（控制科学与工程专业论文）基于windowsce的心电监护仪操作系统移植.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 医疗仪器是融合科学技术内涵最丰富的现代化产品之一，科学技术迅速发 展使得心电监护医疗仪器步入了新的发展阶段数字化医疗设备，而数字化医 疗设备的核心技术是嵌入式控制系统。 随着集成电路的成熟，嵌入式技术的迅速发展使得医疗仪器的功能越来越 强大，在某些场合已经完全取代了传统的工控机和5 1 单片机，并且以体积小、 功耗低、性价比高、便于携带的优势。使得它非常适合应用到数字化医疗仪器 中，充分发挥了移动嵌入式医疗监控系统的优势。 便携式医疗仪器所面临的挑战是对设备功能的全面性，同时还要保持所采 集数据的质量与实时性，这带来的挑战，不只是设备体积上的，也包括内部的 电子器件。把便携式嵌入式医疗监护设备解剖开来，其中有五个基本的部分： 生物传感器接口或信号调理电路，电池及功率管理，输入输出接口。系统微控 制器或数字信号处理器，信号检测算法。 本论文在嵌入式系统平台的构建中做了探索性的研究工作，以心电监护仪 的发展和功能需求为目标，构建嵌入式心电监护仪平台。围绕便携式嵌入式医 疗监护设备的五大基本部分，提出嵌入式心电监护仪的硬件资源，深入研究了 w i n d o w s c e 嵌入式操作系统在$ 3 c 2 4 4 0 微处理器上的引导加载、驱动程序改写 和内核的移植问题。并与前端心电信号采集电路、心电信号检测算法有机结合， 实现了心电移动监护终端的数据处理、显示与触摸、数据转存等功能。 本论文在基于$ 3 c 2 4 4 0 微处理器与w i n d o w s c e 操作系统的便携式心电监护 仪的数字化医疗仪器研究中，主要完成了以下工作： ( 1 ) 提出了。心电监护仪的硬件方案，通过对$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式主板的改进， 介绍了一种兼容性能良好的心电监护仪设计方案。 ( 2 ) 研究了w i n d o w s c e 操作系统在s 3 c 2 4 4 0 微处理器上的启动过程，改 写适合心电监护仪的b o o t l o a d e r 启动程序，完成了b o o t l o a d e r 的移植，并新增了 部分命令，实现了心电监护仪的多种模式启动。 ( 3 ) 修正了部分驱动程序，移植了l c d 显示驱动，t o u c h 驱动，u s b 驱动 程序以及内核文件。并成功定制了w i n d o w s c e 5 0 心电监护仪系统。 关键词：心电监护，嵌入式系统，$ 3 c 2 4 4 0 ，w i n d o w s c e 5 0 武汉理工大学硕士学位论文 m e d i c a la p p l i a n c eu s u a l l yc o n t a i n st h em o s ta d v a n c e dh i g h t e c h w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e s , e c gm o n i t o ra r es i l e n t l yg o i n g i n t od i 舀t a le r a h o w e v e r , t h ev i t a lt e c h n i q u e so fm e d i c a la p p l i a n c ea t et h ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t ec i r c u i t ，t h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yo b t a i n sa q u i c kb o o ma n db e c o m e s m o r ep o w e r f u l i ns o m eg a s e s ，i tc a nt a k ep l a c eo fi n d u s t r i a l c o m p u t e ra n d5 1 m c u i na d d i t i o n ，i th a sm a n ya t t r a c t i v ec h a r a c t e r ss u c ha si t ss m a l l v o l u m e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a l lo fw h i c hm a k ei ts u i t a b l et ob eu s e di nd i g j i t a l m e d i c a la p p l i a n c e s ，t a k ef u l la d v a n t a g eo fp o r t a b l ea n de m b e d d e dm o n i t o r p o r t a b l em e d i c a la p p l i a n c eh a sb e e nm e e tc h a l l e n g ef r o mf u n c t i o na