基于ARM的脈象儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于ARM的脈象儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　摘要：本文介紹了一種基于ARM微處理器的脈象儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)以S3C2410嵌入式芯片作為硬件平臺(tái)。并且詳細(xì)分析了基于uClinux嵌入式操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明該系統(tǒng)有效地提高了診斷的精度與效率，具有成本低、可靠性高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 引言

　　脈象攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。在中醫(yī)學(xué)中，脈診占有非常重要的位置。由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，在長(zhǎng)期的醫(yī)療實(shí)踐中也暴露出一些缺陷。脈診的定性化和主觀性大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用和發(fā)展中的制約因素。為了促進(jìn)脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，我們研制出一種基于ARM920T處理器的新型脈象儀。它采用一款A(yù)RM920T核的高速處理器S3C2410。該新型脈象儀具有成本低，體積小，可靠性高和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于個(gè)人和中小醫(yī)院的脈象診斷用途。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

　　按照中醫(yī)脈診的理論，從左右手腕的寸、關(guān)、尺三部按不同的輕重可獲知人體五臟六腑的病理變化，模擬中醫(yī)脈診過程，設(shè)計(jì)中醫(yī)脈象儀。脈象儀原理圖如圖1所示。

圖1 脈象儀原理圖

　　應(yīng)變式傳感器是脈象儀普遍采用的一類傳感器。某些固體材料受到外力的作用后，其電阻率要發(fā)生變化，這種由于應(yīng)力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的原理是以半導(dǎo)體晶體的壓阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的。用此應(yīng)變片制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，上下各一片半導(dǎo)體應(yīng)變片。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖

　　應(yīng)變式傳感器的基本組成部件包括:應(yīng)變片、彈性元件、測(cè)量電橋。本文中選用懸壁梁式壓力傳感器，應(yīng)變片采用半導(dǎo)體應(yīng)變片。

3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)

　　3.1 嵌入式處理器的選擇

　　系統(tǒng)采用了ARM920T作為系統(tǒng)與上位機(jī)溝通的橋梁。該實(shí)驗(yàn)箱如圖3所示。

圖3 ARM920T實(shí)驗(yàn)箱圖

　ARM920T有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：處理器有高性能的RISC構(gòu)架；大量的內(nèi)部寄存器讓它的執(zhí)行效率非常高，使它成為實(shí)時(shí)控制設(shè)備的理想選擇。片上的Flash可在線編程。

　　片上資源包括2個(gè)32位定時(shí)器；1個(gè)A/D輸入接口；18個(gè)多功能I/O接口；1個(gè)CPLD；1個(gè)64M的SDRAM；1個(gè)4M的Flash；1個(gè)64M 的Nand Flash控制器；還有中斷控制器和系統(tǒng)管理器。

　　處理器采用芯片S3C2410。S3C2410有出色的內(nèi)核性能，豐富的外部接口和低功耗。在系統(tǒng)中我們用到2種內(nèi)存，一種SDRAM，一種Flash。

　　SDRAM具有運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是掉電后不能保存數(shù)據(jù)。所以在系統(tǒng)主要是用來(lái)運(yùn)行操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和各類數(shù)據(jù)的緩存。

　　Flash內(nèi)存較SDRAM運(yùn)行速度慢．但掉電后能保存數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用一種通用的Flash (SST39VF1601)，容量為2MB，主要用于固化啟動(dòng)代碼和控制應(yīng)用程序，并保存一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

　　3.2? A/D轉(zhuǎn)換

　　A/D轉(zhuǎn)換電路采用MAXIM公司的MAX197，MAX197采用逐次逼近技術(shù)以達(dá)到快速變換和低功耗。如圖4所示。

圖4 MAX197

　　預(yù)處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路，可以將信號(hào)轉(zhuǎn)換成MAX197相匹配的量值。圖4所示的電路采用了內(nèi)部時(shí)鐘。 和 邏輯輸入端用于啟動(dòng)變換和從器件讀出數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　為了滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和安全性的要求，系統(tǒng)采用了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux。uClinux是針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的linux系統(tǒng)，是在linux的基礎(chǔ)上添加了對(duì)沒有內(nèi)存管理單元的微處理器的支持。一方面它繼承了linux的穩(wěn)定性優(yōu)點(diǎn)，另一方面其內(nèi)核相當(dāng)精簡(jiǎn)。因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　該脈象儀系統(tǒng)的軟件主要由三個(gè)部分組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括嵌入式linux操作系統(tǒng)，A/D驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4.1 嵌入式uClinux的構(gòu)建

　　將嵌入式uClinux系統(tǒng)移植到特定的硬件平臺(tái)上，大致需要完成建立叉編譯環(huán)境，配置編譯uClinux內(nèi)核，制作根文件系統(tǒng)，下載和調(diào)試內(nèi)核四部分的工作。

　　4.2? A/D驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　在uClinux系統(tǒng)下，驅(qū)動(dòng)程序可以看成uClinux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)?？梢允褂煤筒僮魑募邢嗤南到y(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的打開，關(guān)閉，讀，寫以及I／O控制操作。

　　本系統(tǒng)中的A/D驅(qū)動(dòng)程序主要結(jié)構(gòu)包括：

　?。?）數(shù)據(jù)類型定義文件

　　#define U32? unsigned int

　　#define U16? unsigned short

　　#define S32? int

　　#define S16? short int

　　#define U8?? unsigned char

　　#define S8?? char

　　#define TRUE?????? 1?

　　#define FALSE????? 0

　　#define ERROR????? 0

　?。?）啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換文件

　　void INT_ADC_Enable(int flag)

　　{

?????? int temp;//定義臨時(shí)變量

?????? if(flag == FALSE)

?????? {

????????????? temp = rINTSUBMSK;

????????????? temp |=(1<<10);

????????????? rINTSUBMSK = temp;

????????????? temp = rINTMSK;

????????????? temp |=0x80000000;

????????????? rINTMSK = temp;

?????? }

?????? else

?????? {

????????????? temp = rINTSUBMSK;

????????????? temp = 0x5ff;

????????????? rINTSUBMSK = temp;

????????????? temp = rINTMSK;

????
　temp &= ~(0x80000000) ;

????????????? rINTMSK = temp;

?????? }

　　}

　?。?）主程序文件

　　#include "2410addr.h"http://調(diào)用S3C2410地址頭文件

　　#include "def.h"http://調(diào)用數(shù)據(jù)類型頭文件

　　main()

　　{

　　clrsrc();//刷新操作

　　INT_ADC_Enable(int flag);//啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

　　… …

　　}

　　4.3 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用程序是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的核心部分，主要是A/D采樣分析。該部分主要負(fù)責(zé)對(duì)采集到的脈象模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并根據(jù)脈象的時(shí)域和頻域特征進(jìn)行分析脈象圖的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是，與傳統(tǒng)的中醫(yī)脈象儀相比，基于ARM的脈象儀具有高性能，低成本，電路簡(jiǎn)潔可靠和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。嵌入式uClinux的引入保證了系統(tǒng)穩(wěn)定和運(yùn)行的可靠。ARM技術(shù)將計(jì)算機(jī)硬件和軟件有機(jī)的融為一體，它使測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單化，軟件設(shè)計(jì)變得更加靈活，具有無(wú)比的優(yōu)越性。ARM技術(shù)應(yīng)用于脈象儀具有很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景，值得我們深入研究。