（微电子学与固体电子学专业论文）嵌入式医用仪器测量模块开发平台.pdf

摘要 摘要 本文通过一个体温测量医用仪器设计的讨论，展开了一种基础生理参数提取 嵌入式仪器的设计方法，在该设计方法下，将所需要的共用部分进行合并，即平 台化的设计思想。本文主要对其中的测量模块以及支持该测量模块的一些平台常 用的模块进行了研究，这些支持模块包括数据采集部分、输入输出( 键盘、显示) 等部分，目的是以后基于该平台的开发设计工作，可以尽可能多进行模块的重利 用。 基于上述平台设计方法的医用仪器，与当前的常用的仪器有很大的不同，其 应用主要有以下几个目标。第一，用于户外检测人体代谢和体能消耗，比如登山、 远足和行军时的身体状态检测。第二，大规模基础生理参数的检测，例如流行病 爆发时需要在现场进行大规模的基础参数的测量和记录。所以根据产品定位，进 行产品设计和研究：第一，能够采集并记录的基础生理参数，比如体温、呼吸频 率、脉搏波等；第二，能方便应用在户外并便于随身携带，因此要求体积非常的 小；第三，要求价格非常低以适应大规模的使用；第四，耍能根据需要进行裁减 和扩充。 文中的特异性压缩算法，是一种根据生理参数特点( 特异性) 进行数据压缩 的一种算法，也是本课题的一种新的尝试。 论文完成平台设计的最基础部分的设计和实现，其中包括输入部分、输出部 分、控制部分、数据存储部分等的软硬件设计和实现，并在最后的电子产品中， 实现了其中一个生理参数的采集、运算、存储和控制。在论文的最后，对这种平 台的设计方法做了进一步的讨论。 关键词 嵌入式系统，医疗仪器，m s p 4 3 0 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s tr a c t 1 1 l r o u g hd i s c u s s i l l gm ee l e c 订o 】1 i ct 1 1 e m l o m 毗e rd e s i g n ，t 1 】i sp a p c rd e v e l o p sa m e m o do fi 1 1 s 仃l u n e n td e s i g nw h i c hc o l k c t s l eb a s i cp h y s i o l o g i c a lp 蚴e t e r j o i n i n g t h cs a m ep a n so fm a n yd i 疵r e n td e v i c e si s 廿l em e m o do fd 吖e 1 0 pp l a 饪b r i n t h i s p 印e rb a s i c a l l yd i s c u s s e si nm e a s u r ep a r t s ，a n do 也e rc o r r c l a t i v ep a r t sms u c hp l 驸b m ， f o re x 锄p l e ，d a t ag a 伍嘶n gm o d u k ，i p w o u q 眦m o d u l e ( k e y 觚dl c d ) ，i no r d e rt o r c u s et h em o d u l e su n d c r 也em e t l l o do f p l a t f o r md e s i g n t h i sm e d i c a li n s t m l i 】【e mw h j c hd e v e l o p e du n d e rt h ep l a t f 0 皿i sv e r yd i f f 打e n t 丘d mm ef 岫i i i a ri i l s 臼啪e n t si nm a r k e t ni su s e di nt w oa i m s f i r s to fa j li tc a i lb e u s e do mo fm ed o o r ，i no r d e rt om e a s u r et 1 1 eb o d ym e 扭1 b o l i z d b i l i t ya n db o d ye n e r 钉 c o n s 啪i n g ，s u c ha sw h e nc i i i i l b i n ga n de x c u 娼i g i na d d i t i o 玛i ti su s e dw h e nb a s i c p h y s i o l o g i c a lp 锄m e t e r so fal a r g en 啪b e ro f p e o p l ea r en e e d e d ，s u c h 觞印i d e m i ci s b m k e no m t h l l s ，也ed e 、，i c e 矗r s n yn e c d sg a t l l e rb a s i cp h y s i 0 1 0 西c a lp a r a m e t e r s e c o n d l y ，i tc a nb ec a r r i e de a s 吼砀i r m y ，1 0 w - p r i c ci ss u i 讪l ef o