1 引言
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的快速發(fā)展、城市化進(jìn)程的日益加速、人們生活節奏的不斷加快，越來(lái)越多的人們開(kāi)始感到自己的健康每況愈下，很多人直至病情突發(fā)才明白。據報道，我國絕大多數人都處于亞健康狀態(tài)。隨著(zhù)現代電子技術(shù)的發(fā)展，16／32位CPU的廣泛應用，傳統的生理信號監護儀的CPU系統也在逐漸的由8位CPU向更高位數的處理器發(fā)展。隨著(zhù)監護儀功能的強大，對數據處理速度的要求越來(lái)越高，使得8位CPU的發(fā)展受到了限制，16／32位CPU可以在遠高于8位CPU的時(shí)鐘頻率下正常工作，數據一次性吞吐量大，處理器的價(jià)格卻在下降，16／32位CPU開(kāi)始被廣泛應用于生理信號監護儀中。
該監護系統采用了ARM7系列芯片中的LPC2292嵌入式微處理器，主要用來(lái)測量人體的生理參數，如：心電圖、血壓、血氧飽和度、體溫等。因為系統需要采集、處理大量的數據信息，而在CPU上用單任務(wù)的軟件來(lái)處理這些數據信息是很難的，甚至是不可能的。因此在設計中選用可同時(shí)處理多任務(wù)的μC／OS-Ⅱ操作系統。其提供了安全可靠的操作系統平臺，縮短了開(kāi)發(fā)周期。
2 系統硬件設計
ARM 7系列芯片LPC2292最小系統如圖1所示：
系統的總體結構框圖如圖2所示。
由圖2可看出整個(gè)系統以ARM 7系列芯片LPC2292為核心，在其外圍擴展一些外圍電路，從而實(shí)現了對人體生理參數：心電、血壓、血氧飽和度、體溫的安全檢查。系統通過(guò)心電模塊、血壓模塊、血氧飽和度模塊、體溫模塊采集人體的生理參數、調理電路對這些信號進(jìn)行濾波和放大，LPC2292自帶的A／D轉換器將傳輸過(guò)來(lái)的模擬信號轉換為數字信號，最后人體的各參數指標通過(guò)LCD顯示。
2.1 ARM系統模塊
ARM系統是這個(gè)系統的控制中心，主要完成運算、控制、管理等工作，是系統工作的核心模塊。該系統采用的ARM 7系列芯片LPC2292，他是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位CPU，并帶有256 kb嵌入的高速FLASH存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使2位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30％，而性能的損失卻很小。由于LPC2292的144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、2路PWM通道以及多達9個(gè)外部中斷使他們特別適用于醫療系統、汽車(chē)、工業(yè)控制應用以及容錯維護總線(xiàn)。
2.2 LCD顯示模塊
LCD顯示模塊主要完成數據顯示、輸出數據與顯示數據的同步等功能。由于LPC2292中沒(méi)有液晶控制器的功能模塊，如果所選擇的液晶屏內部也沒(méi)有液晶控制器，那么，要使CPU可以對液晶進(jìn)行控制，就必須加設計一個(gè)液晶驅動(dòng)控制電路。因此本系統中選擇自帶控制器的液晶屏HLM6323。他是5英寸偽彩液晶屏，像素是320×240點(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)需要RGB三色數據，每種色需要1個(gè)字節數據表示。而設計要求需要連續觀(guān)看圖圖像，根據標準需要每秒鐘25幀圖像，那么每秒至少需要傳輸數據為25×8×320×240=15 360 000位數據，若選用串行傳輸，則需要4.6 Mb／s的串行傳輸速度，但是遺憾的是，沒(méi)有任何一種串行標準傳輸大于這個(gè)速度，因此，勢必需要選擇并行的數據傳輸。
2.3 報警模塊
當測得的生理參數，如心電、血壓、血氧飽和度、體溫超過(guò)預設的正常值，則產(chǎn)生報警，提醒患者趕緊進(jìn)行治療或醫護人員需進(jìn)行搶救措施。
2.4 FLASH數據存儲器以及USB接口
為了能夠確保實(shí)時(shí)數據的保存，以及提取，從而設計此模塊。本系統中選擇NAND08GW3D2系列的存儲器芯片。由于該芯片不同存儲密度器件引腳一致，因此系統可以在電路不做改動(dòng)的情況下升級為高容量存儲器件。通過(guò)USB設備接口芯片ISP1161A1擴展出一個(gè)USB的設備接口。通過(guò)該USB接口，可以實(shí)現將監護系統記錄的數據上傳到PC機，PC機也可以通過(guò)該接口下載程序到LPC2292處理器的存儲器中。
2.5 系統電源
電源設計是一個(gè)系統設計中的關(guān)鍵部分，對于整個(gè)系統，一個(gè)穩定的、具有一定功率的電源和合理的電源管理是必不可少的。本系統有以下幾種電源：CPU的內核數字和模擬電源電壓+1.8 V，CPU的I／O口數字和模擬電源電壓+3.3 V、總線(xiàn)的隔離電源、LCD的驅動(dòng)電源、LCD的背光逆變電源、其他外圍設備電源電壓+5 V等電源。