l l - r o u n d ， e n s u r i n gd a t aq u a l i t ya n dr e a l t i m e t h ec h a l l e n g ei so r i g i n e df r o ma p p l i a n c ev o l u m e a n di n n e re l e c t r o n i cc o m p o n e n t s p o r t a b l ee m b e d d e dm o n i t o rh a sf i v eb a s i cp a r t s ： b i o l o g ys e n s o ri n t e r f a c eo rs i g n a lm o d u l a t ec i r c u i t ，b a h e r ya n dp o w e rm a n a g e ，i n p u t a n do u t p u t i n t e r f a c e ，s y s t e mm i c r o - c o n t r o l l e ro rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ,s i g n a l i n s p e c ta r i t h m e t i c t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sag r o p i n gr e s e a r c h0 1 1b u i l d i n go fe m b e d d e dc o m p u t e r s y s t e m o n tt h ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ea c q u i r e m e n to fe c g m o n i t o rf u n c t i o na n d d e v e l o p m e n t , e m b e d d e de c gm o n i t o r i n gp l a t f o r mi sc o n s t r u c t e d f r o mf i v eb a s i c p a r t so fe m b e d d e dm e d i c a lm o n i t o r , w ed e s i g nh a r d w a r e r e s e a r c hw i n d o w s c e o p e r a t i o ns y s t e mc u s t o m i z e da n dp o r t e di n $ 3 c 2 4 2 1 0 ，c o m b i n ew i t ha n a l o gs i g n a l c o l l e c t i o na n ds i g n a ld e t e c ta r i t h m e t i c f i n a l l y , d a t ap r o c e s s , d i s p l a y , m e m o r yo ft h e e c g m o n i t o r i n gs y s t e mi sr e a l i z e d t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sp o r t a b l ee c gm o n i t o rb a s eo n $ 3 c 2 4 0 0a n d w i n d o w s c e n em a i nc o n t r i b u t e so ft h er e s e a r c ha r es h o w na sb e l o w ： ( 1 ) ah a r d w a r es y s t e md e s i g no fe c gm o n i t o ri sp u tf o r w a r d a f t e rd e s i g n i n g a n di m p r o v i n g $ 3 c 2 4 4 0 ，t h ed e s i g ns c h e m ew h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ee c g m o n i t o r i n g s y s t e mi si n t r o d u c e ds u c c e s s f u l l y ( 2 ) t h es t a r t i n gp r o c e d u r eo fw i n d o w s c es y s t e mi sa n a l y z e d t h eb o o t l o a d e r i sp o r t e db a s e do ns 3 c 2 4 4 0 a ，a n ds o m en e wc o m m a n d sf o rb o o t l o a d e ri sa d d e d t h r o u g ht h ei n n o v a t i o no fb o o t l o a d e r , t