r 恤l a r g en e e d f o u r ( h 】弘t l l ed e v i c ec a nr e d u c eo ri n c r e a s es i m p l y t h em e t h o d0 fs p e c i f i cc o i i l p r e s ss t o r a 曙e 趾e t i ci san e wa t t e m p t ，w h i c hi s c o m p r e s s i n gm ed a t aa c c o r d i n gt ot 1 1 ec h a m c t e r i s t i co fd i 脚e n ts p e c i a lp b y s i 0 1 0 9 i c a l p a r a r r l e t e r t h i sp a p e rf i n i s h e d l eb a s i cd e s i g n ，i n c l u d i n gi n p u t s o u t p m s ，c o n d l l 协gp a r t ， d a t a - s t o r ep a r t 龇l ds o0 1 1 ，b o mi ns o 行a _ r ea 1 1 db 甜d w a r ef i e l d s i n 1 ef i n a lp r o d u c t ， p a p e rf i n i s h e dt l l ee l e c t m l l i ct h e m o m e t e rd e s i g n p nl a s t ，t 1 1 i sp 印e rd i s c u s s e sm i s h n do f d e s i g n 缸t h c r k e yw o r d s b m b e d d e ds y s t c m ，m e d i c a ld 州c e ，m s p 4 3 0 1 1 独创性声明 y8 9 0 3 6 5 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得北京工业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：硷奁 日期 关于论文使用授权的说明 ，一i 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：丛盛! 导师签名：差型丝日期：丝 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 嵌入式系统的背景 1 1 1 1 嵌入式系统的定义、特点与应用 总的来说，嵌入式系统即“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”，其中“嵌 入性”、“专用性”与“计算机系统”是三个最基本要素。所谓“嵌入性”，就是 需要把这个系统嵌入到对象系统中，因此该系统必须满足对象系统的环境要求， 通常有物理环境( 要求小型化) 、电气气氛环境( 要求可靠性) 、成本控制( 要 求廉价) 等：所谓“专用性”，就是说该系统的软硬件设置，应该是专门针对其 应用的，和p c 机的通用性相对，专用性要求该系统的软硬件的裁剪性，以满足 对象要求的最小软、硬件配置等；所谓“计算机系统”，就是该系统必须能满足 对象系统控制要求和计算需要，并配置有与对象系统相适应的接口电路。 而一个具有嵌入式系统的设备即为内部有嵌入式系统的产品或设备，例如手 机、p d a 等。 嵌入式系统与对象系统密切相关，为了满足嵌入式应用要求从而不断扩展对 象系统要求的外围电路，如a d c ( 当需要采集外部模拟量的时候) 、d a c ( 当需 要驱动外部模拟期间时) 、日历时钟( 需要计时的设备) 、电源监测、程序运行 监测电路等，形成满足对象系统要求的应用系统。 1 1 1 2 从历史的角度看嵌入式系统的定义与发展 嵌入式系统始于微型机时代的嵌入式应用，后来走上与通用计算机技术不同 的分支领域。2 0 世纪4 0 年代电子数字计算机诞生以后，在之后的很长一段时 间里，计算机都是被放置在专门的机房中，因为技术所限，所以此时的计算机 都是大型而且昂贵。到2 0 世纪7 0 年代，技术的进步导致了微处理器的出现， 与之前的大型机器相比，微处理器具有根明显的特点：小型、价廉、以及高可 靠性。以微处理器为核心的微型计算机出现，并且其高速数值解算能力和智能 化水平引起了控制专业人士的兴趣，于是要求将微型机嵌入到一个对象体系中， 实现对象体系的智能化控制。例如将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置 各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。虽 然此时还是应用相同的微处理器，但是与之前的通用计算机系统在功能上、形 态上与目的上已经有所区别，实现了对对象的智能化控制，称作嵌入式计算机 系统。嵌入式的概念由此本质萌芽，即将一个计算机嵌入到一个对象体系中去。 