3 軟件設計
本系統的軟件設計主要包括ARM的應用程序的開(kāi)發(fā)和μC／OS-Ⅱ操作系統的移植2個(gè)基本部分。ARM的應用程序主要包括LCD顯示程序、FLASH存儲程序、USB通信程序、鍵盤(pán)掃描程序、A／D程序和報警程序等。μC／OS-Ⅱ操作系統是協(xié)調LPC2292對程序的任務(wù)管理和調度。整個(gè)系統的軟件流程圖如圖3所示。
3.1 LCD驅動(dòng)軟件的設計思想
LCD驅動(dòng)軟件的功能是完成數據最終輸出顯示，其主要軟件流程有數據的收發(fā)、LCD上按鍵的讀取、LCD掃描等。數據收發(fā)是為了完成數據與CPU、LCD液晶顯示器進(jìn)行數據的傳輸，CPU通過(guò)驅動(dòng)芯片向LCD輸送數據，而LCD要向CPU返回響應數據等。為了增強人機界面的可讀性，在LCD上設置了幾個(gè)按鍵，當有按鍵反應時(shí)，應當向CPU發(fā)出相應的響應，并且可以通過(guò)按鍵對LCD的顯示界面設置和對其他系統參數進(jìn)行設置。LCD的掃描是為了保證顯示不出現明顯間斷、不出現花屏現象，在出現花屏現象時(shí)能夠進(jìn)行準確的錯誤響應。其中的按鍵設計沒(méi)有給每個(gè)按鍵使用硬件中斷，因為在本系統中，LCD顯示驅動(dòng)的任務(wù)優(yōu)先級在應用程序中是最高的，按鍵統一使用一個(gè)硬件外部中斷，然后用軟件對按鍵進(jìn)行軟件中斷安排，確定軟件優(yōu)先級；另一個(gè)原因由于按鍵較多，沒(méi)有足夠的硬件中斷設置為按鍵中斷，如果設置為中斷擴 展，除了要進(jìn)行硬件的擴展，還要進(jìn)行軟件擴展，將浪費很多資源。
本設計中，LCD的驅動(dòng)需要編寫(xiě)2個(gè)文件，其中一個(gè)是C語(yǔ)言文件，另一個(gè)是C語(yǔ)言頭文件。C語(yǔ)言文件是通信接口協(xié)議文件，需要與其他模塊進(jìn)行數據的交換。而頭文件是設計一些LCD基本參數，在系統運行中，這些參數基本不變。
3.2 USB通信軟件的設計思想
本系統設計的USB通信軟件通過(guò)中斷響應來(lái)實(shí)現，這樣做的目的是CPU在沒(méi)有USB設備或者不需要USB設備時(shí)，可以進(jìn)行其他工作，節省CPU和操作系統的資源。其有利于保護CPU。
3.3 FLASH讀寫(xiě)操作軟件的設計思想
整個(gè)程序文件包括芯片的擦除、芯片的寫(xiě)入和讀取、數據的效驗等幾個(gè)部分。擦除是為了存儲器能夠進(jìn)行重復利用而不更換芯片；芯片的寫(xiě)入和讀取是整個(gè)文件的中心，負責存儲器的數據的寫(xiě)入，在適當時(shí)候要讀取數據；效驗是為了保證數據的正確，在錯誤時(shí)需要報警。
本設計中，存儲器有3個(gè)存儲器地址入口，所有的數據都需要經(jīng)過(guò)這3個(gè)地址入口，因此，必須保證此3個(gè)地址入口在任何時(shí)刻都沒(méi)有與其他地址發(fā)生地址交叉的狀況。
3.4 μC／OS-Ⅱ操作系統的移植
μC／OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統是一種可移植、可固化、可裁剪及可剝奪型的多任務(wù)實(shí)時(shí)內核(RTOS)，適合應用于各種微處理器和微控制器。其性能足可以媲美于各種商用內核，在某些方面表現更佳。所有代碼都是采用ANSI的C語(yǔ)言編寫(xiě)，故具有良好的可移植性。
μC／OS-Ⅱ不像其他實(shí)時(shí)操作系統，他提供給用戶(hù)的是一個(gè)標準的API函數，程序開(kāi)發(fā)人員利用操作系統提供的API函數進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)。要想在μC／OS-Ⅱ內核上進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)，就需要程序開(kāi)發(fā)人員在實(shí)時(shí)內核基礎上建立自己的實(shí)時(shí)操作系統。首先，把μC／OS-Ⅱ移植到自己的硬件目標板上，寫(xiě)出相應的驅動(dòng)程序以及用戶(hù)圖形界面等；在這些接口函數之上，加上用戶(hù)自己的應用程序，就構成了嵌入式軟件。
μC／OS-Ⅱ的移植條件是：處理器C編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼；處理器支持中斷，并能產(chǎn)生定時(shí)中斷；用C語(yǔ)言可以開(kāi)、關(guān)中斷；處理器支持一定數量的數據存儲硬件堆棧；處理器有將堆棧指針及其他CPU寄存內容讀出，并保存到堆?；騼却嬷械闹噶钸@5個(gè)方面的要求。Philips公司LPC2292芯片和ADS1.2的C編譯器一起可以滿(mǎn)足上述5個(gè)條件，因此本設計是完全可以移植操作系統，以提高系統的功能。
μC／OS-Ⅱ軟件的體系結構如圖4所示：
