基于ARM嵌入式多參數(shù)監(jiān)護儀設計與實現(xiàn) - 全文

　　多參數(shù)監(jiān)護儀廣泛應用于ICU、CCU、病房、手術室等。目前我國也有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，如邁瑞、金科威、金腦人等，但與GE、飛利浦世界先進產(chǎn)品比較，在監(jiān)測和計算、可靠性、實時性、穩(wěn)定性、信號變異的處理分析、遠程傳輸?shù)确矫娑驾^落后［1］。嵌入式系統(tǒng)把計算機直接嵌入到應用系統(tǒng)之中，它融合了通信技術和半導體微電子技術，是信息技術IT的最終產(chǎn)品［2］。因此將嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡等技術應用于醫(yī)用監(jiān)護儀領域，能使多參數(shù)監(jiān)護儀順應現(xiàn)代醫(yī)用監(jiān)護儀市場縮小體積，提高數(shù)據(jù)處理能力，遠程醫(yī)療等方面的要求。

　　本文介紹一種基于ARM的實時監(jiān)護系統(tǒng)，它將32位RISC結構的ARM內核處理器與實時多任務嵌入式系統(tǒng)相結合，并通過嵌入式TCP/IP協(xié)議棧為平臺添加網(wǎng)絡傳輸功能，構建一個新型的多參數(shù)監(jiān)護儀系統(tǒng)。

　　2　系統(tǒng)硬件設計

　　醫(yī)用監(jiān)護儀具有以下幾個方面功能：測量功能、分析功能、報警功能、打印功能、網(wǎng)絡通信功能等。六參數(shù)模塊通過導聯(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，通過串口通信方式與以ARM7為內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，通過多任務調度，進行實時數(shù)據(jù)處理，并在LCD上實時顯示各種信號的圖形和數(shù)值，還可以由外部鍵盤控制，進行存儲和網(wǎng)絡發(fā)送，并對各種檢測信號設置報警線，對超出報警范圍的檢測情況進行報警。硬件結構圖1所示。

　　多參數(shù)監(jiān)護儀硬件結構

　　圖1　多參數(shù)監(jiān)護儀硬件結構圖

　　3　開發(fā)系統(tǒng)軟件設計

　　3.1　軟件開發(fā)總體介紹

　　利用PC機運行的Hitool forARM開發(fā)環(huán)境下調試程序：首先運行系統(tǒng)、Memory及I/O端口的初始化程序，隨后進入主程序，采用外部中斷方式，判斷是否有鍵輸入，若有則調用鍵盤控制子程序進行識別所按下的鍵，根據(jù)鍵盤的控制執(zhí)行相應的任務;若無就調用串口讀入程序，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，并依次分類進行處理，處理完畢，判斷是否超越各自的報警限，若是則調用報警程序和顯示程序，若否則直接調用顯示程序;這樣，各種數(shù)據(jù)就實時地采集進來，并在LCD上顯示測試數(shù)值和心電、呼吸波形。其中測試數(shù)值按每分鐘存儲，心電、呼吸波形按鍵存儲，按翻頁鍵可以調出相應的存儲波形并進行顯示;根據(jù)打印和網(wǎng)絡命令進行打印和網(wǎng)絡命令處理等。程序主要用C語言編寫。

　　3.2　串口的處理

　　硬件接口采用標準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，其它的握手信號直接懸空。要實現(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，無奇偶校驗位。

　　另外，在I/O端口初始化程序中，定義Uart_Init函數(shù)，對串行口各寄存器進行初始化，配置參數(shù)時鐘和波特率等。在設計中主要進行以下串行口寄存器設置：

　　UART線性控制寄存器ULCON1=0x3;

　　UART控制寄存器UCON1=0x245;

　　UART先進先出控制寄存器UFCON1=0x1;

　　UART波特率寄存器UBRDTV，根據(jù)公式計算出。

　　在串口讀入程序中，采用了中斷方式，來實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，達到實時控制的目的。串口程序數(shù)據(jù)接收過程為：調用Uart_Getch（）函數(shù)讀入N個字符，以數(shù)組的方式放置在SDRAM中，然后進行數(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

　　當有新數(shù)據(jù)需要顯示時， LCD顯示模塊將新的采樣數(shù)據(jù)寫入LCD顯示存儲器中， 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自動地將需要顯示的數(shù)據(jù)從顯示存儲器傳送到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)測內容。

　　3. 3. 1　LCD初始化

　　定義Lcd_MonoInit（）函數(shù)，在LCD的三個控制寄存器中，設置LCD掃描寬度等與硬件時序有關的量：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）在內核中開辟內存空間用于顯示內存

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

　　2）定義幀緩沖器長度，并對其賦初值設置一個行列與LCD

　　高寬相對應的數(shù)組pbuffer， pbuffer用于存放發(fā)送至顯示屏的每幀像點數(shù)據(jù)，像點數(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（八個四位）指針，每一個元素對應LCD顯示屏上的一個像素點，顯示方式采用4-bit單掃描，所以應當循環(huán)4800（字節(jié)） /4=1200次，實際上對應的單元數(shù)為整個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)處理主要對要顯示的數(shù)據(jù)進行處理（4bit到32bit的轉換）。

　　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

　　清屏對顯存的每個單元置零，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設備寫入數(shù)據(jù)

　　定義displayLcd（）函數(shù)為LCD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，首先把每個字符轉成一個16* 16bit的數(shù)組，組成字庫（本次實現(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］;

　　//進行4bit到32bit的數(shù)據(jù)轉換處理

　　pbuffer［ i］=~temp_data;

　　Delay（10）;

　　}

　　}

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

　　4　網(wǎng)絡命令處理

　　在硬件設計上采用以太網(wǎng)口，軟件上通過實現(xiàn)瘦TCP/IP網(wǎng)絡通 信協(xié)議，針對嵌入式系統(tǒng)特點對傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧進行裁減［4］，讓嵌入式多參數(shù)監(jiān)護儀支持輕量級TCP/IP協(xié)議棧而　直接連入 Internet。在設計將無實時要求和費時的TCP/IP協(xié)議簇的處理放在主程序順序循環(huán)中。網(wǎng)絡程序結構采取順序執(zhí)行和硬件中斷相配合的方式，這種硬件中斷是外部時鐘中斷，中斷級別要比非向量模式的FIQ中斷級別低，在系統(tǒng)空閑時進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互;對網(wǎng)絡接口控制芯片采用查詢方式，即在其他中斷任務的執(zhí)行間隙處理瘦TCP/IP協(xié)議簇，以犧牲響應速度來換取系統(tǒng)可靠性。

　　考慮到嵌入式醫(yī)用監(jiān)護儀在窄寬帶不可靠環(huán)境下實現(xiàn)實時監(jiān)測的要求，決定在網(wǎng)絡通信協(xié)議的傳輸層中，選用UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）。

　　5　結束語

　　介紹一種基于ARM的嵌入式多參數(shù)監(jiān)護儀的設計與實現(xiàn)，并應用于實際測量，為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)用監(jiān)護中的應用提供了一個很有意義的新思路和切實可行的方案。由于該網(wǎng)絡監(jiān)護儀主要面向醫(yī)院、社區(qū)和家庭，具有成本低、功耗小、數(shù)據(jù)存儲量大、數(shù)據(jù)處理速度快、便于遠程醫(yī)療、能同時實現(xiàn)實時多任務的操作等各項優(yōu)勢， 是現(xiàn)代醫(yī)療監(jiān)護進一步智能化、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前景。