h ee c g m o n i t o rc a nf l e x i b l ys t a r tu pw i t h s e v e r a lw o r km o d e s ( 3 ) m a n ye c gm o n i t o rd r i v e r sa r em o d i f i e d t h el c dd i s p l a yd r i v e r , t o u c h i l 武汉理工大学硕士学位论文 d i v e r , u s bd r i v e ra n dk c m lc o n f i g u r ef i l ea l ep o r t e d ，a n dt h ee c gm o n i t o r i n g s y s t e ma l ec u s t o m i z e ds u c c e s s f u l l yb a s e do nw i n d o w s c e 5 0 k e y w o r d s ：e c gm o n i t o r , e m b e d d e ds y s t e m ，$ 3 c 2 4 4 0 ，w i n d o w s c e 5 0 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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了谢意。 签名：盘盔日期：玉! z ：生：曼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 数字化医疗器械产业是将传统医疗技术与电子信息、生物工程、精密制造、 新材料等技术有机结合，形成的一个新兴高技术产业，已成为融合科学技术内 涵最多的现代化产品之一。近年来，电子信息，网络通信技术的高速发展，尤 其是嵌入式技术的突飞猛进，嵌入式医疗仪器得到迅速的发展。在不知不觉中， 嵌入式成为了一个充满商机的巨大产业，并且成为软件业发展的新支柱。 随着人们生活水平的不断提高，人们对于自身健康的关注也提升到一个前 所未有的高度。在今天，越来越多的高科技手段，比如嵌入式微处理器和操作 系统已开始运用到数字化医疗仪器的设计当中，医疗终端设各也日趋多元化。 这样的发展态势，无论是全球市场还是中国范围内，这都是一个快速崛起的数 字化医疗设备市场。 1 1 1 嵌入式监护仪的市场巨大 来自“2 0 0 7 2 0 0 8 年中国医疗设备市场深度分析及发展趋势研究报告”数据显 示，全球数字化医疗设备每年销售额为6 5 0 亿美元，年增幅在6 1 0 之间，而 中国市场为6 0 0 亿元人民币，连续几年的增长幅度都位居全球榜首。目前，中 国医疗设备与药品的销售额比例为1 ：8 ，而这一数字在发达国家的比例接近1 ： 1 ，因此中国医疗器械市场潜力是巨大的i l j 。 另据权威部门预测，今后五到十年，我国医疗器械的需求呈持续高上升态 势。主要原因有：国内医疗卫生事业和医疗技术的不断发展，高新技术的不断 采用，使医疗器械在灵敏度、适用性、早期诊断、微量分析、诊断治疗的特异 性和效率等方面大大提高，促使一大批老产品提前退役。另外，由于产品结构 调整的因素，医疗器械功能已由单纯诊断、治疗或化验向诊断、检验、分析、 治疗、保健等多方面的延伸，将会不断调整医疗器械产品的结构，其市场面也 将不断扩大。 武汉理工大学硕士学位论文 目前，心电监护仪已在世界范围内形成了一个庞大的产业，由于中国进入 的时间很晚，市场份额主要集中在几家跨国医疗器械公司。而且，g e 、惠普、 飞利浦、西门子等跨国集团针对当前心电监护器械的市场，已经开始在中国进 行大规模的本土化生产。 世界卫生组织在2 0 0 8 年1 0 月2 9 日有关全球疾病状况的最新评估报告显示， 心血管疾病、传染病和癌症仍然是当前导致人类死亡的三大主要原因。心血管 疾病死亡居全球死亡之首，约占死亡人口的近三分之一。 心脏作为人体最重要的器官，其监护设备一心电监护仪在数字化医疗器 械中具有较高的研究价值。 1 1 2 课题来源与研究意义 本课题来源于温州市科技局项目( 浙江省科技项目) “基于相空间重构的心 脏危险征兆检测及监护系统研究”，其目标是研究新型的移动式心电监护系统， 为患者提供实时、方便、迅捷的服务。 由于移动式心电监护系统是目前新型的心电监护形式，是体表心电微弱信 号拾取、心电诊断信号算法、嵌入式技术三者相结合的一个富有挑战性的研究 课题。在实验室课题组共同完成项目总体方案分析评估的基础上，将项目分成心 电信号的检测”、“心电监护系统平台”、“心脏危险征兆检测算法”三个子项目。 经过了2 0 多年的发展，以多参数为基本描述手段的动力学分析方法与嵌入 式技术完美结合，在心电信号分析的应用方面取得了许多卓越的研研成果。心 电监护系统是生物医学仪器研究的重点，研究新型智能型的心电监护器械，刻 不容缓。 鉴于嵌入式计算机系统的相对独立性，论文以心电监护系统项目为背景， 主要内容集中于心电监护仪操作系统的研究和移植。本文任务是为心电信号拾 取和检测提供嵌入式平台的解决方案。通过对嵌入式系统的移植，掌握相关领 域的关键技术，为心电监护终端的研制奠定良好的基础。 