通用计算机系统要求高速、海量的数值讨算，于是技术发展方向是速度提珏、 存储量扩大，而嵌入式计算机系统由于其目的是实现智能化控制，因此要求其 具备适应该需求的控制能力、嵌入性能和可靠性等与通用计算机系统完全不同 的技术需求。 在早期，人们将通用计算机系统进行改装，并在大型设备中实现嵌入式应用。 然而在很多领域的众多对象系统无法嵌入通用计算机系统，而且由于应用目的 不同造成技术要求不同，在技术发展越来越先进的同时，就使得发展方向越走 不同造成技术要求不同，在技术发展越来越先进的同时，就使得发展力向越走 北京工业大学工学硕士学位论文 越远。于是最终导致了嵌入式计算机系统独立于通用计算机系统的发展并形成 了现代计算机技术发展的两大分支，即通用计算机技术与嵌入式计算机技术。 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，使计算机技术的方 向更加明确，并且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领域，使计 算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具，从而导致2 0 世纪末、2 l 世纪初计算机技术的飞速发展。通用计算机硬件系统不必兼顾嵌入式应用要求， 主要提高速度、存储力等通用要求，使通用微处理器迅速从2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 发 展到奔腾系列，而通用计算机的软件操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量 的数据文件处理能力。与此同时，嵌入式计算机则走上单芯片化道路。 2 0 世纪7 0 年代末诞生了单片机，并随后经历了s c m 、m c u 、s o c 三个阶段。 s c m 即单片微型计算机( s i n 9 1 ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求 最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。 m c u 即微控制器( m i c r oc o n t r o l l e 卜u n i t ) 阶段，主要的技术发展方向是： 不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显 其对象的智能化控制能力。 在寻求应用系统在芯片上的最大化解决的过程中，专用单片机的发展自然形 成了s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 化趋势。随着微电子技术、i c 设计、e d a 工具的 发展，基于s o c 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解 可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到片上系统。 1 1 1 3 嵌入式系统的应用 在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以 电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化，而计算机专业队伍 并没有真正进入单片机应用领域。因此，电子技术应用工程师以自己习惯性的 电子技术应用模式，从事单片机的应用开发。这种应用模式最重要的特点是： 软、硬件的底层性和随意性；对象系统专业技术的密切相关性；缺少计算机工 程设计方法。 随着后p c 时代的到来，网络、通信技术得以发展，嵌入式系统软、硬件技术 有了很大的提升，计算机专业人士的介入到嵌入式系统领域，形成了带有明显 的计算机的工程应用特点，即基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为 主的非嵌入式底层应用。 这两种客观存在的应用模式会长期并存下去，在不同的领域中相互补充。电 子系统设计模式应从计算机应用设计模式中学习计算机工程方法和嵌入式系统 软件技术；计算机应用设计模式应从电子系统设计模式中了解嵌入式系统应用 的电路系统特性、基本的外围电路设计方法和对象系统的基本要求等。 1 1 1 4 单片机与嵌入式系统概念 由于嵌入式系统有过很长的一段单片机的独立发展道路，大多是基于8 位单 片机，实现最底层的嵌入式系统应用，带有明显的电子系统设计模式特点。大 多数从事单片机应用开发人员，都是对象系统领域中的电子系统工程师，加之 单片机的出现，立即脱离了计算机专业领域，以“智能化”器件身份进入电子 系统领域，没有带入“嵌入式系统”概念，因此，不少从事单片机应用的人，不 了解单片机与嵌入式系统的关系，在谈到“嵌入式系统”领域时，往往理解成 计算机专业领域的，基于3 2 位嵌入式处理器，从事网络、通信、多媒体等的应 第1 章绪论 用。这样，“单片机”与“嵌入式系统”形成了嵌入式系统中常见的两个独立的 名词。但由于“单片机”是典型的、独立发展起来的嵌入式系统，从学科建设 的角度出发，应该把它统一成“嵌入式系统”。