（通信与信息系统专业论文）基于uclinux的嵌入式远程心电血压记录仪的研制(1).pdf

摘要近年来，嵌入式系统产业发展极为迅速，已经广泛用于移动计算设备、网络设备、工业控制、信息家电、娱乐设施、医疗器械等领域。在此背景下，本文将开源的l i n u x 技术、嵌入式用户图形界面( g u i ) 和现代微处理器技术相结合，设计开发了远程心电血压记录仪。本记录仪以s a m s u n g 公司的基于a r m t t d m i 内核的s 3 c a 4 b o x a r m 处理器为核心，以u c l i n u x为操作系统，m i c r o w i n d o w s 为用户图形界面( g u i ) 以及一些必要的外围器件构成。本文介绍了远程心电血压记录仪的设计过程，包括硬件系统的设计、引导程序b o o t l o a d e r 的介绍、源代码公开的b o o t l o a d e r - - u - b o o t 的功能剪裁、移植：u c l i n u x 的介绍、u c l i n u x 针对本记录仪硬件特点和功能要求进行的剪裁和移植；基于u c l i n u x 的数据采集模块和键盘模块的驱动程序的编写；数据采集模块应用程序接口( a p i ) 的编写：图形卡驱动程序f r a m e b u f f e r 的介绍，编写和修改；图形用户界面m i c r o w i n d o w s 移植、相关应用程序的开发等。关键词：u c l i n u xm i c r o w i n d o w su - b o o te c g 嵌入式收缩压舒张压j e m b e d e ds y s t e mi n d u s t r yi sc o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n gs w i f l l ya n dv i o l e n t l yi nt h e s ey e a r s , w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt om a n yf i e l d s ，s u c ha sm o b i l ec o m p u t i n gd e v i c e ，n e t w o r kd e v i c e , i n d u s t r i a ld e v i c e , i n f o m m t i o na p p l i a n c e s , a n t o m o b i l ee l e c t r o n i c , a m u s e m e n te s t a b l l s h m e t i t , a p p a t a t u sa n di n s t r u m e n t s , e r e i nt h i sb a c k g r o u n d , t h i sp a p e ri m e 厚a t e dt h es o u r c e - o p e n e dl i n e xa n de m b e d d e d 粤a p h i cu s c ri n t e r f a c ea n dm o d e mm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y t o g e t h e r a n d d e v e l o p e d t h er e m o t e e o g 仍p i e a r d e r b er e c o r d e rb a s e do nt h es 3 c 4 4 b o xp r o c e s s o ro fs a m s u n g s o u r c e - o p e n e de m b e d d e du c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m , a n dt r a 酬a n t a b kg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e - - m i c g o w m d o w sa n ds o i i 硷o t h e rc o m p o n e n t st om e e tt h er e q u e s to f p o r t a b l eu s a g e 瞰p a p e rh x t g o d u c e da n dr e s o l v e df o l l o w i n gq u e s t i o n ，s u c ha sd e s i g n e dt h eh a r d w a r es y s t e m , i n t r o d u c e dt h eb a s i cc o n c e p to ft h eb o o t l o a d e ra n dp o r tt h es o u r c e - o p e n e db o o t l o a d e r - 一u - b o o tt ot h er e c o r d e r ；m o d i f i e ds o m es o u r c ef i l eo f n c l i n b xt om e e