基于ARM7的新型嵌入式心電監(jiān)護(hù)儀的研制

　　3.2、嵌入式處理器及外圍電路

　　S3C44B0X是Samsung公司為手持設(shè)備和一般類型的應(yīng)用提供了高性價(jià)比和高性能的微處理器解決方案。CPU內(nèi)核采用ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARMTDMI RISC處理器(66HZ)，內(nèi)核工作電壓為2.5V，帶有8KB的高速緩存，外部存儲(chǔ)控制器8個(gè)bank,共256MB，8通道10位ADC和支持彩色/黑白顯示LCD控制器，具有普通、慢速、空閑和停止功耗控制模式，精簡出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)適合于低成本和功耗敏感的設(shè)計(jì)。

　　3.2.1、A/D轉(zhuǎn)換

　　對心電信號的采用精度的考慮主要是出自于對ST段異常分析處理的要求，ST段電平變化為0.05mV已經(jīng)得到公認(rèn)，因此采樣精度至少為0.025mV。根據(jù)美國心臟學(xué)會(huì)AHA標(biāo)準(zhǔn)和Nyquist采樣定律，當(dāng)信號采樣頻率等于或大于信號最高頻率的2倍時(shí)，就可以從抽樣后的信號中不失真的還原出原信號。ECG頻率范圍為0.05-100HZ，我們?nèi)〔蓸宇l率為200HZ，即采樣周期為5ms.S3C44B0X內(nèi)部有一個(gè)逐次逼近型8路模擬信號輸入的10位ADC，輸入滿刻度電壓為2.5V，能分辨出來的輸入電壓變化的最小值為2.5V/210=2.5mV，心電采集放大倍數(shù)約為1000倍，輸入端的最小分辨率約為2.5mV/1000=0.0025mV，故完全滿足系統(tǒng)采用要求。

　　3.2.2、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器Flash ROM和SDRM擴(kuò)展

　　S3C44B0X自身不具有ROM，因此必須外接ROM器件來存儲(chǔ)掉電后仍需要保存的程序代碼和數(shù)據(jù)。我們采用了SST公司推出的容量為1MB×16的CMOS多用途Flash ROM,它具有可靠性好、功耗低、讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)復(fù)位后，首先從0X00000000地址處開始執(zhí)行，系統(tǒng)啟動(dòng)代碼應(yīng)該以此地址開始存放，所以Flash映射在處理器的Bank0區(qū)域內(nèi)。

　　采用Linksmart公司的一種容量為8MB的SDRM L43L16064作為系統(tǒng)程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)區(qū)和堆棧區(qū)，供系統(tǒng)快速讀寫。它的存儲(chǔ)方式為4Bank×1MB×16，采用多Bank和管道結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)刷新、低功耗和掉電模式。其存儲(chǔ)空間映射在S3C44B0X的Bank6上，地址范圍為：0XC000000H-0XCFFFFFFH。

　　3.2.3、液晶顯示LCD和鍵盤模塊

　　為了使用戶能夠?qū)Σ杉降男碾娦盘栍幸粋€(gè)直觀的印象和進(jìn)行常識(shí)性的觀察，我們采用了EPSON公司的EG1147型FSTN單色液晶顯示模，對時(shí)間、波形、心電參數(shù)和系統(tǒng)菜單進(jìn)行顯示，同時(shí)配合按鍵進(jìn)行儀器控制和設(shè)定。它的顯示器點(diǎn)陣為240×320，采用EL背光源，自帶驅(qū)動(dòng)器，通過對S3C44B0X內(nèi)置LCD控制器編程，將定位在存儲(chǔ)器的顯示緩沖器內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)傳送給外部LCD的驅(qū)動(dòng)器中，PC口和PD口作為LCD驅(qū)動(dòng)接口，設(shè)置PC口工作在第三功能狀態(tài)，PD口工作在第二功能狀態(tài)。

　　3.2.4、以太網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)

　　S3C44B0X沒有集成網(wǎng)絡(luò)接口控制器NIC(Network Interface Controller)，因此我們?yōu)橄到y(tǒng)擴(kuò)展了一個(gè)REALTECK公司的RTL8019AS控制器，它與NE2000兼容，軟件移植好，接口電路簡單。RTL8019AS工作原理：驅(qū)動(dòng)程序把要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照指定格式寫入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令即可。反之，芯片從物理通道上收到信號會(huì)直接根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議把他們轉(zhuǎn)化成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)，并發(fā)出中斷，請求CPU讀取數(shù)據(jù)。

　　四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要包括嵌入式操作系統(tǒng)uClinux在S3C44B0X上的移植，心電數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，基于S3C44B0X的嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)等。

　　4.1、嵌入式uClinux操作系統(tǒng)在S3C44B0X上的移植

　　uClinux是專門針對無MMU(Memory Management Unit 內(nèi)存管理單元)的處理器而設(shè)計(jì)的一種免費(fèi)開放源代碼的操作系統(tǒng)。支持多任務(wù)，采取模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)移植可分為bootloader和內(nèi)核的移植兩大部分。