考虑到原来单片机的电子系统底 层应用特点，可以把嵌入式系统应用分成高端与低端，把原来的单片机应用理 解成嵌入式系统的低端应用，含义为它的底层性以及与对象系统的紧耦合”。 从嵌入式发展的角度，从而能比较好的阐述这两个在实际应用中经常混乱的概 念。 1 1 2 医疗行业应用背景 从嵌入式的定义来讲，除了通用p c 以外的计算机系统都是嵌入式系统，这 样所有的医疗仪器都属于嵌入式的范畴，而且由于通用电子计算机或者是嵌入 式系统进入到各个需要控制领域，所以很多设备是通用电子计算机与嵌入式系 统的结合体：用嵌入式系统完成操作和控制的执行，用通用p c 扩展一些接口卡 进行后台处理或运算。虽然通用计算机技术和嵌入式计算机系统联系越来越紧 密，但是在控制部件和操作执行部件往往还都是嵌入式系统完成，小型的设备 的控制系统，基本都是嵌入式系统搭建。 由于本论文所涉及领域是小型嵌入式仪器，所以对大型仪器并不做讨论。 目前常见的嵌入式小型、便携式医用或临床仪器有电子体温计、血压计、血糖 仪等仪器，该类一起的特点是方便、小型、常用、低廉，这样有利于进入家庭 或在医院以外进行使用。 1 1 3 课题准备背景 从本科在该实验室进行毕业设计开始，就进入对嵌入式领域的学习，当时 毕业设计的方向是嵌入式操作系统的移植，接触了嵌入式的概念，嵌入式操作 系统的概念，嵌入式开发平台的使用，嵌入式软硬件开发等多方面技术准备。 在研究生期间继续在嵌入式开发板上进行设计和开发。由于嵌入式医疗仪器属 于交叉学科，即需要有工程开发的背景，又需要基础的医学背景，于是在研究 生期间旁听了生命科学院工程生理学、临床医学、医疗仪器设计等基 础课程。同时，由于研究测量模块展开需要涉及到对测量模块后部处理的知识， 因此也做了充分的数学和计算机方面的准备。 从实验室的角度，围绕该课题有三项主要的嵌入式开发设计，分别是虚拟 仪器开发平台设计、专用计算器设计和光栅测量显示模块设计。虚拟仪器开发 平台项目从理论和设计方法上是对嵌入式医用仪器开发平台的指导，专用计算 器项目对具体的实现各个模块有一定的借鉴( 包含键盘扫描、液晶显示等) ，光 栅测量项目和嵌入式医用仪器测量模块设计都是以测量控制以及测量模块前端 采集后端处理为主体的项目，所以也有一定借鉴作用。 1 2 发展概况 目前对于便携的嵌入式医用仪器特别是进入家庭的医用仪器( 或者称做临 床仪器) ，非常的繁杂，不论是电子体温计、血压计、还是血糖仪等，主要的设 北京工业大学工学硕士学位论文 计模块和通用的仪器模式一致，即包含输入模块、输出模块、控制模块和通讯 模块，其中输入模块主要包含模拟数据采集、模拟信号处理( 比如滤波) 、模拟 信号到数字信号的转换、数字信号处理、存储、模式识别( 算法层) 以及键盘 扫描之类，输出模块主要是对外部的控制( 比如血压仪需要对气囊充器时，对 电机的驱动) 和显示部分，控制模块主要是用来协调输入模块、输出模块、通 信模块的功能和作用，通信模块在目前现有的大多数家用仪器中比较少，但是 在一些医院临床使用的便携式仪器中有广泛的存在( 比如说便携心电记录仪) 。 目前医用电子设备发展迅速，并且由于人口逐渐老龄化，需要更精密和方 便的设备以协助自我保健。根据市场研究公司d a t a b e a n si n c 在2 0 0 4 年5 月 发表的医疗电子行业的半导体消费( s e m i c o n d u c t o rc o n s u m d t i o ni nm e d i c a l e 1 e c t r o n i c s ) 报告显示，半导体应用与医疗设备时常月站总体医疗设备市场的 3 4 ，总体医疗设备时常的销售预估为1 7 4 0 亿美元。半导体应用于医疗设备市 埸在未柬五年( 2 0 0 4 2 0 0 9 ) 估计将以1 8 韵年增率增长，到2 0 0 9 年达到1 ，7 9 0 亿美元。此销售额将比现在的总体医疗设备市场稍高一些。“3 1 1 3 课题主要研究内容 一个典型嵌入式系统，应该包含输入模块，输出模块和控制模块；对于每 个系统，控制模块是必不可少的模块，而输入输出模块则是根据具体情况可有 可无。对于典型的输入模块，应该包含传感器，前端处理部分，传入处理，以 及输入后的数据处理。现在的嵌入式系统，特别是仪器仪表，都包含各种各样 的输入模块数据采集模块，比如冰箱空调需要测量温度，血压仪需要测量血压， 传感器的种类很多，但却可以分为几类，尤其是采集后经过前端的处理就变成 了抽象的模拟值，再进一步变成数字值，这个时候对于中心控制运算模块来说， 只是抽象的数据而己，所以，设计开发一个平台并缩短数据输入部分开发的时 间，就成了本课题的目标。 首先，这个课题锁定嵌入式仪器，嵌入式成为一种人性化的产品模式，甚 至是一种时尚化的产品模式，因而在消费领域有着越来越广阔的市场和前景。 同时它包含便携式和以p c 机为基础的拓展。 第二，锁定在测量模块，为避免课题过空过大。当然，其他的两个模块与 测量模块也是有关系的，尤其是控制模块，因而在这个题目中也会涉及到一部 分对控制模块的讨论。但由于控制模块和测量模块相比更复杂，所以对控制模 块的讨论仅限于与测量模块的相关性很强的部分。