tt h e q u e s to ft h er e c o r d e ra n dp o r t1 0i t ；d e s i g n a dt h eb u t t o nm o d u l ea n dt h ed a t as a m p l i n gm o d u l ec h i v ea n dt h ea p p l i c a t i o nu s e ri n t e r f a c ef o rt h o s et w od e v i c ed r i v e ；i n t r o d u c e dt h es t n l c _ 吣r eo ff r a m e b u f f e r , w h i c hw i d e l yu s e di nl i n u xs y s t e m , a n dh o wt om o d i f i e dt om e e tt h er e s q u e s to f t h el c dc o n t r o l l e ro fs 3 c 卅b o xp r o c e s s o ra n dt h e1 6 - l e v e lg r a ys kl c d ；i n t r o d u c e dt h em i c r o w i n d o w s ss i n 】c l u 地a n dp e r tt ot h er e c o r d e r , a n dl a s td e s i g n e ds o m ea p p l i c a t i o no ft h ee c g b pr e c o r d e r , f o re x a m p l et h eb pi n e a s u g om o d u l e ，s y s t e mi n f o r m a t i o nm e n a g e 瑚d u l e 。t h ee c gd a t aa n a l y s em o d u l e ，d a t ar e m o t et r a n s m i tm o u d u l ea n ds oo i lk e yw o r d s ：u c l i n t l x ，m i c r o w i n d o w s ，u - b o o t ，e c g , a r m ，e m b e d d e d ，s b p ，d b pi i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作以及取得的研究成果。据我所知，除了问中特别标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果，也不包含为获得盘量盘茔或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示感谢。学位论文作者签名：日期：韶车1 6 月，阴学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解壹墨盘鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权壹量盘茔可以将学位论文的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解秘后适用本授权书)学位论文作者签名：彩弋沙噶签字日期。辟易月f 沙日i工作单位：通讯地址：导师签名：圣1 1 协呼签字日期拍年6 月， 日电话：fk ，) ，；。z vp搿1 1 引言第一章绪论心血管疾病是当今世界威胁人类最严重的疾病之，其发病率和死亡率己超过肿瘤性疾病而跃居第一。根据世界卫生组织( w h o ) 统计资料显示：心血管疾病每年夺走1 2 0 0 万人的生命，接近世界人口总死亡数的1 4 ，已经成为人类健康的头号大敌。在中国，每年大约有2 6 0 万人死于心血管疾病，每天大约有7 0 0 0 死于心血管疾病，每1 2 秒就有一人死于心血管疾病。心电信号e c g ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ) 是诊断心血管疾病的主要依据，所以建立远程心电监护系统是有重大社会、经济效益。它改变了病人感觉到不舒服时必须到医院才能够得到诊断的传统就诊方式，使病人足不出户就可以享受医疗保健，免去了往返医院的辛劳奔波之苦，更重要的是，心血管疾病具有间歇性，病人感觉不舒服的时候，有可能到了医院这种症状就消失了，所以很难对症下药。有了远程心电监护系统，就可以做到实时监测，为医生抓住了宝贵的诊断时间，不仅提高了工作效率，更重要的是大大提供了诊断疗效，从很大程度上推动了远程医疗的发展。远程监护( t e l e - m o n i t o r i n g ) 技术是近年来远程医疗中一个非常重要的研究领域，但在远程医疗中又是一个相对薄弱的研究领域。远程监护是一种通过对生理参数进行连续监测来研究远端对象生理功能的方法。最早应用远程监护的是美国航天局2 0 世纪7 0 年代运用监护技术对太空中的宇航员进行生理参数监测。目前美国军方正在研究一种供战时使用的人体状态监护仪( p s m - p e r s o n n e ls t a t u sm o n i t o r ) ，这种微型仪器由士兵携带，用于监护佩带者的呼吸、体温、心率等参数，其作用在于估计受伤者是否活着并可确定受伤者的所在地。