（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式的医疗监护pda无线终端设计.pdf

摘 要 i 基基于嵌入式的医疗监护于嵌入式的医疗监护 pda 无线终端设计无线终端设计 作者简介： 蒙俊甫， 男， 1984 年 7 月生， 师从成都理工大学郭勇教授， 2010 年 6 月毕业于成都理工大学通信与信息系统专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 伴随嵌入式技术的不断发展和现代通信网络技术的日渐成熟，我国医疗系 统已进入了医疗信息化时代。为满足医疗服务的数字化、信息化、网络化，构 建基于移动智能终端的无线信息系统，开发一套功能完善、界面友好、方便携 带的无线医疗监护终端和医疗监护信息系统具有非常重要意义。 结合目前我国医院医疗信息系统的发展以及对无线智能 pda 的相关理论 和技术的深入研究，本文提出了架构在现有医疗信息系统之上的基于无线医疗 监护 pda 的移动医疗监护系统的解决方案。利用 pda 的移动性和无线传输特 性，使信息系统的触角延伸到病床旁，整合 rfid、gsm、wi-fi技术，实现对 病人生理体征参数等数据信息收集、存储、处理、提取和数据交换。建立基于 无线医疗 pda 终端的嵌入式数据库与医院的信息系统相结合， 随时随地查询或 记录。 医护人员利用终端 pda 通过无线的方式在病人床边实时记录病人的各种 临床信息，达成了医疗移动化的目标，提高了工作效率，保证患者能在第一时 间得到恰当治疗，从而避免医疗差错和事故，提高医疗服务的质量与效率。 本文首先介绍了国内外目前医用 pda 的发展情况和面临的主要问题， 然后 提出了基于windows ce的医疗监护pda为终端设备构建移动医疗监护信息系 统的解决方案。确定了以 samsung公司 s3c2410 微处理器为核心控制单元，以 wi-fi技术组建无线局域网络在医院内部使用， gprs 作为远距离无线通信方式 将无线医疗监护扩展到社区或更大的区域，rfid 作为信息识别模块快速、便 捷地识别和读取病患数据信息的硬件平台。详细介绍了各硬件模块的功能和设 计电路，包括外部存储器扩展模块、扩展电路接口模块、lcd 触摸屏模块、 wi-fi模块、gsm 模块、rfid 模块等。 在硬件平台基础上，进一步介绍了 windows ce 操作系统 bsp 开发的工作 流程以及各模块功能，具体分析了 windows ce 系统定制过程，各功能模块的 软件设计与实现。 文章还对基于无线医疗监护 pda 的医疗信息系统的软件架构 进行了简要描述，建立了基于以客户端 sol server ce 数据库与服务器 sql 摘 要 ii server 2000 数据库的 c/s 模式 rda 远程同步机制，实现远程数据的访问。详 细介绍了 sql server ce 数据库同步技术的实施过程,包括 iis 配置的详细步骤 和具体编程实现。 最后论文总结了本次设计中的不足和改进之处，并对无线医疗监护 pda 发展前景进行展望，提出了下一步研究的重心。 关键词：pda windows ce sql server ce 无线医疗监护 abstract iii the design of wireless medical pda based on embedded system introduction of the author: meng junfu , male, was born in july, 1984 whose tutor was professor guo yong . he graduated from chengdu university of technology in communication and information systems major and was granted the master degree in june, 2010. abstract with the continuous development of embedded technology and modern communication network technology matures, our health care system has entered the era of medical information. medical services to meet the digital, information, networking, building mobile intelligent terminal based wireless information system, develop a functional, user-friendly, portable wireless medical monitoring devices and medical care information system has very important significance. combined with present, chinas hospital medical information systems and related wireless intelligent pda-depth study of theory and technology, this paper proposes a framework