锁定测量模块，而没有锁定 输入模块，也是基于缩小课题范围的目的。同样，如果测量模块可以上升到一 个系统研究的高度，那么其他的两个模块也可以按照这个模式做下去。 第三，开发平台的定义。开发平台不意味着要做出一个产品出来，而是说， 之后的产品，只要是属于便携式的仪器设备产品，他的测量模块就可以用这 个平台来套用，这样就加快了产品的开发进度，同时也使开发更具有规范性。 这个题目是基于思考嵌入式，数据测量和处理，以及消费类电子特别是医 疗电子后得到的。同时，由于实验室现在存在数据采集卡开发的项目，因而也 在思考是否可以把从这个采集卡开发上的到的经验用于本课题中。所以，这个 题目实际上是在这两个因素的基础上思考而得到的。 第1 章绪论 1 4 课题开发产品主要应用方向 目前市面上常见的医疗仪器包含一下几种：第一，专业医疗仪器，以大公 司的大型仪器为典型代表，同时需要很高的安全性，其中便携式的包括很多急 救仪器。第二，病理检洲型测试仪器，一般这种仪器从传感器部分到理论设计 也比较复杂。第三，家用型仪器，一般这类仪器造价便宜，功能相对简单，常 见的有家用血糖仪、电子体温计、电子血压计等。 该课题所面对的产品区别于目前市面上的所有3 类仪器，其应用主要有一 下几个目标，第一，用于户外使用用来检测人体代谢和体能消耗，比如在户外 登山、远足、行军时的身体状态检测。第二大规模基础生理参数的需要，比如 流行病爆发，需要在现场进行大规模的基础参数的测量和记录。 根据产品定位，有以下几点设计要求：第一其采集并记录的是一些基础生 理参数，比如体温、呼吸频率、脉搏波等。第二是能方便应用在户外并便于携 带在身上的，这样就要求体积非常的小。第三要求价格非常低以适应大规模的 使用。 1 5 本文结构 本文第二章主要讨论了该课题所需要的所有软硬件环境，和需要的几个基 础模块，以及关键的设计方法，并借鉴了不同参考资料的系统设计和产品设计 的方法；文章第三章是实际的设计，并通过系统设计说明整体思路，硬件设计 划分硬件模块并设计对应软件程序，并提出一个特异性压缩存储算法的概念， 最后是主函数的设计，以及使用操作系统的讨论。 1 6 本章小节 本章先对课题有一个总体了解：首先最主要的先是明确嵌入式的定义，因 为在目前现实情况中，存在大量的工作者对于嵌入式和单片机的概念十分迷惑 的情况：第二是对该课题的说明，特别是对于该平台作用的定位，和该平台设 计方法应用的产品定位。这两点的首先明确和介绍在是非常重要的。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章嵌入式医用仪器测量模块开发平台 2 1 控制芯片硬件介绍 2 1 1 基本介绍 课题选择m s p 4 3 0 单片机系列中的m s p 4 3 0 f 1 3 5 。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机是 一种超低功耗的混合信号控制器，具有1 6 位r i s c 结构，c p u 中有1 6 个寄存器 和常数产生器。数字控制的震荡器( d c o ) 可以使器件从低功耗的模式下迅速唤 醒，能够在少于6 u s 的时间内从低功耗模式转到工作模式。 m s p 4 3 0 f l x x 低电压、低功耗，处理能力强大，系统工作稳定，外设资源丰 富，调试功能方便，代码保护几个特点，结合本次课题讨论其中几个特点： 第一，低电压、超低功率。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机在1 8 v 3 6 v 的电压、 1 m h z 时钟品路下运行时，耗电电流在o 1 u a 4 0 0 u a 之间。可以根据具体情况设 置中断源，并将c p u 处于低功耗模式，在需要的时候通过中断来唤醒c p u ，从 而实现系统的低功耗要求；而中断请求将c p u 从低功耗模式下唤醒只要6 u s 的 时间。课题的目标就是便携式，所以对于地功耗有一定的诉求，这个是选择该 系列芯片几个重要考察点之一。 ， 第二，强大的处理能力。m s p 4 3 0 f 1 x x 系列单片机有较高的处理速度，在8 m h z 晶体下运算能力可以达到1 m i p s ( 每秒1 0 0 万条指令) ，这一点是传统5 1 单片 机所达不到的。在本课题中，希望进一步发展存储特异性压缩方法，和模式识 别方法，所以需要一定的运算速度作为支持。 第三，丰富的外设资源。针对本课题，在选择具体芯片是，首先需要选择 带有集成a d c 模块的芯片，这样可以减小系统设计的复杂度，同时减小p c b 版 的面积。带有串口通讯也是一个很重要的要求，不过在本课题进一步延伸和发 展的时候，才会用上。 2 1 2m s p 4 3 0 f 1 3 x 系列单片机 2 1 2 1 基本介绍 该系列的单片机含字母“c ”的为r o m 型，含有字母“f ”为f l a s h 类型； 一般的说r o m 需要有烧写器，而f l a s h 支持j a t g 下载，所以一般在实验室中使 用的都是带有f l a s h 的，而成型以后才用r o m 的。