由于心血管疾病特别是心脏病发病时一般具有突发性和危险性的特点，因此，将心电图的实时监控作为远程监护的一个重要应用。目前研究的远程心电监护系统一般有两种类型：1 心电b p 机系统b p 机系统的终端一般包括一个类似于b p 机大小的心电监护记录单元和通信单元。监护记录单元的功能是对佩带者的心电图进行监测。当发现心电异常或者佩带者感到不舒服时按下记录按钮可记录下心电图，然后用户将监护记录单元中的心电图通过接口转化经电话送往医院。位于医院或诊所的中心端一般为中心计算机，能完成心电图的接收、显示、归档，诊断等功能。目前市场上的心电图远程监护大多为这类系统，包括以色列的s h l h a l 医疗服务公司的电话传输心电图监护系统、c a r d g u a r d 公司的c a r d g u a r d 系列心电监护系统、t i e 公司的a e r o t e l 电话传输心电图等系统、美国的h e a r t f a x 、h e a r t m i r r o r 、h e a r t v i e w 系列心电监护产品、瑞典的c a l i b e rt r i g g e rm o n i t o r 系统和国内珠海中立电子公司生产的院外心脏病集群监护系统“护心神 电话传输心脏监护系统。2 心电长时间实时监护系统如清华大学研制的家庭心电血压监护网系统。该系统的家庭端单元由一个便携式心电检测仪和一台智能心电实时监护仪器构成。检测仪以无线电方式发送的心电图由智能心电监护仪接收并对接收的心电图进行实时处理。当异常心电图超过报警阈值时自动拨号将当时的心电图通过调制解调器实时送往医院。该系统在病人不适时具有手动按键报警功能和类似h o l t e r 的心电图长时间记录发送功能。心电远程监护仪是集计算机技术、电子技术、网络技术、生物医学等学科的综合性嵌入式系统。在计算机、网络等高度发达的后p c 时代该技术更趋向于成熟，下面对嵌入式系统方面的概念给予介绍。1 2 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义到目前为止，嵌入式系统并没有一个统一标准的定义，下面给出了一个较为通用的解释：即嵌入式系统是一个专用的计算机系统。它具有以下特点：专用性嵌入性计算机系统嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力，才会体现出优势。它具有很强的专业性，必须结合实际系统需要进行合理的剪裁利用。根据应用需求对软硬进行剪裁，满足应用系统的功能、可靠性能、成本和体积等要求。1 3 嵌入式系统的发展嵌入式系统的出现到现在已有几十年的历史，近年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术己成为一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致分为以下四个阶段。第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式出现的系统，具有与监测、伺服、指示设备相结合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统直接控制。这阶段系统的主要特点是：一系统结构和功能相对单一，处理效率低，存储容量小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的，需要相当容2量存储要求的现代工业控制和新兴信息家电等领域的要求。第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性：应用软件较专业化，用户界面友好。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统内核小，效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理，多任务，网络支持，图形窗口以及用户界面等功能：具有大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序比较简单；嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数系统还处于孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。1 4 嵌入式系统的组成嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成。1 4 1 嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的最大不同点在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并且具有高效率、高可靠性等特点。1 处理器的分类目前，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，比较流行的体系结构有3 0 几个系列。在这么多的系列中，主要可以分为以下几类。嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e 肝u )嵌入式微处理器主要有a m l 8 6 8 6 ，3 8 6 e x ，s c - 4 0 0 ，p o w e rp c ，6 8 0 0 0 0 ，m i p s ，a r m等嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u )嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m ，r a m ，总线，总线逻辑，定时器，a d ，d a 等外围设备。比较通用性的有8 0 5 1 ，p 5 1 x 等嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p )主要有t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，i n t e r 的m c s 一2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e3等。嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p )1 4 2 外围设备外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可以分为以下三类。存储器静态易失性存储器( r a m s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失性存储器( f l a s h ) 。其中f l a s h 以擦写次数多，存储速度快，容量大以及价格低等优点在嵌入式领域得到广泛应用。接口应用最为广泛的包括并行口、r s 一2 3 2 串行口、i r d a 红外接口、s p i 串行外围设备接口、1 2 c ( i n t e ri c ) 总线接口、u s b 通用串行总线接口和e t h e r n e t 网口等。人机交互有l c d 、键盘和触摸屏等人机交互设备1 4 3 嵌入式操作系统在大型嵌入式应用中，为了使嵌入式系统开发方便快捷、安全可靠，需要一种软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，增强了系统的可靠性，但同时也占用了宝贵的系统资源。早期的嵌入式系统几乎都用于控制目的，从而或多或少的都有实时要求，所以以前嵌入式操作系统往往都是实时操作系统。近年来，由于手持计算机和掌上电脑等设备的出现，也有了不少不带实时要求的嵌入式操作系统。现在比较流行的嵌入式操作系统主要有以下几种：v x g o r k s 【0 1 1w i n d o w sc e 眈3u c o s i i 旧1嵌入式m n u x u c li n u x 0 i 41 4 4 应用软件现在的嵌入式系统中应用程序分为两大部份：1 图形用户界面( g u i )随着嵌入式系统向消费类电子产品领域的扩展，嵌入式系统的交互功能逐渐成为一个新的研究热点，为嵌入式系统量身定做的图形用户界面g u i 也不断涌现。主流的嵌入式g u i 有：m ic r o w i n d o w s 汹1o p e n g u l 【嘲o t e m b e d d e d t 们1m i n i g u i 【删2 针对特定领域的应用程序该应用程序针对特定的专业领域，基于相应的嵌入式硬件平台，并能完成用户预期任务的计算机软件，在本记录仪中该部分主要指用于完成血压测量、心电数据采集、分析和管理等功能的应用程序。本课题的主要工作本研究课题是将嵌入式l i n u x 技术与a r m 技术相结合，设计出一台性能优良，功能强大，使用方便的远程心电血压记录仪。围绕上述目标，本课题做了以下工作：硬件平台的设计以s a m s u n g 的s 3 c 4 4 b o x 的d e m o 板为模板，根据记录仪的具体要求对硬件进行定制，设计一套嵌入式系统平台。该平台基于s a m s u n g 的s 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器，配置外部存储器f l a s h ，l e d ，键盘、数据采集模块等，以及移植必要的系统引导代码u - b o o t u c l i n u x 的移植针对硬件平台，对u c l i n u x 的系统启动代码、中断机制等进行分析、修改，剪裁模块，编译出能在本平台上稳定运行的u c l i n u x 操作系统。基于u c l i n u x 图形用户界面( g u i ) 的驱动的开发和移植选择合适的图形用户界面，并移植基于u c li n u x 的f r a m b u f f e r 驱动程序编写相关模块的驱动程序和a p i 函数编写数据采集模块、键盘等的驱动程序和相应的a p i 函数。一硬件剪裁，设计样机s第二章硬件结构嵌入式系统是以应用为中心的，强调体积和功能的可剪裁，以完成控制、监视等功能的专用系统。在本记录仪中，即以完成血压测量，心电数据的采集、分析、显示、数据传输等功能的便携式心电血压记录仪。它由嵌入式系统所共有的通用模块和本记录仪所特有的心电血压数据采集模块和充放气控制模块组成。嵌入式系统的设计是一个不断反复完善的自我上升过程。即设计系统原型，然后再在后续的设计开发过程中不断更改、完善原型，以满足最终的设计要求。