基于嵌入式技术的监护系统研究与设计

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健康每况愈下，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健康状态。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，数据一次性吞吐量大，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最小系统如图1所示：

图1 ARM 7系列芯片LPC2292最小系统

系统的总体结构框图如图2所示。

图2 系统的总体结构框图

    由图2可看出整个系统以ARM 7系列芯片LPC2292为核心，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进行滤波和放大，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，最后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，是系统工作的核心模块。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结构使2位代码能够在最大时钟速率下运行。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可以对液晶进行控制，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，提醒患者赶紧进行治疗或医护人员需进行抢救措施。

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下载程序到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。[page]

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最终输出显示，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液晶显示器进行数据的传输，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进行设置。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进行准确的错误响应。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最高的，按键统一使用一个硬件外部中断，然后用软件对按键进行软件中断安排，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，除了要进行硬件的扩展，还要进行软件扩展，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，需要与其他模块进行数据的交换。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，可以进行其他工作，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进行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，他提供给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函数进行应用程序的开发。要想在μC／OS-Ⅱ内核上进行应用程序的开发，就需要程序开发人员在实时内核基础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寄存内容读出，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软件的体系结构如图4所示：

图4 μC／OS-Ⅱ软件的体系结构

    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。寄存器的读、写只能通过汇编语言的存储和加载指令实现。

    移植μC／OS-Ⅱ到一个新的体系结构上需要对如下3个文件进行修改：

(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，并能对其进行数据分析，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进行扩展，使其具有GPS，GPRS，CDMA功能的远程人体生理参数监护仪。