基于ARM嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 全文

　　多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀廣泛應(yīng)用于ICU、CCU、病房、手術(shù)室等。目前我國也有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，如邁瑞、金科威、金腦人等，但與GE、飛利浦世界先進(jìn)產(chǎn)品比較，在監(jiān)測(cè)和計(jì)算、可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、信號(hào)變異的處理分析、遠(yuǎn)程傳輸?shù)确矫娑驾^落后［1］。嵌入式系統(tǒng)把計(jì)算機(jī)直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)之中，它融合了通信技術(shù)和半導(dǎo)體微電子技術(shù)，是信息技術(shù)IT的最終產(chǎn)品［2］。因此將嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀領(lǐng)域，能使多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀順應(yīng)現(xiàn)代醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀市場(chǎng)縮小體積，提高數(shù)據(jù)處理能力，遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面的要求。

　　本文介紹一種基于ARM的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，它將32位RISC結(jié)構(gòu)的ARM內(nèi)核處理器與實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，并通過嵌入式TCP/IP協(xié)議棧為平臺(tái)添加網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，構(gòu)建一個(gè)新型的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)。

　　2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀具有以下幾個(gè)方面功能：測(cè)量功能、分析功能、報(bào)警功能、打印功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能等。六參數(shù)模塊通過導(dǎo)聯(lián)端、光手指、袖帶獲得人體的心電、無創(chuàng)血壓、血氧、脈率、呼吸、體溫六參數(shù)信號(hào)，通過串口通信方式與以ARM7為內(nèi)核的嵌入式處理器相連，數(shù)據(jù)從串口送到ARM7中 央處理器，通過多任務(wù)調(diào)度，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示各種信號(hào)的圖形和數(shù)值，還可以由外部鍵盤控制，進(jìn)行存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，并對(duì)各種檢測(cè)信號(hào)設(shè)置報(bào)警線，對(duì)超出報(bào)警范圍的檢測(cè)情況進(jìn)行報(bào)警。硬件結(jié)構(gòu)圖1所示。

　　多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu)

　　圖1　多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3　開發(fā)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1　軟件開發(fā)總體介紹

　　利用PC機(jī)運(yùn)行的Hitool forARM開發(fā)環(huán)境下調(diào)試程序：首先運(yùn)行系統(tǒng)、Memory及I/O端口的初始化程序，隨后進(jìn)入主程序，采用外部中斷方式，判斷是否有鍵輸入，若有則調(diào)用鍵盤控制子程序進(jìn)行識(shí)別所按下的鍵，根據(jù)鍵盤的控制執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù);若無就調(diào)用串口讀入程序，采集心電、血氧、血壓等數(shù)據(jù)，并判別所采集數(shù)據(jù)的類型，存入不同地址的SDRAM中，并依次分類進(jìn)行處理，處理完畢，判斷是否超越各自的報(bào)警限，若是則調(diào)用報(bào)警程序和顯示程序，若否則直接調(diào)用顯示程序;這樣，各種數(shù)據(jù)就實(shí)時(shí)地采集進(jìn)來，并在LCD上顯示測(cè)試數(shù)值和心電、呼吸波形。其中測(cè)試數(shù)值按每分鐘存儲(chǔ)，心電、呼吸波形按鍵存儲(chǔ)，按翻頁鍵可以調(diào)出相應(yīng)的存儲(chǔ)波形并進(jìn)行顯示;根據(jù)打印和網(wǎng)絡(luò)命令進(jìn)行打印和網(wǎng)絡(luò)命令處理等。程序主要用C語言編寫。

　　3.2　串口的處理

　　硬件接口采用標(biāo)準(zhǔn)RS-232C異步串行接口，選用發(fā)送 （TXD）、接收（RXD）和地線的三線方式，其它的握手信號(hào)直接懸空。要實(shí)現(xiàn)六參數(shù)模塊與S3C44BO之間的串口通信，必須使兩者采用相同的數(shù)據(jù)傳輸方式，它們通信的數(shù)據(jù)格式如下;波特率為9600bps， 8位數(shù)據(jù)位， 1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。