m s p 4 3 0 f 1 3 x 有如下几个特点： ( 1 ) 具有比较低的供电电压，最低可以到1 8 v ，单片机的供电电压范围是 1 8 v 3 6 v 。 ( 2 ) 超低的功耗。这是该款单片机最大的特色，它在休眠的条件下工作的电 流只有o 8 u a ，在2 2 v 、1 删z 条件下为2 8 0 u a 。 ( 3 ) 快速的唤醒时间。从修面方式唤醒只需要6 u s 。 ( 4 ) 快速的指令执行时间。采用1 6 位r i s c 结构，指令的执行时间只需要 1 5 0 n s 。 ( 5 ) 片内1 2 位a d 转换器。a d 转换器具有采样保持和自动扫描等特点。 ( 6 ) 2 个1 6 位的定时器。 ( 7 ) 片内温度传感器。 第2 章嵌入式医用仪器测量模块开发平台 ( 8 ) 灵活的时钟设置。包含3 2 k h z 晶体方式、高频率晶体方式、谐振器方式 和外部时钟源方式。 ( 9 ) 片内模拟信号比较器。 ( 1 0 ) 串口模块。 ( 1 1 ) 片内较多的存储器。 ( 1 2 ) 提供p 1 o p 6 o 共6 个数据端口。 ( 1 3 ) 代码保护。 ( 1 4 ) j t a g 方针调试接口。 2 1 2 2 m s p 4 3 0 f 1 3 x 管脚图 d v o ： v * 。 v e r e “ v f m r e l 图2 1m s p 4 3 0 f 1 3 x 管脚图 f i g u r e2 1m s p 4 3 0 f 1 3 xp i n s 部分的管脚说明： ( 1 ) d v e c ：数字电源端。 ( 2 ) d v s s ：数字电源地。 ( 3 ) a v c c ：模拟电源端。 ( 4 ) a v s s ：模拟电源地。 ( 5 ) p 6 0 a o “p 6 7 a 7 ：通用数字i 0 管脚，a d 转换器模拟输入0 7 通道。 ( 6 ) v 。：a d 转换器内部基准电压的正输入端。 ( 7 ) v e a d 转换器外部基准电压的正输入端。 ( 8 ) v 。一v e 。：a d 转换器内部基准电压或者外部基准电压的负输入端。 ( 9 ) p 2 6 a d c l 2 c l k ：通用数字i o 管脚，1 2 位a d 转换器转换时钟。 ( 1 0 ) p 5 4 m c l k ：通用数字i o 管脚，主系统时钟m c l k 输出。 ( 1 1 ) p 5 5 s m c l k ：通用数字i o 管脚，子系统始终s m c l k 输出。 ( 1 2 ) p 5 6 a c l k ：通用数字i o 管脚，辅助时钟a c l k 输出。 ( 1 3 ) x i n ：晶体振荡器x t l 的输入口。 ( 1 4 ) x o u t t c l k ：晶体振荡器x t l 的输出端，测试时钟的输入端。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 1 5 ) x t 2 i n ：晶体振荡器x t 2 的输入口。 ( 1 6 ) x t 2 0 u t ：晶体振荡器x t 2 的输出端。 2 1 2 3 结构框图 图2 2m s p 4 3 0 x 1 3 x 系列单片机的结构框图 f i g u r e2 2m s p 4 3 0 x 1 3 xs t r u c t u r em a p 从系统框图中可以看到，该系列单片机的几个基础功能，( 从图左上角顺时 针描述) 包含系统时钟，片内存储，1 2 位a d 转换通道，6 个i o 口，串型通讯， 计数器，看门狗和j a t g 模块。 2 1 3m s p 4 3 0 各种端口 本节先对m s p 4 3 0 的端口做一个简单介绍，然后介绍使用其端口的关键寄存 器。 2 1 3 1 概述 端口可以直接用语输入输出：m s p 4 3 0 系统中，没有专门的输入输出指令， 输入输出操作都是通过传送指令来完成的，切端口p 1 p 6 都是可以位寻址的， 也就是说，端口每一位都可以独立用于输入输出。产件的键盘接口电路可以直 接用端口进行模拟，用查询或者中断方式控制。由于m s p 4 3 0 的端口只有数据端 口而没有状态口或者控制口，在实际使用中，特别是在查询式输入输出传送时， 可以用某一位( 或几位) 来传送状态信息，通过查询为对应状态来确定外设是 否处于“准备好”状态。 端口是m s p 4 3 0 极其重要的资源，由于目前m s p 4 3 0 所有系列总线不对外开 放，端口不但直接用于输入输出，还可以为m s p 4 3 0 系统扩展等应用提供必要 的逻辑控制信号。 2 1 3 2 p 1 和p 2 端口 端口p 1 和p 2 具有输入输出、中断和外部模块功能，包含有7 个控制寄存 第2 章嵌入式医用仪器测量模块开发平台 器：p x d i r ，p x i n ，p x o u t ，p x i f g ，p x i e s ，p x i e ，p x s e l ( x 可以选择1 、2 ，代 表p l 和p 2 端口) 。 p x d i r ，输入输出方向寄存器，定义输入输出方向，每个口的8 个引角可 以分别定义，设置o 为输入模式，此时只能读，设置为l 的时候为输出模式， 此时可读可写。 