1 2 国内、外相关技术的研究现状 由于数字医疗设备市场技术性较强，医疗设备行业进入退出壁垒都比较高， 2 武汉理工大学硕士学位论文 尤其是在高精尖医疗设备领域，其中心电监护仪的研究包括以下三个方面的技 术内容：， 人体表皮的微弱心脏电位信号的提取，由于心电信号属于强噪声背景下的 低频微弱信号，有其特殊性质：微弱性、低频特性、不稳定性以及随机性。心 电信号的幅值一般在l m v 左右，甚至可低至几十微伏，频谱分布在0 0 5 - - , 1 0 0 h z ， 主要频谱分量集中在0 5 - - - 2 0 h z ，降噪、滤波等调理电路都比较复杂。 由于心电信号的复杂性、各种噪声的存在以及个体生理上的差异性，使o r s 波群的检测算法存在很大困难。目前心电检测算法以o r s 波群检测，p 、t 波的 交替检测技术为导向。 第三是心电监护仪平台的设计，这主要包括微处理模块和系统软件环境。 近年来，嵌入式技术迅速发展，集网络、控制、信息等多种功能于一身的移动 微处理器和l i n u x ，u c f o s 以及w i n d o w s c e 在嵌入式3 2 位微处理平台占据了 市场8 5 左右的份额，基于a r m 和操作系统的移动通信、手持设备和医疗仪 器设备也是随处可见i 引。 目前，各大医疗器械厂商都在心电图仪的开发上投入了大量的资源，产品 主要采用了前端和后端的方式实现，并且都开发出了各具特色的心电仪产品。 例如，中国迈瑞电子p m 7 0 0 0 8 0 0 0 脚e x p r e s s 便携式多参数监护仪：液 晶屏显示，可同时显示1 2 导联；监护参数多，按钮较少：可通过网络与中央监 护系统连接。 深圳理邦仪器的s e e x p r e s s 数字式心电图机：1 2 1 寸1 1 丌l c d 显示多导 联同步心电波形，可实现心电图的在屏诊断；触摸屏操作，人机对话方便直接； 翻转折叠式设计。 北京福田电子医疗公司的f c p 系列心电图机：同步采集、显示、记录多导 联心电波形和数据；内置存储器可存储3 0 0 例患者心电图波形及报告：可连接 运动负荷试验装置；支持a 4 纸打印功能。 席勒国际有限公司的a 娘d i o v i t 肛1 0p l u s 高性能笔记本式心电图仪：简 洁的笔记本式设计，高精度彩色显示屏，集成1 2 通道高品质心电记录仪，起搏 器探测，可充电电池方便移动携带，静态心电测量，席勒通讯模块( s c m ) 用 于整合治疗系统或h i s 。 美国安捷伦科技有限公司的自动分析心电图仪：同时获得1 2 导联带测量和 分析结果的a 4 尺寸心电图报告，实时、连续记录3 道或6 道波形，体积小、重 3 武汉理工大学硕士学位论文 量轻、交直流两用、可充电电池：存储3 0 份心电图、快速自动测量、辅助分析、 自动诊断，r s 2 3 2 接口可将心电数据发送至传真和计算机，实现远程会诊。 研华科技公司最新研制的超声波诊断仪，在嵌入式微处理器的基础上，更 是开始使用w i n d o w sx pe m b e d d e d 迸行操作系统定制。产品优势：实现了系统 稳定性、存储空间等方面的要求，实现了数据文件级的保护，能够通过命令来 控制对文件的修改操作；实现了开机后直接出现公司宣传画面，体现了产品的 专业性，建立了更好的品牌形象；实现了彩色超声图像的实时传输功能，使得 在病床前的医生和在会议室会诊的医生同时有效的获得病人的第一手资料。 目前，医院门诊服务也开始采用基于w i n d o w se m b e d d e dc e 和w i n d o w s t e r m i n a ls e r v e r 客户端的无线手持设备，改进患者护理服务。为盲人和视觉障碍 人士设计的一种小型帮助设备，提供与p d a 相同的操作功能，也采用了w i n d o w s e m b e d d e dc e n e t 系统搭载移动电话管理软件而设计。 通过上述医疗器械各自特性的分析和比较，可以得出，现代医疗器械具有 以下几点发展趋势： ( 1 ) 高速微处理器。随着产品性能的逐步提升。需要处理器能完成大量的 算法和逻辑运算以及丰富的外部接口电路。如b 超和高端心电监护仪等产品已 开始大量使用d s p ，a r m 微处理器。 ( 2 ) 液晶显示屏和触摸屏的广泛应用。目前超声产品，心电监护仪和一些 检验产品如血球仪、生化分析仪等已经使用3 5 1 5 英寸的tl c d 显示屏和触 摸屏。 ( 3 ) 大数据量的存储。监护仪产品链由于应用层软件的日益庞大和图像深 度存储的需要，需要使用大容量的f l a s h 或外接标准i d e 硬盘。 ( 4 ) 外围接口的需要。如网络接口、u s b 接口甚至蓝牙等无线技术在医疗 电子产品中已不可或缺。 ( 5 ) 便携式产品的出现还增加了对功耗的关注程度。 随着数字化医院、远程医疗、移动监护、病人呼叫中心等先进理念的出现 和应用，a r m 公司和微软已经在这方面推出了高速微处理器核和w i n d o w s e m b e d d e d 技术。在a r m 9 微处理器搭载w i n d o w $ e m b e d d e dc e 的医疗仪器已 成为发展趋势1 3 j 。基于a r m 9 微处理器与w i n d o w s c e 的监护仪，优点主要有： 实时性强，提高了作业满意度；可远程医疗监控便捷，支持无线网络；体积小， 功耗低，携带方便，高度灵活，人机界面友好简单。