　　另外，在I/O端口初始化程序中，定義Uart_Init函數(shù)，對(duì)串行口各寄存器進(jìn)行初始化，配置參數(shù)時(shí)鐘和波特率等。在設(shè)計(jì)中主要進(jìn)行以下串行口寄存器設(shè)置：

　　UART線性控制寄存器ULCON1=0x3;

　　UART控制寄存器UCON1=0x245;

　　UART先進(jìn)先出控制寄存器UFCON1=0x1;

　　UART波特率寄存器UBRDTV，根據(jù)公式計(jì)算出。

　　在串口讀入程序中，采用了中斷方式，來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的。串口程序數(shù)據(jù)接收過程為：調(diào)用Uart_Getch（）函數(shù)讀入N個(gè)字符，以數(shù)組的方式放置在SDRAM中，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在lib.C程序中部分源代碼如下：

　　charUart_Getch（）

　　{…

　　while（！ （rUTRSTAT1& 0x1））; //Receive data ready

　　return rURXH1;

　　…}

　　3. 3　LCD顯示

　　當(dāng)有新數(shù)據(jù)需要顯示時(shí)， LCD顯示模塊將新的采樣數(shù)據(jù)寫入LCD顯示存儲(chǔ)器中， S3C44BO芯片所支持的LCD控制器在不需要CPU介入的情況下，通過專用DMA自動(dòng)地將需要顯示的數(shù)據(jù)從顯示存儲(chǔ)器傳送到LCD顯示器中。LCD顯示器不斷地接收數(shù)據(jù)，就在LCD上顯示監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

　　3. 3. 1　LCD初始化

　　定義Lcd_MonoInit（）函數(shù)，在LCD的三個(gè)控制寄存器中，設(shè)置LCD掃描寬度等與硬件時(shí)序有關(guān)的量：如：使用160×240的黑白單色顯示屏， 4-bit單掃描等。在LCD的三個(gè)緩沖初始地址寄存器中，主要配置了幀緩沖寄存器BUFFER的起始地址等。

　　以上各寄存器基本的配置的源程序如下：

　　void Lcd_MonoInit（void） //初始化LCD屏幕

　　{ //160×240 1bit/1pixelLCD

　　#defineMVAL_USED 0

　　rLCDCON1=（0） （1《《5） （MVAL_USED《《7） （0x3《《

　　8） （0x3《《10） （CLKVAL_MONO《《12）;

　　//disable， 4B_SNGL_SCAN，WDLY=8clk，WLH=8clk

　　rLCDCON2=（LINEVAL） （HOZVAL《《10） （10《《21）;

　　//LINEBLANK=10（without any calculation）

　　rLCDSADDR1= （0x0《《27） （（（U32） frameBuffer1》》22）《《

　　21 ） M5D（（U32）frameBuffer1》》1）;

　　//monochrome，LCDBANK，LCDBASEU

　　rLCDSADDR2=M5D（ （（（U32）frameBuffer1+（SCR_XSIZE*LCD_

　　YSIZE/8））》》1）） （MVAL《《21） （1《《29）

　　;

　　rLCDSADDR3=（LCD_XSIZE/16） （（SCR_XSIZE-LCD_XSIZE） /

　　16）《《9）;

　　}

　　3. 3. 2　打開LCD

　　1）在內(nèi)核中開辟內(nèi)存空間用于顯示內(nèi)存

　　可在顯示模塊中加入：#define frameBuffer1 0xC400000

　　2）定義幀緩沖器長(zhǎng)度，并對(duì)其賦初值設(shè)置一個(gè)行列與LCD

　　高寬相對(duì)應(yīng)的數(shù)組pbuffer， pbuffer用于存放發(fā)送至顯示屏的每幀像點(diǎn)數(shù)據(jù)，像點(diǎn)數(shù)據(jù)的多少取決于顯示屏的大小; pbuffer=“BitsPerPixe”*l Lines* /8=160* 240/8=4800（字節(jié)）。

　　由于pbuffer被定義為U32，即32位（八個(gè)四位）指針，每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)LCD顯示屏上的一個(gè)像素點(diǎn)，顯示方式采用4-bit單掃描，所以應(yīng)當(dāng)循環(huán)4800（字節(jié)） /4=1200次，實(shí)際上對(duì)應(yīng)的單元數(shù)為整個(gè)160×240的屏幕范圍。

　　for（ i=“0”， i《1200; i++）

　　#（pBuffer［ i］）=0x0;