on top of the existing medical information system of medical care based on wireless mobile pda solution for the medical care system. use of pdas mobility and wireless transmission characteristics, so that information systems expand to bed next to the integration of rfid, gsm, wi-fi technology, physical signs of the parameters of the patient data collection, storage, processing, extraction and data exchange. pda based on wireless terminal to establish a database of medical and hospital information systems integration, query or record anytime, anywhere. medical use of pda devices with wireless real-time record in the patients bedside all clinical information of patients reached the goal of health care moving to improve working efficiency, and ensure that patients receive appropriate treatment in the first time, in order to avoid medical errors and accidents and improve health care quality and efficiency. . this paper describes the current medical pda at home and abroad and the development of the main problems facing the then proposed based on windows ce pda medical care for the terminal building mobile medical monitoring information abstract iv system solutions. samsung s3c2410 company established to control microprocessor core modules to wi-fi technology to build a wireless lan in the hospital for internal use, gprs wireless communications as a wireless remote medical care extended to the community or larger area, rfid as a information identification module quickly and easily identify and retrieve patient data in the hardware platform. detail the function of each hardware module and circuit design, including the external memory expansion module, expansion circuit interface module, lcd touch screen module, wi-fi module, gsm module, rfid module. hardware platform based on windows ce operating system further describes the work of bsp development process and functions of each module, specific analysis of the windows ce system customization process, the functional modules of software design and implementation. the article also pda-based wireless medical monitoring of medical information system software architecture is briefly described, is established based on the customer side sol server ce database with the server sql server 2000 database, c / s mode rda remote synchronization, remote data