嵌入式技术的监护系统的研究与设计
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：
系统的总体结构框图如图2所示。
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。
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。
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：
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。
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。
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arm 7系列芯片lpc2292最小系统如图1所示：
系统的总体结构框图如图2所示。
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。
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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。
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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。
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