　　Bootloader從本質(zhì)上講它不屬于系統(tǒng)內(nèi)核，在CPU上電啟動(dòng)后即開始運(yùn)行，創(chuàng)立初始化環(huán)境和引導(dǎo)內(nèi)核。這部分代碼用匯編語言編寫，主要完成硬件初始化，對系統(tǒng)的存儲(chǔ)映射(memory map)進(jìn)行初始化設(shè)置等操作，同時(shí)改變PC值，使得CPU開始從SDRM執(zhí)行操作系統(tǒng)的內(nèi)核。

　　內(nèi)核移植時(shí)首先RedHat Linux環(huán)境下下載源代碼文件包建立交叉編譯環(huán)境，接著進(jìn)入uClinux-dist文件夾進(jìn)行內(nèi)核配置，系統(tǒng)配置主要由三部分組成：Makefile、配置文件(config.in)和配置工具(在/script目錄下)。運(yùn)行make menuconfig命令，會(huì)現(xiàn)頂層菜單，選擇硬件系統(tǒng)、內(nèi)核版本和C庫的選擇，我們在這里vendors選Samsung的S3C44B0X，內(nèi)核版本為Linux-2.4-x,C庫選uClibc。接著要修改源代碼，對應(yīng)于各個(gè)硬件的子目錄中，例如在uClinux-dist/linux-2.4-x/drivers/修改或增加驅(qū)動(dòng)程序;保存設(shè)置退出后運(yùn)行再執(zhí)行make dep和make lib_only命令,生成C庫;運(yùn)行make user_only生成應(yīng)用程序;接著運(yùn)行make romfs和make image,生成rom文件系統(tǒng)，拷貝內(nèi)核文件到uClinux-dist/images中;最后運(yùn)行make,生成可供嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)核文件，這時(shí)可以在uClinux-dist/images中出現(xiàn)三個(gè)文件:含“rom”是壓縮內(nèi)核，含“ram”是直接運(yùn)行的內(nèi)核，romfs.img是uClinux的文件系統(tǒng)。“ram”和“rom”文件可以通過超級終端從PC串口下載到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存中直接運(yùn)行，這時(shí)超級終端上也將顯示uClinux的啟動(dòng)信息。

　　4.2、基于S3C44B0X的嵌入式GUI的實(shí)現(xiàn)

　　屏幕驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)主要是PSD(Pointer to Screen Device)的結(jié)構(gòu)指針，指針?biāo)赶虻慕Y(jié)構(gòu)中記錄了有關(guān)的一切屬性，根據(jù)顯示屬性判斷選擇那個(gè)子函數(shù)來提供有關(guān)的顯示函數(shù)。圖形引擎調(diào)用PSD完成矩形，圓形等作圖函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用底層的屏幕驅(qū)動(dòng)基本作圖函數(shù)來完成圖形顯示。

　　4.3、RTL8019AS驅(qū)動(dòng)程序在uClinux下的實(shí)現(xiàn)

　　在uClinux中，網(wǎng)絡(luò)接口被看作是一個(gè)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的實(shí)體，用一個(gè)net_device的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中定義對網(wǎng)絡(luò)接口的各種操作。程序我們是在uClinux網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)文件的基礎(chǔ)上修改而成，主要修改在/drivers/net下的兩個(gè)文件：ne.c和8390.c，包括芯片的初始化、收包、網(wǎng)絡(luò)注冊等大部分工作。內(nèi)核在初始化時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用函數(shù)ne_probe()，讀取RTL8019AS標(biāo)識(shí)寄存器，檢測設(shè)備是否存在以決定是否啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序，配置和初始化硬件，然后初始化net_device結(jié)構(gòu)中的變量，再調(diào)用Rtl8019as_init()對RTL8019AS做寄存器的相關(guān)設(shè)置，最后根據(jù)starp的值來啟動(dòng)和關(guān)閉RTL8019AS。

　　五、結(jié)束語

　　針對心電信號ECG極其微弱和極易受到外界干擾的特點(diǎn)，本文的創(chuàng)新點(diǎn)為采用具有低漂移、共模抑制比的儀表放大器AD620對信號進(jìn)行初級放大，并設(shè)計(jì)右腿驅(qū)動(dòng)電路以增強(qiáng)信號的抗干擾能力; LCD的引入給人直觀的印象和常識(shí)性的判斷;采集到的數(shù)據(jù)可通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，供專家分析和診斷;嵌入式uClinux的引入保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行;小型化的設(shè)計(jì)，更有利于患者的攜帶。隨著心血管疾病的發(fā)病率不斷地逐年上升，這種便攜式心電監(jiān)護(hù)儀具有很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場前景。

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