access. details of the sql server ce database synchronization technology implementation process, including iis configuration of the detailed steps and specific program implementation. finally, the article sums up the deficiencies of this design and improvement, and development of wireless medical monitoring pda outlook, noting that further research focus. keywords: pda windows ce sql server ce wireless medical monitoring 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 成都理工大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的人员对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 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 成都理工大学 可以将学位论文的全部或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密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究课题的意义研究课题的意义 在经济全球化、社会信息化的进程中，我国医疗系统已进入了医疗信息化 时代，满足医疗服务的数字化、信息化、网络化，通过计算机科学和现代网络 通信技术及数据库技术，为医院所属各部门提供病人信息和管理信息的收集、 存储、处理、提取和数据交换，构建医疗业务软件，数字化医疗设备，计算机 网络平台的三位一体的综合信息系统，并满足所有授权用户的功能需求已成为 未来医疗监护系统的必然趋势。 随着数字信息技术和网络通信技术的发展，多生理参数监护系统迎来了一 个飞速发展的阶段。小型化、智能化、网络信息化是未来监护系统信息化发展 的一个趋势。这种信息化的趋势，导致了医疗体系中如 his 系统、pacs 系统 和远程医疗监护系统的集成，医疗系统未来的趋势应该是各种子系统资源的融 合共享和信息中心的调度与维护，这一切归功于网络信息化的发展，也正是这 种信息化的发展使得各种系统的融合成为可能。现在医疗监护领域典型的一些 医疗终端设备有医用 pda、便携式心电图机、便携式多参数监护仪等4。 建立基于医疗监护 pda 的信息系统是架构在现有医院信息系统上，利用 pda 的移动性和无线传输特性，整合现代 rfid、gsm、wi-fi 技术，使信息 系统的触角延伸到病床旁，实现完整的移动医疗监护系统。建立基于无线医疗 pda 终端的嵌入式数据库与医院信息系统相结合，随时随地查询或记录。医护 人员利用终端 pda 通过无线网络通信技术在病人床边实时记录病人的各种临 床信息， 动态采集并实时更新病人生命体征参数， 即时进行医嘱执行记录录入， 从而减少诊疗的中间环节，提高工作效率及简化工作流程，保证患者能在第一 时间得到恰当治疗，避免医疗差错和事故，提高医疗质量与效率6。 伴随信息化程度的不断提高，各种医疗终端设备日趋丰富。医疗监护pda 终端自20世纪90年代初期开始应用于医疗领域，以其功能强大、界面友好、方便 携带等优点受到广大医护人员的欢迎。随着各类医疗专用pda产品的不断问世， pda在医疗领域的应用越来越广泛。 基于嵌入式的医疗监护终端具有良好的应用 前景，针对我国医疗行业的功能需求，坚持自主研发及模块化设计，开发和推广 一套功能完善、成本低廉、接口丰富、使用方便的软硬件一体化便携式医疗智能 终端与交换平台系列产品，解决当前医疗行业信息化建设中的急需解决的问题， 具有非常重要的意义。 成都理工大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 便携式医疗监护系统需要采集并存储一些人体生理体征信息的相关数据, 如心电信号、血压、呼吸频率、心率及体温等，以达到实时监控人体重要生理 参数的目的。为满足医疗监护的需要,结合医院实际情况进行个性化设计，医疗 监护终端相对普通 pda 其便携性、智能化、安全可靠性提出了更高要求。由于 技术支持和研发投入等因素造成了世界各地医疗监护系统存在着广泛差异。 在欧美等发达国家，便携式无线医疗监护系统已被广泛使用。目前，在美 国使用医用 pda 终端的医生数量占医生总数的 27%30%， 约有 20%的医院使 用了医疗监护系统。而且随着网络通信技术的发展与嵌入式系统的普及，以及 医疗系统的数字化、网络化和无线移动性的必然趋势，这两个数字均在以每年 超过20%的速度增长， 越来越多的医院及医护人员正在开展无纸化的医疗服务。 在国外， 远程医疗监护系统也在一定程度上被使用。 20 世纪 70 年代, 美国航天 局就运用远程监护技术对太空中的宇航员进行生理参数监测。在此以后，医疗 机构逐步的利用远程医疗监护技术开展了远程会诊、咨询以及医学图像的远距 离传输等。