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文的主要内容 本文在综述当前嵌入式医疗器械技术的基础上，对比国、内外心电监护仪 的研究现状，决定采用高性能a r m 9 2 0 t 微处理器作为处理核心，并组建大容量 f l a s h 存储器模块，使用液晶显示触摸和u s b 接口技术和w i n d o w s c e 嵌入式操 作系统，为前端心电信号，e c g 检测算法1 4 1 1 5 】以及应用程序提供高性能，稳定性 良好的应用平台。结合当前心电图仪器的发展趋势，以及研究项目的性能需求， 开发具有以下功能的心电监护仪。 ( 1 ) 较高的性能：从心电图系统的功能上看，处理器要负责进行实时的数 据传输和满足监护软件中所采用的心电波形判别算法。 ( 2 ) 较大的存储容量，存储器要能对病人的心电数据进行保存，在成本差 别不大的前提下，存储容量越大越好。 ( 3 ) 便携性：体积小、便于携带的心电监护仪对于医生的单人出诊、户外 心脏功能测试具有重大意义，便携性也是心电图仪的一个发展趋势。 ( 4 ) 界面简单：使用w i n d o w s c e 操作系统和液晶屏显示并且采用触摸屏 的操作方式。去掉了面板上的多余按键，提高了便携性，而且操作更加灵活。 本课题描述的心电监护仪采用了前端心电信号调理和后端处理分析的方式 实现l 们。为了能够完成心电数据采集、处理等功能，平台中必须包括一些主要模 块，如：处理器、存储模块、液晶显示模块、按键模块、通信模块、模数转换 模块、信号调理模块、导联模块1 7 】等，其心电监护仪系统结构框图如图1 1 所示。 l c d 报警键盘 千千i 八 心 1i l电 显示接口报警接口 键盘接口 ，耍 信 人 集 号m 调 s 体理 l a r m 3 2 位处理器 l 右 p l u 电4 3 0 h 蛆 厂- 驱 。j 煺 路 f 以太网接口 u s a 接d f ： 一l 动 3 l 一一 一一一一一一一 。区域网关i主机 图1 1 心电监护仪系统结构框图 5 武汉理工大学硕士学位论文 其中前端的数据采集平台采用了基于单片微控制器的独立系统，主要包括 前端人体表面导联模块和心电信号调理等电路，由项目组其他同学完成。 本文主要对心电监护仪处理平台的系统构建及功能模块驱动程序的实现， 该部分主要是针对心电监护仪系统板级支持包的开发，所作的工作可以用 w i n d o w s c eb s p 结构组成图来表示，如图1 2 所示。 心电监护仪硬件资源 图1 2w i n d o w s c eb s p 结构组成图 ( 1 ) 在心电监护仪硬件资源的基础上，根据设备终端的特殊需求，设计 w i n d o w s c e 下b o o t l o a d e r ，实现心电监护仪的正常引导加载，以及开发过程中 调试信息的输出。 ( 2 ) 针对心电监护仪对外围设备驱动的特殊要求，完成心电液晶显示屏、 触摸屏和u s b 关键部分的驱动和o a l 层函数的设计与实现。 ( 3 ) 针对心电监护仪对系统内核和组件的需要，改写w i n d o w s c e 5 0 内核 部分配置文件和源代码配置文件r e g 、b i b 、d a t 、d i r 、s o u r c e 。并给出基于心电 监护系统的w i n d o w s c e 5 0 系统定制、移植与b s p 的测试流程。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章硬件资源及开发环境介绍 目前嵌入式医疗仪器的发展趋势朝着便携式、多功能、低功耗、灵活的数 据通信方式、大容量的数据存储功能和友好的人机接口等智能化的方向发展， 而这一发展趋势的核心技术是嵌入式微处理器技术和嵌入式操作系统的革新。 基于a r m 内核的3 2 位嵌入式微处理器( m p u ) ，以其高性能、低功耗和丰 富的片内资源，成为目前众多医疗电子产品开发平台的首选。其中，三星公司 公司推出的旗舰产品s 3 c 2 4 1 0 2 4 4 0 ，是目前集成度非常高的a r m 处理器。该 处理器采用a r m 9 2 盯内核，集成包括l c d 和u s b 等控制器在内的丰富资源， 满足工业级的标准和极具吸引力的性价比，使其在众多嵌入式微处理器中脱颖 而出，成为下一代医疗电子产品开发平台的理想选择【8 j 。 从开发角度来看，w i n d o w se m b e d d e d 技术通过为设备制造商提供低成本、 高收益的工具来减少开发工作量。通过采用w i n d o w se m b e d d e dc e n e t 和 m i c r o s o f tw i n d o w sx pe m b e d d e d 提供的工具集，包括用于构建、调试和部署操 作系统映像的单一集成开发环境等，让开发工作可以集中于最终用户体验的定 义和设计上，而不必浪费在基础设备开发上。从支持角度来看，微软w i n d o w s e m b e d d e d 操作系统的第三方的供应商很多，全球有几百万的软件开发人员在为 它开发工具和应用程序，而且网络资源丰富，代码开源。 