基于嵌入式技術的監護系統的研究與設計

摘 要：針對目前監護系統的功能越來越強大，對數據處理速度的要求越來越高，基于嵌入式技術的監護系統充分利用運算速度較快的ARM嵌入式微處理器和當前流行的μC/OSⅡ實時多任務操作系統，提出一套用于監測人體心電、血壓、血氧飽和度和體溫的醫療監護系統的研制方案。詳細介紹系統的基本框架、軟硬件的設計與實現。該系統能準確監護人體的生理參數，有良好的可擴展性。

關鍵詞：ARM;μC/OSⅡ;生理參數;擴展性

中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)08-035-03

Research and Design of Monitoring System Based onEmbedded Technique

FAN Lifang，WEI Yunlong，WEI Yunmao，CAI Weiming

(Chongqing Institute of Technology，Chongqing，400050，China)

Abstract：In present，the function of monitoring system is more and more formidable，the requirement of data processing speed is more and more high，the monitoring system based on embedded technique mentthe fast calculation ARM embedded microprocessor and the popular realtime and multitask operate system of μC/OSII，it puts forward one project of medical treatment monitoring system which is used to monitor ECG，blood pressure，blood oxygen saturation and animal heat.This paper introduces the basic frame of the system，the design and realization of software and hardware of the system.this system can monitor body′s physiologic parameters reliably and has good expansibility.

Keywords：ARM;μC/OSⅡ;physiologic parameter;expansibility

1 引 言

隨著我國經濟的快速發展、城市化進程的日益加速、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于亞健康狀態。隨著現代電子技術的發展，16/32 位CPU的廣泛應用，傳統的生理信號監護儀的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，對數據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護儀中。

該監護系統采用了ARM 7 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/OSⅡ 操作系統。其提供了安全可靠的操作系統平臺，縮短了開發周期。

2 系統硬件設計

ARM 7系列芯片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系統模塊

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塊。該系統采用的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。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過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療系統、汽車、工業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個字節數據表示。而設計要求需要連續觀看圖圖像，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，可以實現將監護系統記錄的數據上傳到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 系統電源

電源設計是一個系統設計中的關鍵部分，對于整個系統，一個穩定的、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

本系統的軟件設計主要包括ARM 的應用程序的開發和μC/OSⅡ操作系統的移植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/OSⅡ操作系統是協調LPC2292對程序的任務管理和調度。整個系統的軟件流程圖如圖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、LCD 上按鍵的讀取、LCD 掃描等。數據收發是為了完成數據與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，因為在本系統中，LCD 顯示驅動的任務優先級在應用程序中是最高的，按鍵統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，節省CPU 和操作系統的資源。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生地址交叉的狀況。

3.4 μC/OSⅡ操作系統的移植

μC/OSⅡ實時操作系統是一種可移植、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/OSⅡ不像其他實時操作系統，他提供給用戶的是一個標準的API 函數，程序開發人員利用操作系統提供的API 函數進行應用程序的開發。要想在μC/OSⅡ內核上進行應用程序的開發，就需要程序開發人員在實時內核基礎上建立自己的實時操作系統。首先，把μC/OSⅡ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/OSⅡ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[LL]作系統，以提高系統的功能。

μC/OSⅡ軟件的體系結構如圖4所示：

雖然μC/OSⅡ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/OSⅡ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OSCPU．H;

(2) C語言源文件OSCPU．C;

(3) 匯編源文件程序OSCPUA．ASM。

4 結 語

該人體生理參數監護系統在基于ARM7微處理器的硬件平臺上實現，采用當前流行的μC/OSⅡ實時多任務操作系統，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。該系統可擴展性比較高，可根據需要直接在該系統上進行擴展，使其具有GPS，GPRS，CDMA功能的遠程人體生理參數監護儀。

參 考 文 獻

［1］周立功.ARM嵌入式系統基礎教程\\[M\\].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［2］唐富華，康景利，郭銀景，等.基于嵌入式技術的移動醫療監護系統的研制\\[J\\].計算機工程與應用，2005（13）：201203.

［3］ARM公司.ARM Architecture Reference Manual\\[Z\\].2000.

［4］邵貝貝.嵌入式實時操作系統μC/OSⅡ\\[M\\].2版.北京：北京航空航天大學出版社，2003.

［5］Jean J Labrosse.μC/OSⅡ源碼公開的實時嵌入式操作系統\\[M\\].邵貝貝，譯.北京：中國電力出版社，2001.

［6］陳峰，李濱滔，戈志華.基于S3C2410的嵌入式Linux系統構建\\[J\\].現代電子技術，2007，30(24):5557，60.

作者簡介 范麗芳 女，1983年出生，河北行唐人，碩士研究生。主要研究方向為生物醫電及智能傳感器。