同时，通过远程机器人辅助手术、基于 web 的家庭交互式医疗保健 网络、军队远程医疗、va 远程医疗等方式构建全面的远程医疗服务系统。在 其他国家，如日本、以色列以及澳大利亚等国家对于远程医疗的建设也是高度 重视3。据 2000 年的数据统计，欧洲已有 50 多个国家建立了远程医疗系统。 与此同时， 欧美的许多公司也竞相进入远程医疗服务领域， 其中不乏微软、 ibm、 思科等科技类大公司。 在我国，家庭数字医疗监护保健系统已被列入国家“863”计划。随着经济社 会的发展，人的健康意识、健康需求不断提高，医疗支付能力不断增强，使得 便携医疗电子产品市场持续稳步扩大，吸引了国内一大批医疗电子企业正积极 致力研究开发便携医疗监护电子设备产品。在远程医疗方面，利用互联网进行 医学知识普及，向百姓提供寻医问药之类的信息咨询及远程会诊的医疗网站迅 速发展。一些医院也进行了基于 web 服务器及移动医护工作站的尝试，所采用 的平台多是普通的商务 pda 或者 symbol和 unitech等国外的专用终端产品。 这 些终端产品作为医用 pda 终端使用时， 由于在国内的产品技术支持有限， 存在 着无法通过软件来弥补的局限性。另外，软件的开发工作也需要结合每个医院 的实际情况进行个性化设计，由于国外公司的技术垄断，无法为国内用户提供 更多更深层次的个性化设计。而我国基于社区的家庭医疗监护保健系统的研究 刚刚进入实质启动阶段，目前在技术方面也存在着一些问题，如网络速度慢、 安全性差等都亟待解决4。 第二章 嵌入式系统概述 3 第二章第二章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述 2.1 嵌入式系统简介嵌入式系统简介 随着后 pc 时代来临，嵌入式技术已成为当今最为热门的领域之一，它迅 猛的发展势头引起了社会各界人士的关注。在未来的几年内，嵌入式系统的发 展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于 internet 的迅速发展和更加低 廉的微处理器出现，嵌入式系统将占据更大的应用领域，渗透到我们日常生活 的方方面面。 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它是由软硬件结合组成的具有特定功能、用于特定环境的独立系统，其硬件主 要由嵌入式微处理器、外围硬件设备组成；其软件主要由嵌入式操作系统以及 用户应用软件组成。根据嵌入式技术的特点可以将嵌入式分为以下三个不同的 发展阶段。 表表 2-1 嵌入式系统的发展阶段 阶段 标志 特点及应用 20 世 纪 70 年代 雏形期 以单芯片为 核心的可编 程控制器形 式的嵌入式 系统 主要特点：系统结构和功能相对单一，执行效率 较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。一般 应用在一些专业性强的工业控制系统中，通常没 有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进 行直接控制。由于这种嵌入式系统使用简单、价 格低，因此以前在国内工业控制领域应用较为普 遍，但是现在已远不能适应现代工业控制和新兴 信息家电等领域高效、 多功能、 大存储量的需求。 成都理工大学硕士学位论文 4 20 世 纪 80 年代 发育期 以 嵌 入 式 cpu 为基础、 以嵌入 式操 作系统 为标 志 主要特点：cpu 种类多样化；嵌入式操作系统能 运行与各种不同类型的微处理器上，兼容性好； 系统开销小，效率高；操作系统内核可裁剪，可 移植，具有高度的模块化和完备的文件和目录管 理系统、支持实时多任务；友好的图形界面，标 准的应用程序接口；嵌入式应用软件丰富。广泛 应用于工业控制和电子家电产品。 20 世 纪 90 年代 成熟期 以 internet 技 术的融 合为 标志 主要特点：融合 internet 技术。信息家电、工业控 制技术与 internet 技术的结合日益密切， 嵌入式系 统进入 e 时代。 2.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 针对嵌入式系统特殊的应用领域，对其软硬件资源都有严格的要求以满足 用户预定的工作环境和应用需求，使得嵌入式系统通常具有如下特点： (1) 专用性强。嵌入式系统是面向应用的，个性化很强，软件系统和 硬件的结合非常紧密。嵌入式系统大多工作在用户特定的系统中，通常都具 有低功耗、体积小、集成度高等特点，并且可以满足不同应用的特定需求。 (2) 可裁剪。嵌入式系统的硬件和软件根据需要进行高效地设计，量体裁 衣、去除冗余，以实现低成本、高性能。 (3) 低功耗、高实时性、高可靠性。高实时性的系统软件(os)是嵌入式 软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高 质量和高可靠性，为用户提供稳定的工作环境。 (4) 嵌入式系统开发需要特定的开发工具和环境。由于其本身不具备 自举开发能力，设计和开发嵌入式系统必须有一套对应的开发工具和环境 才能进行。这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各 种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时通常以通用计算机作为主机用 于程序的开发，以开发硬件平台作为目标机作为程序宿主的执行机，交替 结合进行开发。 