2 1 硬件开发平台的建立2 1 1 开发平台结构本平台采用双结构形式，即以s a m s u n g 的s 3 c 4 4 b o x 为c p u 的核心的通用模块，心电血压数据采集模块和充放气控制模块等部分组成。最后，将心电血压数据采集模块和充放气控制模块当作处理器的i o 外部设备来实现两者的连接。记录仪结构如图2 - 1 。图2 - 1 记录仪结构框图下面介绍本记录仪的各个主要模块一。1 s 3 c 4 4 b o xc p u 】该处理器是s a m s u n g 为手持设备和一般性应用提供的高性价比的微处理器解决方案。为6一一一一一一一一了降低系统成本，该处理器还集成了以下外围设备：8 k bc a c h e 、可选内部s r a m 控制器，l c d控制器，2 个u a r t 、4 个d m a 、内存控制器、6 个带p w m 的定时器、i o 口、r t c ：8 通道1 2位a d c 、i i c i i s 总线接口、同步s i o 接口和时钟p l l 等。s 3 c 4 4 b o x 基于a r m t t d m i 内核、0 2 5 u m c o m o s 工艺开发的。它的低功耗、精简指令系统特别适用于对成本、功耗、性能要求很敏感的应用。内部结构框图如图2 - 2 。图2 - 2s 3 c 4 4 b o x 内部结构框图2 存储器存储器控制模块( 1 ) 存储器控制器、s 3 c 4 4 b o x 内部集成了一个存储器控制器，具有如下功能：支持大小端模式，整个寻址空间分为8 为b a n k ：6 个b a n k 支持r o m ；2 个b a n k 可支持r o m ，s r a m ，e p e d o s d r a m 。每个b a n k为3 2 m 空间，共2 5 6 m 空间；具有可编程的数据宽度( 8 1 6 3 2 b i t ) 等，其存储器映射图如图2 3 。对于s 3 c 4 4 b o x 的内存配置，有以下四点需要特别说明_ _ r xy v v vrjlj斟k x 拍翻撼o r 枷l 瓤蠡r删嗍 r 撕幻伽斟筠f 7 o x o a 0 00 0 0 c s r a 船曩捌舟0 r 别艄黼- j 触卅蠢& b佃。嘲o 蹴o oo o o c pjks r o l 柚k5笛瞒旧佃国筠匐嘲p o o o 1rjls r 0 1 4曩衄kl3 拥f n 0 渊m 叫9 c 啪rjl 盈黼嗣唯盯：田8 r o u瑚缸岫黜懒ll - 盘3细q 嗍暇蚺蛳o ，撇jll q 2鬟喇日狂i q c 购暇洲! 烈啪jl8 r o m暑吐i笛嘲b佃鼢1 )_p一6 1 1 “一78 州l i i n 商o n黜棚- 枷jjjflku u l o y v v v - r衅瑚lr 一上一，i - _ k0 j 、 0 峨h l图2 3 存储器映射图从图2 - 3 可以看出，b a n k 6 和b a n k 7 一般为s r a m 区，且这两个b a n k 的可寻址的实际的物理内存大小必须相等。寻址内存大小和地址的关系如表2 - 1表2 - 1 寻址内存大小与地址关系删脯i2 m bl4 m bl8 m b1 6 m bi3 2 m bb a n k6s t a r ta d d r e s sio x c o o _ o o o olo x c o o _ o o o olo x c 0 0 _ 0 0 0 0o x o o o _ o o o oio x c 0 00 0 0 0e n di k i d r e s slo 髓l f _ m fio x c 3 l 傩lo x c n _ m f钡哦廊io x d u _ 佩b a n k7s t a r ta d d r e s sio x c 2 0 _ o o o oio x c 4 0 _ o o o olo x c s o _ 0 0 0 0o x d 0 0 _ 0 0 0 0io x e 0 0 _ 0 0 0 0e n d8 d d l e 翳lo x c 3 f _ f f f fio x c r f _ e elo x a f _ e eo x d t f _ 哺lo x 研_ e e大d , 端( l i t t l e b i ge n d i a n ) 模式的配置处理器支持两种内存模式，即大端模式和小端模式，这两者的区别如表2 - 2 。当系统复位时，即处理器的r e s e t 引脚为低电平的时候，大小端模式由e n d i a n 引脚决定，当该引脚为低电平，则为小端模式( l i t t l ee n d i a n ) ，否则则为大端模式( b i ge n d i a n ) 。在系统启动后其它b a n k 的大小端模式可通过相关的寄存器设置：一8表2 - 2 大小端( l i t t l e b i ge n d i a n ) 存储格式3 1o字单元a半字单愈半字单元 + 2t - 巾早，l 字节单元 + 1字节单元a + 2字节单元a + 3大端( b i e _ e n d i a n ) 存储系统。字单元半字单元 + 2半字单元a字节单元a + 3字节单元 + 2字节单元a + 1字节单元a小端( 1 i t t l l - - - m l i m a ) 存储系统总线带宽系统启动时，必须确定b a n k0 的总线宽度，即将其配置为8 1 6 3 2 b i t 中的一种，否则，系统无法正常运行。