根据对心电监护平台的需求，本章对硬件资源及w i n d o w s c e 系统开发环境 作简单的介绍介绍。利用高速微处理器处理核心和操作系统的移动性以及便利 性，为前端检测输入的心电信号提供处理平台【9 】。 2 1 硬件资源介绍 结合心电监护仪平台的实际需要，选择基于a r m 9 2 0 t 核的嵌入式处理器为 构建对象，嵌入式核心主板以s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器为核心。 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器是一款低功耗、高集成度的微处理器，具有非常强大的 7 武汉理工大学硕士学位论文 处理能力，工作频率达4 0 6 m h z 。采用2 8 9 脚f b g a 封装，包含a r m 9 2 0 t 内核， 0 1 3 u r n 的c m o s 标准宏单元和存储器单元微处理器，该微处理器是典型的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，采用了新的总线架构a m b a ，低功耗，简单，优雅，适合于 对心电监护仪这类功率敏感型设备的应用i l o l 。 s 3 c 2 4 4 0 a 微处理器内带1 6 k 的数据c a c h e ，1 6 k 指令c a c h e ，以及支持内 部4 k b 缓冲器进行启动引导。s 3 c 2 4 4 0 a 具备全功能的存储器管理单元m m u ， 支持l i n u x 和w i n d o w s c e 等图形桌面的操作系统，带有a h b 系统总线和a p b 外部总线，支持s d r a m ，n a n df l a s h ，s d 卡和1 r i 叮i l d 。此外，s 3 c 2 讹 微处理器对大量外设进行了集成，这些都使得嵌入式主板具有强大的功能和丰 富的外设接口，从而满足心电监护仪所需的硬件资源，其$ 3 c 2 4 4 0 内部结构图 如图2 1 所示。 l c d c o n t r o l l e r 存储管理 a h b 总 线 塞慧j 回 u a r t 控制f 谰酵 a p b 纠i a d c ，总 线 c o 叫n t r o s l l e r 障 i 、j p 图2 - 1 $ 3 c 2 4 4 0 内部结构图 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处制器内部集成了s d r a m 控制器，s d r a m 控制器 ( s d k a m c ) 通过向外部1 6 位或3 2 位s d r a m 提供接口来扩展芯片存储能力， 根据本项目实际应用的需要，采用两片1 6 位数据宽度的s d r a m ( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a it - h ) 存储器并联为3 2 位数据宽度的s d r a m 映射到 $ 3 c 2 4 4 0 a 的b a n k 6 ，地址范围为0 x 3 0 0 0 - 0 0 0 0 - - - 0 x 3 3 f f f f f f ，组成6 4 m b y t e s 的内存。 在s d r a m 的内存设计部分，重点考虑内存与c p u 直接进行高速数据交换， 因此内存部分的数据线、地址线和控制线需要与c p u 直接相连，优先保证内存 8 武汉理工大学硕士学位论文 工作的稳定性。 近年来，n a n df l a s h 由于其体积小、容量大、成本低、存取速度快的优点， 得到了迅速的发展，在嵌入式存储中得到了广泛的应用。在本课题中，充分考 虑到操作系统和心电波形数据所需要的存储空间，以及硬件成本，决定外扩1 g n a n df l a s h 作为数据文件的存取。n a n df l a s h 由于其自身结构的特点，没有 地址线，主要是通过数据命令配合控制线对n a n df l a s h 进行操作，擦除和存储 数据，需要驱动程序作支持。 2 1 2 硬件开发板资源 a r m s y s 2 4 4 0 开发板是以$ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器为基础，通过对处理器各个 接口进行外扩，从而实现处理器提供的各种功能，在前期开发工作中。选用了 一款基于s 3 c 2 4 4 0 的半成品开发板。 其硬件特征主要有：以$ 3 c 2 4 4 0 a - 4 0 微处理器为内核，提供4 0 6 m h z 的工 作频率和低程度的电源消耗：采用6 4 m bs d r a m 和1 g bn a n dh a s h 文件系统， 可以在容量和可靠性方面达到心电监护仪的硬件标准，并最大程度地实现心电 监护仪的外部设备扩展。