　　3）數(shù)據(jù)處理

　　LCD的數(shù)據(jù)處理主要對(duì)要顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（4bit到32bit的轉(zhuǎn)換）。

　　temp_data=（Buf［ i* 4+3］《《24）+（Buf［ i* 4+2］《《 16）+（Buf［*i 4+1］《《8）+（Buf［*i 4］）;

　　3. 3. 3　清屏

　　清屏對(duì)顯存的每個(gè)單元置零，使屏幕顯示清除。以下為清屏的部分源程序：

　　Void clrscreen（void）

　　{ int ;i

　　unsigned int* pbuffer;

　　pbuffer=（U32* ）frameBuffer1;

　　for（ i=“0”; i《1200; i++）

　　{

　　pbuffer［ i］=0;

　　}

　　}

　　3. 3. 4　編制LCD顯示函數(shù)并向LCD設(shè)備寫入數(shù)據(jù)

　　定義displayLcd（）函數(shù)為L(zhǎng)CD顯示函數(shù)，用于往顯存中寫數(shù)據(jù)，經(jīng)過pbuffer送至LCD顯示器，并讓它循環(huán)顯示在LCD顯示屏上。要在 LCD上顯示ASCII字符，首先把每個(gè)字符轉(zhuǎn)成一個(gè)16* 16bit的數(shù)組，組成字庫（本次實(shí)現(xiàn)中使用），然后，選擇要顯示的字符，從字庫中提取字符，經(jīng)函數(shù)調(diào)用后，將要顯示的字符送至LCD顯示器，這樣，就在 LCD上顯示出ASCII字符。

　　部分源程序如下：

　　void displayLCD（void） //LCD顯示函數(shù)

　　{

　　unsigned int* pbuffer， temp_data;

　　int ;i

　　pbuffer=（U32* ）frameBuffer1;

　　for（ i=“0”; i《1200; i++）

　　{

　　temp_data=（Buf［ i* 4+3］《《24）+（Buf［ i* 4+2］《《

　　16）+（Buf［*i 4+1］《《8）+（Buf［*i 4］;

　　//進(jìn)行4bit到32bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理

　　pbuffer［ i］=~temp_data;

　　Delay（10）;

　　}

　　}

　　在添加所用的頭文件的同時(shí)，增加對(duì)LCD_Init（）函數(shù)、dis-playLCD（）等函數(shù)的調(diào)用。

　　4　網(wǎng)絡(luò)命令處理

　　在硬件設(shè)計(jì)上采用以太網(wǎng)口，軟件上通過實(shí)現(xiàn)瘦TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通 信協(xié)議，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行裁減［4］，讓嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀支持輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧而　直接連入 Internet。在設(shè)計(jì)將無實(shí)時(shí)要求和費(fèi)時(shí)的TCP/IP協(xié)議簇的處理放在主程序順序循環(huán)中。網(wǎng)絡(luò)程序結(jié)構(gòu)采取順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式，這種硬件中斷是外部時(shí)鐘中斷，中斷級(jí)別要比非向量模式的FIQ中斷級(jí)別低，在系統(tǒng)空閑時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互;對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片采用查詢方式，即在其他中斷任務(wù)的執(zhí)行間隙處理瘦TCP/IP協(xié)議簇，以犧牲響應(yīng)速度來換取系統(tǒng)可靠性。

　　考慮到嵌入式醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀在窄寬帶不可靠環(huán)境下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，決定在網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的傳輸層中，選用UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）。

　　5　結(jié)束語

　　介紹一種基于ARM的嵌入式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量，為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)用監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用提供了一個(gè)很有意義的新思路和切實(shí)可行的方案。由于該網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)儀主要面向醫(yī)院、社區(qū)和家庭，具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、數(shù)據(jù)處理速度快、便于遠(yuǎn)程醫(yī)療、能同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作等各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)， 是現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護(hù)進(jìn)一步智能化、專業(yè)化、小型化、低功耗的發(fā)展新方向，困此具有很廣闊的市場(chǎng)前景。