第二章 嵌入式系统概述 5 2.3 嵌入式系统的体系结构嵌入式系统的体系结构10,16 嵌入式系统作为一种特定的计算机系统，它在组成结构上与标准的计算机 类似，也包含了中央处理器、内存、输入/输出设备，只是它以比较特殊的形式 存在而已。一般嵌入式系统应包括以下 3 个方面：硬件设备、嵌入式操作系统 和应用软件。 硬件设备包括嵌入式微处理器和外围设备。 其中的嵌入式微处理器 （cpu） 是嵌入式系统的核心，它与通用处理器最大的区别在于，嵌入式处理器大多工 作在为特定用户群所定制的系统中，它将通用处理器中许多由板卡完成的任务 集成到芯片内部，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余 功能部分，从而使嵌入式系统满足更趋于小型化、低功耗的要求，同时还具有 很高的效率和可靠性16。 嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯 诺依曼体系或 哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（reduced instruction set computer，risc）和复杂指令系统 cisc（complex instruction set computer， cisc）。risc 计算机在通道中只执行较少类型计算机指令，确保数据通道快 速执行操作， 从而提高了执行效率并使 cpu 硬件结构设计变得更为简单。 如今， 全世界嵌入式处理器已经超过 1000 多种，流行的体系结构有 30 多个系列，其 中以 arm、powerpc、mc68000、mips 等使用得最为广泛10。 外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能的 其他部件。目前常用的嵌入式外围设备按功能可以分为存储设备（如 ram、 sram、flash等）、通信设备（如 usb 接口、spi 接口、以太网接口等）和显 示设备（如显示屏等）3 类。 嵌入式操作系统 eos（embedded operating system）通常采用模块化 设计， 根据特定的硬件平台定制相应的系统功能， 并被设计非常紧凑有效。 eos 负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活动。 它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸特定模块以满足系统需求。嵌入 式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功能，如向上对用户提供统一的接口 （如图形界面、库函数 api 等），向下提供与硬件设备交互的接口（硬件驱 动程序等）管理复杂的系统资源，同时，它还在系统实时性、硬件依赖性、软 件固化性以及应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点2。 应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，完成用户特定 功能的计算机软件，它可以由操作系统调度单独的一个任务来实现，也可以由 多个并行的任务来实现。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式应用软件 成都理工大学硕士学位论文 6 不仅要求做到准确性、安全性和稳定性等方面需要，而且还要尽可能地进行代 码优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 2.4. 几种主流嵌入式操作系统几种主流嵌入式操作系统 1windows ce windows ce 是 microsoft 公司专门针对嵌入式产品领域开发的嵌入式操 作系统，该系统是一种开放的、可升级的 32 位的操作系统，主要面向各种嵌 入式系统和产品。它所具有的多线程、多任务、完全抢占式的特点，是针对各 种有很严格资源限制的硬件系统所设计的。windows ce 具有模块化、结构化 和基干 win32 应用程序接口以及与处理器无关等特点，同时为开发智能移动设 备提供了新一代可剪裁的嵌入式系统平台。windows ce 支持各种处理器包括 x86、xscale、arm、mips 和 sh 等系列，因此它允许开发人员选择最理想的 硬件。它不仅继承了 windows 出色图形界面，并且用户可以使用同样的函数、 使用同样的界面风格，使绝大多数 在 windows 上的应用软件只需简单的修改 和移植就可以在 windows ce 平台上继续使用。 2vxworks vxworks 操作系统是美国 windriver 公司于 1983 年设计开发的一种嵌入 式实时操作系统（rtos），它是目前市场占有率最高的实时嵌入式操作系统。 其系统本身实时性好，开销小，可靠性高，进程调度、进程间通信、中断处理 等系统公用程序精练而有效，使得它们造成的延迟很短。另外 vxworks 提供的 多任务机制，对任务的控制采用了优先级抢占和轮转调度机制，这充分保证了 可靠的实时性， 并使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求。 同时， vxworks 具有高度的可靠性，从而保证了用户工作环境的稳定。 