a r m s y s 2 4 4 0 心电监护系统开发板上的集成资源有： 微处理器：s a m s u n g s 3 c 2 4 4 0 a 4 0 ； s d r a m ：2 片4 b a n k s x 4 m x l 6 b i t ss d r a m ( h y 5 7 、，5 6 1 6 2 0 a i ：b h ) ，组成 6 4 m 内存； f l a s hm e m o r y ：1 g bn a n dh a s h ，1 m bn o rh a s h 各一片； l c d 触摸屏接口：5 0 针1 1 丌l c d 液晶屏所需的全部信号线，并引出触摸 屏接口； 时钟晶振：1 6 9 3 4 4 m h z 系统外部时钟源；3 2 7 6 8 k h z 的r t c 时钟源； 通讯接口：2 路u s b 口( s l a v e ) ，3 路u a r t 接口，1 0 me t h e m e t 芯片c s 8 9 0 0 a ： 调试接口：2 0 芯m u l t i i c e 标准j t a g 接口，支持a d s l 2 调试，h a s h 烧写； 扩展接口：引出数据、部分地址总线，部分控制总线、i o 信号线、a d 信 号线。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2w i n d o w s c e 系统概述 对于不同类型的医疗设备和系统的开发而言，需要寻求一个可自定义的操 作系统作为设计基础。微软的w i n d o w se m b e d d e d 技术专门面向这一需求：在单 个工具集内实现了可靠的架构、行业标准支持、多种图形界面选项、全面的联 网支持以及核心w i n d o w s 技术。 w i n d o w s c e 是一个适合嵌入式应用的操作系统【1 1 】，包括对多种目标处理器 以及外围设备的支持，并提供了系统开发、应用开发、整合的应用程序，以及n e t f r a m e w o r k s 等，所有这些组件构成了w i n d o w s c e 系统的应用框架，在操作系统 的基础上，w i n d o w s c e 提供了方便的嵌入式开发环境f 1 2 l f l 3 l 。 2 2 1w i n d o w s c e 系统特性与结构 w i n d o w s c e 的设计目标是：模块化、可延展、实时性能好、通信能力强、 支持多种c p u 。它提供了如下的基本特性： ( 1 ) 适应小型系统，为其提供简洁、高效、完善的控制机制：支持多种处 理器和计算机架构，并支持多种接口；遵循w i n d o w s 平台的w i n 3 2a p i 应用开 发规范； ( 2 ) 操作系统模块化，可根据特性订制，适应用户需求，并以最佳的方式 使用内核、驱动以及所支持的特性进行配置管理，可根据需求灵活选择系统特 性进行组合，构建出新系统。提供方便的工具来开发b s p ，使得基本的 w i n d o w s c e 操作系统可以迅速被移植到某个专用嵌入式系统的硬件平台上； ( 3 ) 支持实时应用。w i n d o w s c e 实时能力可以适应大部分( 9 5 ) 硬式实 时( h a r d r e a l t i m e ) 系统的需求。而且在w i n d o w s c e 中，当采用在i s r 中直接 处理时，延时非常短，较长的延时通常发生在采用i s t 方式处理中断事务的情 况，排程系统保证在此种情况下的延时不超过1 0 0 z s ，完全满足心电监护仪的实 时要求1 1 4 j 。 ( 4 ) 提供进阶电源管理功能。进阶电源管理是设备管理模块的部分，在 w i n d o w s c e 设备管理中，电源管理器提供了个符合a c p i 标准的电源管理基 本接口，并使用设备管理的事件传递机制来处理相关的电源事件。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 提供便捷的应用软件开发平台，以及应用程序在多种w i n d o w s 平台间 的快速移植能力。为应用程序提供网络通讯、图形使用者接口、数据库、档案 等支持。 w i n d o w s c e 内核使用了一种独特的模块机制，并设计成为一种分层的结构。 内存只保留启动系统必需的代码，而其他运行时需要用到的代码( 如网络、文 件系统、各种驱动程序等) 则被设计成内核的模块，在运行时由内核自动装入 内存。其w i n d o w s c e n e t 的分层结构图如图2 2 所示。 r,r i 应用程序l用户接口i , 应用层i i w i n c e n e t 厦塑匝壅圈 亟圈 壁圃困 塑固 操作系统层 硬件层 图2 2w i n d o w s c e n e t 的分层结构图 从底层向上层分别为硬件层、o e m 层、操作系统层和应用层。每一层由不 同的模块组成，每个模块又由不同的组件构成。这种层次性的结构试图尽量将 硬件和软件、操作系统与应用程序隔离开，以便于实现系统的移植。 硬件层是指c p u 、存储器、i o 端口、扩展板卡等组成的嵌入式硬件系统， 是w i n d o w s c e 操作系统的载体。这部分已在章节2 1 中介绍。 o e m 层是嵌入式硬件与w i n d o w s c e 操作系统的结合层。w i n d o w s c e 操作 系统要能在特定的硬件上运行，硬件必须要能够加载w i n d o w s c e 操作系统。同 时，操作系统也要能够实现硬件系统的初始化并驱动这些硬件。o e m 层主要包 括下列模块： ( 1 ) o a l ( o e ma d a p t a t i o nl a y e r ) 。