b a n k0 总线的宽度在系统复位时由处理器的o m o 、o m l 两个引脚的输入状态决定。具体关系如表2 - 3 。系统启动后，需要通过初始化程序对其他b a n k 的总线宽度进行配置。表2 - 3b a n k0 总线宽度配置o m lt o p e m u n gm o d e1 )0 1 , 1 0c o p e r a t l n gm o d e 铆b o o u n gr o d a t aw i w hoob - b 赶011 6 - b i t1o3 2 越t11t e s tm o d e内存控制器的配置内存控制器主要由1 3 个连续的寄存器组成，该组寄存器的配置必须由s t m i a 命令进行配置，具体方法参见s 3 c 4 4 b o x 数据手册。( 2 ) 存储器系统中存储器主要由两部分组成，一部分为非易失性的固态存储器，用以保存内核、文件系统、用户程序等。另一部分为程序运行存储器，如同p c 机中的内存，主要用于内核、程序的运行以及临时数据的存储。系统程序运行存储器为h y n i xs e m i c o n d u c t o r 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 “”s d r a m 存储器。该存储器容量为4b a n k s i m x1 6 位，数据宽度为1 6 b i t ，与c p u 的连接图如图2 4 。a d d r l - - a d d r l 2 ，a d d r 2 1 ，a d d r 2 2 为地址总线，与s 3 c 4 4 b o x 的地址总9线相连；d a t a o - - d a t a l 5 为1 6 位数据总线，与s 3 c a 4 b o x 的数据总线相连；s c k e s c l k ，n w b e o ，n w b e i ，n s c s ，n s r a c ，n s c a s ，n e w 等为读写控制线，与s 3 c 4 4 b o x 的控制总线相图2 - 4s d r a m 与s 3 c 4 4 b o x 连接图3 以太网通信模块该模块由网络控制芯片r t l 8 0 1 9 a s “”以及外围电路组成。r t l 8 0 1 9 a s 是一款高度集成的以太网控制芯片，它有两种工作模式：一种是跳线模式( j u m p e r ) ，另外一种是非跳线模式( j u m p e r l e s s ) ，后者也支持即插即用( p l u ga n dp l a y ) 。在微控制器系统中一般都采用跳线模式。i o 端口的基地址i o _ b a s e _ a d d r e s s 由微控制器和r t l s o l 9 a s 之间的硬件连接决定。r t l 8 0 1 9 a s 还具有8 个i r q 接口。系统中采用了i n t o ，即连接到了s 3 c 4 4 b o x 的e x t i n t l ，数据宽度为1 6 b i t 。连接图如图2 - 5 ，a d d r i - - a d d r 5 为r t l 8 0 1 9 a s 的偏移地址，与s 3 c 4 4 b o x 的地址总线相连；d a t a o d a t a l 5 为1 6 位数据总线，与s 3 c 4 4 b o x 的数据总线相连，e t l i n t 为中断信号线，与s 3 c 4 4 b o x 的的e x t i n t l 相连：h o e ，n w e ，n 8 0 1 9 _ c s 为控制信号线，与s 3 c 4 4 b o x的控制总线相连。具体见附录a 。1 0图2 - 5r t l 8 0 1 9 与s 3 c 4 4 b o x 连接图4 心电血压数据采集模块数据采集模块主要由传感器，滤波放大电路、a d 采样芯片等组成，其结构图如图2 - 6 所示。( 1 ) 该数据采集模块模拟部分由六个通道组成，前四个为心电信号通道，每个通道又由相互独立的电极片、前置放大电路、高通滤波、二阶巴特沃兹低通滤波电路等组成。后两个通道为血压脉搏检测通道，由压力传感器m p x 5 3 m 1 、前置放大电路、高通滤波、二阶巴特沃兹低通滤波和放大电路等组成。 嗽l l tj l i m l , g 。1 0 0 k q + 一1t +心( 公式2 - 1 )为了避免进入截至和饱和状态，前置放大增益不因过大，设计增益为2 1 ，即g = 2 1 ，r c = 5 k s 0 ，电路如图2 7 ，v 1 ，v g n d l 与电极片相连。图2 - 7 前置放大电路高通滤波一般二阶高通滤波器的传递函数为g ( s ) 2 丽u o ( s ) 2 面而再丽g o y , y 丽2 丽公式2 2 )、7u ( s )瞩+ k ( x + k + 匕) + k 匕( 1 一g 0 )一一。在构成二阶高通滤波器时，只需要选择x ，k ，k ，k 的导纳值即可。当1 2 1 = s c t ，k = 哆，匕。瓦1 ，k2 意时，则构成如图2 _ 8 的二阶高通滤波器电路。对于图2 8所示的二阶高通滤波器电路，其传递函数为g t 器一旦s 2 + e t o s + t 0 2( 公式2 - 3 )式中，通频带增益为+ 鲁，自然角频率为q 一压，阻尼系数为s 一愿+ 辱愿一了槲躺鹇c 加州删q 一去，一3 一c o 。