p x i n ，输入积存器，为只读寄存器。通过读取该寄存器内容知道i o 端口 的输入信号，在键盘扫描程序中经常需要读取作为行线或者列线的端口输入寄 存器值来判定按键情况。 p x 0 u t ，输出寄存器，该寄存器为i o 口的输出缓冲寄存器，在读取时输出 缓存内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容，输入缓存的内容不受 影响。 p x i f g ，中断标志寄存器，该寄存器有8 个标志位，标志相应引脚是否有待 处理中断的信息，即相应引脚是否有中断请求。在中断发生后，寄存器不自动 复位，需要软件来判断是对哪一个事件服务，并将相应的标志复位。 p x i e s ，中断触发沿选择寄存器，o 为上升沿使相应标志位置位，1 为下降 沿使相应标志位置位。 p x i e ，中断使能寄存器，o 为禁止中断，1 为允许中断。 p x s e l ，功能选择寄存器，p 1 和p 2 两个端口还具有其他片内外设功能，置o 为 选择引脚为i o 端口，1 为选择引脚为外围模块功能。 2 1 4 时钟模块 m s p 4 3 0 系列单片机始终模块由告诉警晶体荡器、低速晶体震荡器、数字控 制震荡器d c o 、锁频环f l l 以及锁频环增强版本f l l + 等部件构成。不同类型器 件包含模块不尽相同。 单片机各个部件能有条不紊的自动工作，依靠于系统时钟的作用，以及控 制器的指挥协调。m s p 4 3 0 所有器件都有时钟模块，都能实现超低功耗应用。震 荡器和系统时钟发生器的主要设计目标是廉价和低共好。为达到系统廉价，外 接期间缩减到只有一个普通晶振。在数字系统中，系统功耗与频率成正比，所 以使用低频晶体和含有倍频器可以满足始终系统速度与低功耗这两个要求。通 常，低功耗设备会增加各种工作模式来强制实现一些功能，例如：启动时序， 长时间相对于电压、温度、时间的频率稳定性，高稳定的时钟时基等。 小电流的实时应用有两个相互矛盾的要求：满足节能要求的低频系统时钟 和为了快速响应时间要求的高频系统时钟。尤其对于电池供电应用系统，特别 关注电流消耗。而在实时应用中为了响应外部时间或定时要求，也必须要求快 速。理论上，一个能快速启动并允许用于各种不同功率模式的处理器时钟发生 器可以解决这一矛盾：但是，快速启动通常伴随着不可接受的低频率稳定性。 所以需要设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决某些外围 不见实时应用的时钟要求，如低频通信、l c d 显示、定时器、计数器等。 为适应系统和具体应用需求，m s p 4 3 0 系列单片机的系统时钟必须满足以下 不同要求： ( 1 ) 高频率，用于对系统硬件需要和外部时间快速反应： ( 2 ) 低频率，用于降低电流消耗： ( 3 ) 稳定的频率，以满足定时应用，如实时时钟r t c 。 北京工业大学工学硕士学位论文 m s p 4 3 0 f 3 1 5 基础时钟模包含3 个时钟输入源，即l f x t l c l k 低频时钟源， x t 2 c l k 高频时钟源，和d c o c l k 数字控制r c 振荡器。同时提供3 种时钟信号： 辅助时钟a c l k ：a c l k 是l f x t l c l k 信号经过分频后得到的，可由软件选作 各个外围模块的时钟信号，一般用于低速外设。 系统主时钟m c l k ：可由软件选择来自l f x t l c l k 低频时钟源，x t 2 c l k 高频 时钟源，和d c o c l k 数字控制r c 振荡器三者之一，然后经过分频得到，主要用 于c p u 系统。 s m c l k 子系统时钟：可由软件选择来自l f x t l c l k 和d c o c l k ，或者x t 2 c l k 和d c o c l k ，然后经过分频得到，主要用于高速外围模块。 d 妇 图2 3m s p 4 3 0 x l x x 基础时钟模块 f i g u r e2 3m s p 4 3 0 x 1 x xc 1 0 c ks t r u c t u r em a p 油两 2 1 5 定时器 定时功能模块是m s p 4 3 0 应用系统中经常用到的重要部分，可用来实现定时 控制、延迟、频率测试、脉宽测量和信号产生、信号检测等。此外还可以作为 串行接口的可编程波特率发生器，在多任务系统中用来作为中断信号实现程序 的切换。一般来说，m s p 4 3 0 所需的定时信号可以用软件和硬件两种方法来获得。 m s p 4 3 0 系列有丰富的定时器资源：看门狗定时器( w d t ) ，基本定时器( b a s f c l o 第2 章嵌入式医用仪器测量模块开发平台 t j j 】e r l ) ，定时器a ( t i m e r 一 ) 和定时器b ( t i j 】 e r - b ) 等。 看门狗定时器具有基本定时功能，并且当程序发生错误时执行一个受控的 系统重新启动。 基本定时器除了可以满足基本定时并支持软件和各种外围模块工作在低频 率、低功耗的条件。 定时器a 拥有基本定时功能，支持同时进行的多种时序控制、多个捕获比 较功能和多种输出波形( p w m ) ，可以以硬件方式支持串行通信。