下运行对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小由于LPC2292的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路PWM通道以及多达9个外部中断使他们特别适用于医疗系统、汽车、工业控制应用以及容错维护总线。

2.2 LCD显示模块 LCD显示模块主要完成数据显示、输出数据与显示数据的同步等功能由于LPC2292中没有液晶控制器的功能模块，如果所选择的液晶屏内部也没有液晶控制器，那么，要使CPU可以对液晶开展控制，就必须加设计一个液晶驱动控制电路因此本系统中选择自带控制器的液晶屏HLM6323他是5英寸伪彩液晶屏，像素是320×240点阵，每个点需要RGB三色数据，每种色需要1个字节数据表示而设计要求需要连续观看图图像，根据标准需要每秒钟25帧图像，那么每秒至少需要传输数据为25×8×320×240=15 360 000位数据，若选用串行传输，则需要4.6 Mb/s的串行传输速度，但是遗憾的是，没有任何一种串行标准传输大于这个速度，因此，势必需要选择并行的数据传输 2.3 报警模块 当测得的生理参数，如心电、血压、血氧饱和度、体温超过预设的正常值，则产生报警，提醒患者赶紧开展治疗或医护人员需开展抢救措施 2.4 FLASH数据存储器以及USB接口 为了能够确保实时数据的保存，以及提取，从而设计此模块本系统中选择NAND08GW3D2系列的存储器芯片。

由于该芯片不同存储密度器件引脚一致，因此系统可以在电路不做改动的情况下升级为高容量存储器件通过USB设备接口芯片ISP1161A1扩展出一个USB的设备接口通过该USB接口，可以实现将监护系统记录的数据上传到PC机，PC机也可以通过该接口程序到LPC2292处理器的存储器中 2.5 系统电源 电源设计是一个系统设计中的关键部分，对于整个系统，一个稳定的、具有一定功率的电源和合理的电源管理是必不可少的本系统有以下几种电源：CPU的内核数字和模拟电源电压+1.8 V，CPU的I/O口数字和模拟电源电压+3.3 V、总线的隔离电源、LCD的驱动电源、LCD的背光逆变电源、其他外围设备电源电压+5 V等电源 3 软件设计 本系统的软件设计主要包括ARM的应用程序的开发和μC/OS-Ⅱ操作系统的移植2个基本部分ARM的应用程序主要包括LCD显示程序、FLASH存储程序、USB通信程序、键盘扫描程序、A/D程序和报警程序等μC/OS-Ⅱ操作系统是协调LPC2292对程序的任务管理和调度整个系统的软件流程图如图3所示 图3 整个系统的软件流程图 3.1 LCD驱动软件的设计思想 LCD驱动软件的功能是完成数据终输出显示，其主要软件流程有数据的收发、LCD上按键的读取、LCD扫描等。

数据收发是为了完成数据与CPU、LCD液晶显示器开展数据的传输，CPU通过驱动芯片向LCD输送数据，而LCD要向CPU返回响应数据等为了增强人机界面的可读性，在LCD上设置了几个按键，当有按键反应时，应当向CPU发出相应的响应，并且可以通过按键对LCD的显示界面设置和对其他系统参数开展设置LCD的扫描是为了保证显示不出现明显间断、不出现花屏现象，在出现花屏现象时能够开展准确的错误响应其中的按键设计没有给每个按键使用硬件中断，因为在本系统中，LCD显示驱动的任务优先级在应用程序中是的，按键统一使用一个硬件外部中断，然后用软件对按键开展软件中断安排，确定软件优先级;另一个原因由于按键较多，没有足够的硬件中断设置为按键中断，如果设置为中断扩 展，除了要开展硬件的扩展，还要开展软件扩展，将浪费很多资源 本设计中，LCD的驱动需要编写2个文件，其中一个是C语言文件，另一个是C语言头文件C语言文件是通信接口协议文件，需要与其他模块开展数据的交换而头文件是设计一些LCD基本参数，在系统运行中，这些参数基本不变 3.2 USB通信软件的设计思想 本系统设计的USB通信软件通过中断响应来实现，这样做的目的是CPU在没有USB设备或者不需要USB设备时，可以开展其他工作，节省CPU和操作系统的资源。

其有利于保护CPU 3.3 FLASH读写操作软件的设计思想 整个程序文件包括芯片的擦除、芯片的写入和读取、数据的效验等几个部分擦除是为了存储器能够开展重复利用而不更换芯片;芯片的写入和读取是整个文件的中心，负责存储器的数据的写入，在适当时候要读取数据;效验是为了保证数据的正确，在错误时需要报警 本设计中，存储器有3个存储器地址入口，所有的数据都需要经过这3个地址入口，因此，必须保证此3个地址入口在任何时刻都没有与其他地址发生地址交叉的状况 3.4 μC/OS-Ⅱ操作系统的移植 μC/OS-Ⅱ实时操作系统是一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺型的多任务实时内核(RTOS)，适合应用于各种微处理器和微控制器其性能足可以媲美于各种商用内核，在某些方面表现更佳所有代码都是采用ANSI的C语言编写，故具有良好的可移植性 μC/OS-Ⅱ不像其他实时操作系统，他提供应用户的是一个标准的API函数，程序开发人员利用操作系统提供的API函数开展应用程序的开发要想在μC/OS-Ⅱ内核上开展应用程序的开发，就需要程序开发人员在实时内核根底上建立自己的实时操作系统。

首先，把μC/OS-Ⅱ移植到自己的硬件目标板上，写出相应的驱动程序以及用户图形界面等;在这些接口函数之上，加上用户自己的应用程序，就构成了嵌入式软件 μC/OS-Ⅱ的移植条件是：处理器C编译器能产生可重入型代码;处理器支持中断，并能产生定时中断;用C语言可以开、关中断;处理器支持一定数量的数据存储硬件堆栈;处理器有将堆栈指针及其他CPU存放内容读出，并保存到堆栈或内存中的指令这5个方面的要求Philips公司LPC2292芯片和ADS1.2的C编译器一起可以满足上述5个条件，因此本设计是完全可以移植操作系统，以提高系统的功能 μC/OS-Ⅱ软件的体系构造如图4所示： 图4 μC/OS-Ⅱ软件的体系构造 虽然μC/OS-Ⅱ大部分源代码是用C语言写的，但是完成和处理器有关的一些代码时，还是必须要用汇编语言来实现的存放器的读、写只能通过汇编语言的存储和加载指令实现 移植μC/OS-Ⅱ到一个新的体系构造上需要对如下3个文件开展修改： (1)c语言头文件OS-CPU.H; (2)C语言源文件OS-CPU.C; (3)汇编源文件程序OS-CPU-A.ASM。

4 结 语 该人体生理参数监护系统在基于ARM7微处理器的硬件平台上实现，采用当前流行的μC/OS-Ⅱ实时多任务操作系统，能实时检测用户的心电、血压、血氧饱和度和体温，并能对其开展数据分析，当出现异常时，能自动报警使用户得到及时救治该系统可扩展性比较高，可根据需要直接在该系统上开展扩展，使其具有GPS，GPRS，CDMA功能的远程人体生理参数监护仪 7 / 7。