本电路设计的二阶高通滤波器参数分别为c l = c 2 一c 一0 3 3 u f ，r r = r 6 4 0 k q ，r ，= 1 5 1 k ，r = l o k ，截至频率为。石1而。石聂葫函两1而丽。o75hz9r1( 公式2 4 )j 。，r 口r6y 4 n 、，1 n 3 v n1 2 、，n 一6 一u 。、a 一、厶1 ，图2 8 二阶高通滤波电路二阶巴特沃兹低通滤波为了消除高频干扰，在检测电路中设计了一个二阶巴特沃兹低通滤波器。采用二阶巴特沃兹低通滤波电路可以获得较好的滤波效果。一般二阶低通滤波器的传递函数为1 3g 。丽u o ( s ) 面丽案瀛( 公式2 - 5 )一阢0 )弛+ k + k + e ) + 巩( 1 一g o )一。当选择x 一瓦1 ，k i 1 ，匕= 蛙，k s q 时，则构成图2 1 2 所示的二阶低通滤波器电路，对图2 - 9 所示的二阶低通滤波器电路，其传递函数为一一删一丽vo(s)=旦s2+e(dns-i-o)：( 公式2 喝)她零频率增益为叫+ 鲁m 角频率为q 一压，阻尼系数为s 一雁+ 辱c 蜃一一引雌二的传递函数为g c 咖蠢蠹ss i + ，+ 上( 公式2 - 7 )二阶低通滤波器的阻尼系数的大小，决定了幅频特性有无峰值或者谐振峰的高低。为了简化设计，在所设计的二阶巴特沃兹低通滤波中，其参数满足如下条件：c l c 2 = c ，r = r - - r 这里设定二阶低通滤波器截止频率为2 3 h z ，即正= 2 3 h z ，由一云凉1 石，选取c = o 1 u f ，可计算得到尺= 6 9 七q 。查找标准化巴特沃兹滤波器分母多项式表，可得到二阶巴特沃兹滤波器的阻尼系数= 1 4 1 4 ，结合c l c 2 = c ，r 一心一r 的条件，由此可计算得到零频率增益为g o = 3 一= 3 1 4 1 4 = 1 5 8 6 ，其中g o = 1 + r “i = 1 5 8 6 = 1 + o 5 8 6 ，选取r = l o k , 则尺，= 5 8 6 k图2 - 9 二阶巴特沃兹低通滤波鎏一一图2 - 1 0e c g l 模拟通道图2 一l l 血压模拟通道( 2 ) 虽然s 3 c 4 4 b o x 内部有8 路a d ，但是其没有采样保持电路，而且采样频率低，不适合心电血压数据的采集，因此采用了t i 公司的t l c l 5 4 3a d 芯片n 5 ，该芯片是i l 通道的c m o s 、1 0 位开关电容逐次逼近模数转换器。它有三个输入端和一个三态输出端：片选( c s ) 、输入输出时钟( i oc l o c k ) 、地址输入( a d d r e s s ) 和数据输出( d a t a o u t ) 。t l c l 5 4 3 工作过程介绍：t l c l 5 4 3 的工作过程分为两个周期：i o 周期和实际转换周期i o 周期一开始，片选端c s 为高电平，此时i oc l o c k 和a d d r e s s 被禁止且d a t a o u t 为高阻态。当c s 变为低电平时，转换过程开始，i oc l o c k 和a d d r e s s 使能，并使d a t a o u t 脱离高阻态。在i oc l o c k 的前四个脉冲上升沿，以m s b 前导方式从a d d r e s s 口输入4 位数据流到地址寄存器，这4 位为模拟通道选择地址，控制1 4 通道模拟多路器从1 1 个模拟输入端和3 个内部自测电压中选通一路送到采样褓持电路，该电路从第四个i oc l o c k 的下降沿开始对所选模拟信号进行采样，采样一直持续6 个i oc l o c k 周期，保持到第十个i oc l o c k 的下降沿。同时，d a t a o u t 端以前导m s b 的方式输出一次转换的结果。但d a t a o u t 的输出速率取决于i oc l o c k 速率和c s 的工作状态，具体参看芯片手册。转换周期如前所述，转换开始于第四个i oc l o c k 的下降沿，片内转换器对采样值进行逐次逼近式 d 转换，其工作由i 0c l o c k 同步了的内部时钟控制。转换结果锁存在输出寄存器中，待下一个i oc l o c k 到来时输出。工作时序图如图2 - 1 2 。图2 1 2t l c l 5 4 3 时序图a d 接口部分的电路如图2 1 3 ，e c g i - - e c g 4 为四路心电信号通道；b p a c 为袖套内压力的交流信号通道，b p d c 为袖套内压力的直流信号通道；a d e o c 、a d c l k 、a d i n 、a d o u t 、a d c s为t l c l 5 4 3 的s p i 口信号线和片选、采样完成信号线等，分别与s 3 c 4 4 b o x 的g p e 7 - - g p e 3 相连。注：因为s 3 c 4 4 b o x 没有s p i 口，故通过i o 口模拟实现s p i 功能。具体连接见附录a1 6船b ll髓口。3咖1 l c l x 3 ：墨曩曩曩曩曩需i ；潮量i j ；譬；曩；誊；：矬毒：i 。：；i 旺薯一爱：；蔓曩i ：奠：e 墨彭誊一墨薯鳓；：耳端：i ! j ： | ! _ ；：烈i ：= - ：曩：爵= =l 甜：董：= = ：= ：= = ：= ：； ：! ：；：；：。：霉嚣i 南影：冀奠：蠹；：蠹：彝西辩i 鼬：_ = = ：= ；羹童蔓：d d l 理：e 囊矗? 