o e m 适配层o a l 是w i n d o w s c e 内 核与目标硬件之间的一个代码层，主要用来处理系统内核与目标硬件之间的通 武汉理工大学硕士学位论文 信，其主要功能包括c p u 初始化、处理中断、计数器等。 ( 2 ) 启动加载程序( b o o t l o a d e r ) 。启动加载程序用于将w i n d o w s c e 操作 系统内核加载到目标硬件系统的内存并开始启动操作系统的执行。 ( 3 ) 配置文件。配置文件用于对w i n d o w s c e 操作系统的创建过程进行配 置，主要包括源代码配置文件和映像配置文件。 ( 4 ) 驱动程序。驱动程序是对物理或虚拟设备功能的软件抽象，是操作系 统与外部设备或虚拟设备的桥梁，应用程序只有通过设备驱动程序接口才能实 现对设备的操作。物理设备可以包括液晶显示屏、串口、网卡等；虚拟设备指 文件系统等。在w i n d o w s c e 下，设备驱动程序也可以被设计成为用户模式的应 用程序。 操作系统层是w i n d o w s c e 的核心层，既要为下面的o e m 层提供接口和服 务，也要为上层的应用程序提供服务与应用程序的编程接口。包括n k e x e 、 c o r e d l l e x e 、d e v i c e c x e 、f i l e s y s c x e 、g w e s e x e 以及系统组件等模块。 2 2 2w i n d o w s c e 系统的开发环境 w i n d o w s c e 常用的开发工具主要有p l a t f o r mb u i l d e rf o rw i n d o w s c e ( 简称 p l a t f o r mb u i l d e r 或p b ) 、m i c r o s o f te m b e d d e dv i s u a lc + + ( 简称e v c ) 以及 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 。 p l a t f o r mb u i l d e r 是微软公司提供给w i n d o w s c e 开发人员在w i n d o w s c e 平 台下进行嵌入式操作系统开发的集成开发环境( i d e ) 。它提供了对w i n d o w s c e 操作系统进行设计、创建、编译、测试及调试的所有开发工具【1 5 j 。 可以通过p l a t f o r mb u i l d e r 提供的交互式的环境来设计和定制内核、选择操 作系统特性，然后进行编译和调试。也可以使用p l a t f o r mb u i l d e r 来进行驱动程 序和应用程序开发等等。p l a t f o r mb u i l d e rt 具包还提供了适合一部分处理器的 b s p 源代码，包括用于o e m 适配层的源代码和各种驱动源代码，以及一些底层 调试工具。p l a t f o r mb u i l d e r 主要开发特征包括： 平台开发向导( p l a t f o r mw i z a r d ) 和b s p 开发向导( b s pw i z a r d ) - 创建系 统平台和b s p 。 基础配置：为各种流行的设备类别预置的定制操作系统，为自定义操作系 统的创建提供了一个起点。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 c a t a l o g ( 特性目录) ：列出操作系统所有可选特性。 自动化的依赖性检查：系统自动维护特性选项之间的依赖关系。 w i n d o w s c et e s tk i t ( 测试工具包) ：提供了一个驱动程序测试工具集。 内核调试器：调试自定义的操作系统镜像。 e x p o r t w i z a r d ( 导出向导) ：导出自定义的c a t a l o g 特性。 e x p o r t s d k w i z a r d ( 导出s d k 向导) ：导出一个自定义的软件开发工具包 ( s d k ) 。 远程工具：执行同基于w i n d o w s c e 的目标设备有关的各种调试任务和信息 收集任务。 e m u l a t o r ( 仿真器) ：通过硬件仿真加速和简化了系统的开发，使用户可以 在开发工作站上对平台和应用程序进行测试。 应用程序调试器：在自定义的操作系统镜像上调试应用程序。 2 2 3 板级支持包的总体设计框架 w i n d o w s c e 的板级支持包是一个为操作系统能够在标准开发板上正常运行 提供支持的软件实现。 一个典型的w i n d o w s c e 板级支持包包括b o o t l o a d e r 、o e m 适配层( o a l ) 、 d r i v e r s 、k e r n e l 、c o m m o n 及镜像配置文件五个组成部分。其中b o o t l o a d e r 、o e m 适配层o a l 和设备驱动是心电监护仪开发需重点改写和开发的三个部分【1 6 1 1 1 刀。 板级支持包组成部分的描述如表2 - 1 所示。 表2 1 板级支持包组成部分 组成部分 功能描述 b o o t l o a d e r 完成系统