3qnx qnx 是业界公认的 x86 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一， 它具有 独一无二的微内核实时平台，其内核仅提供 4 种服务：进程调度、进程间通信、 底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它 os 服务， 都实现为协作的用户进程，因此 qnx 内核非常小巧（qnx4.x 大约为 12kb） 而且运行速度极快。 4clinux 开放源码的嵌入式 linux 的典范之作。 适合于特定嵌入式应用场合的专用 linux操作系统。 主要是针对目标处理器没有存储管理单元 mmu， 其运行稳定， 第二章 嵌入式系统概述 7 具有良好的移植性和优秀的网络功能，对各种文件系统有完备的支持，并提供 标准丰富的 api。 5palm os paml os 在 pda 和掌上电脑有着很大的用户群。plam os 最明显的特点 在精简，它的内核只有几千个字节，同时用户也可以方便地开发定制，具有较 强的可操作性。 6. os-9 os-9 是 microwave 为微处理器的关键实时任务而设计的操作系统， 广泛应 用于高科技产品中，包括消费电子产品、工业自动化、无线通讯产品、医疗仪 器、数字电视/多媒体设备。它提供了很好的安全性和容错性。与其他的嵌入式 系统相比，它的灵活性和可升级性非常突出。 成都理工大学硕士学位论文 8 第三章第三章 基于基于 arm 处理器的处理器的硬件组成与设计硬件组成与设计 3.1 系统硬件总体架构系统硬件总体架构 根据医疗监护 pda 终端的特性和应用需求，系统主要包括 arm 处理器、 存储器、射频识别模块、无线通信模块、lcd 显示及触摸屏，如图 3-1 所示。 以基于 arm920t 核 s3c2410 处理器为主控芯片，配以液晶触摸屏，实现简便 的人机交互；结合 rfid 技术，采集病人既往病史数据信息；现场采集人体生 理信号的相关数据，无线通讯模块将数据无线实时传输到服务器数据库，使医 护人员可以随时随地查询、存储或更新病人生理参数信息，以及临床信息管理 和药物信息查询。 图图 3-1 硬件系统框图 3.2 外部存储器外部存储器扩展扩展 为了满足医用pda的应用需求，系统能够成功运行基于sql server ce的 嵌入式数据库以及windows ce操作系统，需要的最低配置132m 的 flash、 rom 或 eprom 和 264m ram 作为存储介质。本系统应用了 64m 的 flash 和 64m 的 sdram 存储器。 arm 处理器 lcd显示及触摸屏 usb接口 jtag 接口 射频识别模块 sdram rs232 接口 flash gsm 通信模块 wi-fi 模块 第三章 基于 arm 处理器的硬件组成与设计 9 闪速存储器(flash memory)是一种非易失性的存储器, 属于 eeprom（电 擦除可编程只读存储器）类型，它以块为单位进行删除和重写。从结构上分它 主要有 and、nand、nor、dinor 等，其中以 nand 和 nor 最为常见1。 它既有 rom 掉电不丢失数据的特点，又有较高存取速度，且易于擦除和重写， 功耗低的特性。在系统中 flash 通常用于存放操作系统映像文件、常量表以及 程序代码，以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。s3c2410 采用 steppingstone 机制从 nand flash执行引导程序，系统上电或复位后从此获得 第一条指令并开始执行。 本系统选用一片 64m 8 bit k9f1208udm nand flash 存储器， 利用 s3c2410 处理器自带的 nand 闪存控制器接口控制。如图 3-2 所示为 nand flash电路原理图。 图图 3-2 nand flash 电路原理图 sdram（synchronous dynamic random access memory）同步动态随机存 储器具有存储容量大、成本低、存取速度快的特点，在系统中主要用作程序的 运行空间、数据及堆栈区，是系统启动之后主要进行存取操作的存储器。本系 统采用两片三星的 k4s561632e-tc75 芯片构建 32 位的 sdram 存储器系 统。 每片 k4s561632e 的存储容量为 16 16m （32m 字节） ， 工作电压是 3.3v， 常见的封装为 54 脚 tsop,兼容 lvttl 接口，支持自动刷新（auto-refresh） 和自刷新（self-refresh），16 位数据宽度。如图 3-3 为 sdram 电路原理图。 通过 nscs6 选通，再由 nsras、nscas 来分别选通行地址和列地址寻址。 成都理工大学硕士学位论文 10 图图 3-3 sdram 电路原理图 3.3 lcd 液晶显示及触摸屏模块液晶显示及触摸屏模块 lcd 液晶显示器是一种被动显示，它可以显示文本和图形信息，同时还具 有低功耗、小体积、超薄等优点，被广泛地应用于嵌入式系统中。液晶显示是 利用液晶材料在电场作用下发生位置变化而遮蔽/通透光线的性能做成的一种 平板显示器件。目前使用得较多的屏主要有两种：stn 和 tft 屏。 s3c2410 中集成了 lcd 控制器， 主要功能是用于传输显示数据和产生控制 信号。它支持屏幕水平和垂直滚动显示。数据的传送采用 dma 方式，以达到 最小的延迟。