爵。：爵。一；：c i卜棚：蔓摹搿：；i ：；：；! ：曩：卜釉：一。= = ：! ：l 瞳f 簪：e l d ! 一曩：蔫j 磊誓冀誓；l ：锄：* r 日bv c c j 卫j o ：t ：c1 1 71 l jl o o 瞳1 3图2 - 1 3t l c l 5 4 3 与s 3 c 4 4 b o x 连接图5 充放气控制电路充放气控制电路的作用是在血压测量时控制袖套内气体的容量。其电路如图2 1 4 ，p u m p c t r l ，v a l v e c t r l 为充气控制端，分别与s 3 c 4 4 b o x 的g p c o ，g p c i 相连，具体见附录a 。+ ：；：! ：m g 3 a 0 ：；：_ ：；- ：m 囱0 l ：图2 - 1 4 充放气控制电路图6 电源供电模块对于一个系统来说，电源就是整个系统的心脏，源源不断的为各个模块提供必须的能量。电源设计的好坏直接影响到系统的稳定性和工作效率。在现在的系统设计中，普遍存在着多电源的问题，在嵌入式系统中一般都有低功耗要求，因此，供电模块要求将更为严格。在本记录仪中，主要有以下几种电源：2 5 v 、3 3 v 、5 v 、一5 v 。记录仪采用3 6 v 锂电池1 7一一一一一一一一一一一供电，为了满足记录仪各个模块工作的要求，采用了k a x l 6 7 5 m 1 、i c l 7 6 6 0 埔1 、a s i i l 7 3 3 1 、a s l l l 7 2 5 嘲组成，如图2 一1 5 。其中，k 久x 1 6 7 5 是升压型d c - d c 转换芯片，将锂电池的3 6 v转换为5 v ，i c l 7 6 6 0 是变极性d c - d c 转换芯片，将+ 5 v 转换为- 5 v ，a s ii1 7 - 3 3 将5 v 转换为3 3 v ，a s l i l 7 - 2 5 将5 v 转换为2 5 v 。la s l l l 7 3 32 2s 3 c 4 4 8 0 x 中断系统la s i l l 7 一z sii g l 7 6 6 0图2 - 1 5 电源结构框图基于a r m 7 t d m i 内核的r i s c 处理器只支持i r q 和f i q 两种模式，而这种中断的优先权由软件决定，比如说定义中断模式为i r q ，如果同时有1 0 个中断请求，这时决定这1 0 个中断的优先权就需要通过程序查询p e n d i n g 寄存器来决定，因此，效率是比较低的。s 3 c a 4 b o x 处理器为了解决这个问题，采用c i s c 系统结构中的中断向量表方式来提高中断响应的速度。在中断向量表方式下，可将处理器的整个中断源分为两组，即由两个中断向量表组成，一级中断向量表和二级别中断向量表。由s 3 c 4 4 b o x 的特点决定一级中断向量表内有7 个异常中断，且其地址固定在0 x 0 0 - o x l c 内；而二级中断向量表可以在整个寻址空间内浮动。2 2 i 一级向量表一级中断向量表的7 个异常中断如下：复位( r e s e t )当处理器的复位引脚有效时，系统产生复位异常中断，程序跳转到复位异常中断处理程序执行。复位有系统加电复位和系统复位两种情况。1 8未定义指令( u n d e f i n e di n s t r u c t i o n )当a r m 处理器或者是系统中的协处理器认为当前指令未定义时，产生未定义的指令中断。可以通过该中断机制仿真浮点向量运算。软件中断( s o f t w a r ei n t e r r u p t )这是一个由用户定义的中断指令，可以使用户模式下的程序调用特权操作指令，在实时操作系统中可以通过该机制来实现系统调用。指令预取中止( p e r f e c ha b o r t )如果处理器预取的指令地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问，当该预取的指令被执行时，处理器产生指令预取中止异常中断。数据访问中止如果数据访问指令的目标地址不存在，或者该地址不允许当前指令访问，处理器产生数据访问中止异常。外部中断请求( i r q )当处理器的外部中断引脚有效，而且处于中断允许的情况，系统中各个设备通过该异常中断请求处理器服务。快速中断请求( f i q )当处理器的外部快速中断请求引脚有效，而且允许快速中断请求，处理器产生外部中断请求f i q 异常中断。2 2 2 二级中断向量表在二级中断向量表中的中断源有2 6 个，二级中断向量表的首地址可以放在整个寻址空间中的任何位置，但是在一般情况下都放在r a m 中。2 3b o o t l o a d e r 的设计在有些系统的设计中，将b o o t l o a d e r 的设计归属于硬件这一环节，故将这一概念放在本章中阐述。2 j 1b o o t l o a d e r 介绍1 基本概念简单的说，b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一小段程序。通过这段小程1 9序，完成硬件设备的初始化、建立内存空间的映射图等工作，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的确定状态，以便最终为操作系统内核的加载准备正确的环境。b o o t l o a d e r 是严