它主要包括 regbank、lcdcdma、vidprcs、timegen 和 lpc3600 模块组成14。其中 regbank 有 17 个可编程寄存器组和 256 16 的 调色板存储器，可用来设定 lcd 控制器；lcdcdma 是一个专用的 dma，可 自动从帧存储器传输视频数据到 lcd 控制器，通过这个特殊的 dma，视频数 据可不经过 cpu 处理就显示在屏幕上； vidprcs 可接受从 lcdcdma 来的视 频数据并将其修改为合适的数据格式，然后经数据线传送到 lcd 驱动器； timegen 则由可编程逻辑组成， 支持不同lcd驱动器接口时序和不同的速率， 第三章 基于 arm 处理器的硬件组成与设计 11 timegen用于产生vfrme、 vline、 vclk、 vm等信号。 arm处理器s3c2410 内置的 lcd 控制器支持 2、4 或 16bpp 的单色黑白屏，也可以支持 8、12bpp 的彩色 stnlcd 屏，同时支持 1、2、4、8bpp 的 tft 彩色 lcd 和 16、24bpp 的非调色真彩显示31。 图图 3-4 lcd 硬件电路图 成都理工大学硕士学位论文 12 本文选用分辨率为 320 240 的 tft 彩色 3.5 寸 4 线电阻式触摸屏显示器 lq035q7db02 及 lz9fc22 触摸屏驱动芯片。lz9fc22 是 sharp 公司专门配合 lq035q7d 型号 lcd 的驱动芯片， 可以和 lq035q7d 进行无缝连接。 s3c2410 通过端口 tsxm、tsym、tsxp、txyp 作为触摸屏接口与 lz9fc22 进行数 据传输，完成对触摸屏的控制。如图 3-4 为 lcd 硬件电路图。触摸检测部分安 装在的 lcd 表面上，当用户点击触摸屏的时候,触摸屏控制器就将其进行坐标 转换,然后将信息传送给 cpu,cpu 响应后作出相应的动作传送到 lcd 屏显示。 如图 3-5 为触摸屏硬件原理图。 图图 3-5 触摸屏硬件原理图 3.4 接口设计接口设计 3.4.1 rs-232 接口设计 s3c2410x uart 单元提供了 3 个独立的异步串行通信接口，皆可工作于 中断和 dam 模式。rs-232 规定的逻辑电平与一般的微处理器、单片机的逻辑 电平不一致，例如 rs-232 的逻辑高电平时以-3-15v 来表示的，而单片机的 逻辑高电平是以 5v 表示的，s3c2410 的逻辑高电平是 3.3v，数据通信时就必 须进行电平转换，把单片机的电平（ttl、cmos 电平）转变为 rs-232 电平， 或者把计算机的 rs-232 电平转换成单片机的 ttl 或 cmos 电平。 实现电平转 第三章 基于 arm 处理器的硬件组成与设计 13 换的芯片可以是分立元件，也可以是专用的 rs-232 电平转换芯片。这里选用 max3232 作为 uart 到 rs-232 的电平转换芯片， 以便其与 pc 机等其他设备 进行串行通信，获取数据及语音信息，方便更新数据。如图 3-6 为 rs-232 电平 转换电路图。 图图 3-6 rs-232 电平转换电路图 3.4.2 jtag 接口 jtag 是一种国际标准测试协议，主要用于芯片的内部测试及对系统进行 仿真、调试。jtag 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专用的 测试电路 tap，通过专用的 jtag 测试工具对内部节点进行测试9。标准的 jtag 接口是 4 线：tms、tck、tdi、tdo，分别为测试模式选择、测试时钟、 测试数据输入和测试数据输出。jtag 接口还常用于实现 isp 功能，如对 flash 器件进行编程等。通过 jtag 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，是一 种简洁高效的开发调试手段。因为 s3c2410 中集成了 jtag 信号，只需将信号 线引出便可对设备进行调试。如图 3-7jtag 接口电路图。 成都理工大学硕士学位论文 14 图图 3-7 jtag 接口电路图 3.4.3 usb 接口设计 usb 是 univesral seriai bus 的简称。它是一种外部总线标准，用于规范计 算机与外部设备的连接和通讯。usb 接口是一种成本低、占用空间小、接口规 格统一、快速、双向共享、即插即用的新一代标准接口总线，为嵌入式系统设 备广泛应用。usb 的分时处理机制真正在硬件的意义上实现了计算机外设的即 插即用。主要用于中速和低速的外设。 usb 通过四线的电缆传送信号和电源,即 vbus、d+、d-和 gnd，vbus 由系统提供 5v 电源，d+和 d-用于数据传输。usb1.1 规范定义了两种数据传 输率：全速信号的比特率为 12mbps，低速信号的比特率为 1.5mbps。如图 3-8 为 usb 主从设备接口电路。usb-en 接在 eint17 上，当插入时产生中断，进 入 usb 中断服务程序。 图图 3-8 usb主从设备接口电路 第三章 基于 arm 处理器的硬件组成与设计 15 3.5 wi-fi 模块模块 wi-fi（wireless fidelity，无线相容性认证）的正式名称是 ieee802.11b， 与蓝牙一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。最高带宽可以 达到 11mbps，在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为 5.5 mbps、2 mbps 和 1 mbps,带宽的自动调整，有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特 性为速度快，传输距离远，可靠性高13。在正常的实际工作环境中，wi-fi 的 覆盖半径可达 100 米， 完全满足 pda 终端移动办公和运行大量占用带宽的网络 操作需求。 而且， 组建一个小型的内部无线局域网络只需增加几个无线路由器， 可以方便地与现有的有线以太网络整合，组网成本相对低廉。 wi-fi是由 ap(access point)和无线网卡组成的无线网络。以 ap 为中继， 配合既有的有线网络架构来分享网络资源。如果是对等网，也可不要 ap，实 现点对点无线传输。ap 一般称为网络桥接器或接入点，主要在媒体存取控制 层 mac 中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。ap 类似有线网络的 hub 一样，无线工作站可以利用 ap 快速且便捷地与网络相连。尤其是对于宽带的 使用，wi-fi 更显优势，有线宽带网络（adsl、小区 lan 等）到户后，连接 到一个 ap，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个 ap 已经 足够，甚至用户的邻里得到授权后，而无需增加额外端口，也能以共享的方 式联网。介于以上原因本系统采用 wi-fi 作为短距离通讯无线手段来搭建 无线医疗信息系统5。 本设计选用 swl-a20s 作为 wi-fi无线通信模块。swl-a20s 是由韩国三 星公司开发的 ar6002 系列芯片， 针对嵌入式和移动应用的目的系统的小尺寸、 低功耗无线 wi-fi模块。它支持 ieee 802.11b / g标准兼容，内部集成了基带、 滤波和射频功能， 所以只需要在主机接口外接天线 就可以实现功能。 swl-a20s 同时支持 sdio1.1 和 gspi 主机接口，同时支持标准 2，3 和 4 线蓝牙共存，提 供对 cdma 和 gsm， pcs 和 wcdma 的抑制干扰信号的阻塞滤波器18。 如图 3-9 为 swl-a20s 模块基于 sdio 接口的应用原理图，利用 gpio4 、gpio5 配 置接口模式，同为“h”时被配置为 sdio 模式，相反同为“l”时为 gspi 模式。 chip_pwd_l 或 sys_rst_l 端口用于复位芯片。如果使用 chip_pwd_l 复 位芯片， ar6002 需要 120ms 的延迟。 与 sys_rst_l 不同的是 chip_pwd_l 可用于 ar6002 为 chip_pwd 电源状态时。 成都理工大学硕士学位论文 16 图图 3-9 swl-a20s 模块 sdio 接口应用原理图 从射频识别模块获取的数据经过处理器传到 wi-fi 模块，之后无线发送到 ap（无线接入点），再通过 ap 传到后台计算机数据库，使现场与后台数据相 关联，获取正确的实时数据。高效简便地实现信息的交互查询。 3.6 gsm 模块设计模块设计 以wi-fi搭建的无线网络适合在医院内部使用，但将无线医疗信息系统的服 务范围扩展到更大区域，如多家医院、社区乃至整个城市地区，单独搭建wi-fi 无线网络对医疗机构来说是难以实现的， 因此借助现有的移动电信网络来实现无 线传输成为无线医疗远距离传输的有效途径5。利用国内基于gsm网络的gprs (general packet radio service) 通用分组无线业务以实现远程数据同步是本文无 线医疗pda终端所采用的远距离无线传输解决方案。gprs是封包式数据传输的 标准技术， 具备即时联机的特性， 对于使用者而言， 随时都可以处在上线的状态。 第三章 基于 arm 处理器的硬件组成与设计 17 由于使用了分组的技术，以数据封包（packet）式传输，因此使用者依据数据 传输量来收费，而不是单纯的以联机时间计费，理论上较为便宜。gprs技术与 gsm网络配合，传输速率可达115kbps。而且，因为不再需要现行无线应用所需 要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便简洁。如此，使用者即可利用服务 商提供的电信网络联机上网，收发电子邮件等互动数据传输业务，甚至可以无需 通过拨号上网，而持续与网络连接。 本系统采用mc55模块扩展gsm系统实现终端pda远距离传输，在实际的长 距离传输中，运用gprs进行远程数据同步技术需要的等待时间长于wi-fi网络， 但是仍然可以实现基于sql server ce技术的远程数据同步操作。 mc55是siemens公司推出的新一代无线三频通信gsm模块， 可以快速、 安全、 可靠地实现系统方案中的数据和gprs业务，其紧凑的尺寸设计易于集成使其广 泛应用于智能手机、pda等嵌入式领域。模块的工作电压为3.34.8v，可以工 作在900mhz、1800mhz和1900mhz三个频段，所在频段功耗分别为2w（900m） 和1w（1800m/1900m）。mc55提供两个串行接口（asc0和asc1），可以轻松 的实现人机界面（mmi）通信。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫 游检测功能，常用工作模式有sleep, idle, talk, gprs