定时器b 功能 与定时器a 基本相同，但比定时器a 更灵活，功能更强大。 2 1 6f l a s h 存储器模块 本课题使用的m s p 4 3 0 f 1 3 5 含有1 6 k b 的f l a s h 。嵌入式f l a s h 存储器获得的 技术进步在根本上促进了微控制器( m c u 的应用，显著的改变了微控制器时常。 m s p 4 3 0 嵌入式f l a s h 存储器同e e p r o m 一样是电可擦除并且可变成存储器，它 具有如下主要特点： ( 1 ) 变成可以使用位、字节和子操作； ( 2 ) 可以通过j t a g 进行编程； ( 3 ) 1 8 、3 6 v 工作电压，2 7 “3 6 编程电压； ( 4 ) 擦除编程自述可以达到l o 万次； ( 5 ) 数据保持时间长； ( 6 ) 6 0 k b 空间编程时间 5 秒； ( 7 ) f l a s h 编程擦除时间由内部硬件控制，无需任何软件干预。 6 肫 a f f f f h a f b 0 0 h 羽：翻= f h o f c a o h o f b f f h a 日h 捌辔f f h 日c 4 0 o c 3 f f h 0 c 2 0 0 c t f f h 拄c 0 0 a h 口，0 f f h 0 t 0 8 掰 0 1 0 7 f h 0 1 0 0 0 * s q m f i t o 训】啦w u d t 铷c i o 佑 s e 畔m s e 廖h 斟n 2 = ： 眷 e 口m 椰t n s e 口m 啊畦n ( s e g m e m s e 口m e 毗b 瑚a 轴 m a q n f 。r m 确o n 描e 刑o 叫 图2 4 存储模地址示意图“1 f i g u r e2 4m e m o r ys t r u c t u r em a d f l a s h 存储模块是m s p 4 3 0f l a s h 型器件中都有的一个模块，不同型号期间 北京工业大学工学硕士学位论文 的f l a s h 容量不同，所在的地址空间也不一样；但都是由n 段主存储器与2 段 信息存储器组成。信息存储器每段1 2 8 字节，分别为信息存储器a 和b ，主存 储器每段为5 1 2 字节。所有型号器件的信息存储器地址完全相同，从 1 0 0 0 h 1 0 f f h 。主存储器的地址范围不一样，但其实地址一样，都是第o 段源于 地址o f f f f h ，不同型号的期间最后一段的结束地址不同。 f l a s h 型期间中的f l a s h 存储器主要用作程序代码、数据表格以及用户信息 的存储，可多次擦除和写入数据，可在系统写入或在应用写入。写入和擦除方 式可以通过j t a g 接口，也可以由拥护调用芯片内的驻留软件来实现，需要注意 的是，运行的程序代码存储区与待编写的存储区不能在同一段中。 2 1 7m s p 4 3 0 模数转换模块 图2 5a d c 模块示意图 f i g u r e2 5a d cs t r u c t u r em a p m s p 4 3 0 f 1 3 x 内具有a d c l 2 模块，由参考电压发生器、模拟多路器、1 2 位转 第2 章嵌入式医用仪器测量模块开发平台 换器内核、时序控制电路、转换结果缓存构成。 图2 5 最上部分为参考电压发生器部分。m s p 4 3 0a d c l 2 内置参考电源，而 且参考电压有6 中可编程选择，分别为v ，与v 。一的组合，其中v n 有a v “( 模拟电 源正端) 、a v 。( a d 转换器内部参考电源的输出正端) 及v e m ( 外部参考源的 正输入端) ，r 。一有a v s s ( 模拟电源负端) 、a v 。( a d 转换器内部参考电源的输 出负端) 及v e 。一( 外部参考源的正输负端) 。 图中左边是模拟多路选择器部分。当多个模拟信号进行采样并进行a d 转 换时，为了共用一个转换内核，模拟多路器需要分时地将多个模拟信号接通， 即每次接通一个信号采样并转换。m s p 4 3 0 很多系列的a d c l 2 内嵌温度传感器， 片内温度传感器的输出送到a d c l 2 的通道1 0 ，对其进行a d 转换，进而可以进 行测量芯片内的温度。 2 2 软件开发环境 2 2 1i a re m b e d d e dw o r k b e n c h i a r 嵌入式工作平台i a re b e d d e dw o r k b e n c h 为开发不同的h i s p 4 3 0 目标处 理器项目提供了环境，它包含：文本编辑器、编译器、汇编器、连接器、函数 库管理器和调试器c s p y 。 2 2 2c s p y c s p y 有3 中工作方式，硬件仿真调试( f 1 a s he m u l a t i o nt 0 0 1 ) ，软件模 拟调试( s i m u l a t o r ) ，调试主机与目标系统经r s 一2 3 2 接口连机，调试程序暂存 于r a m 中( r o m m o n i t o r ) 。其中最常用的是前两种模式。 硬件仿真方式是在目标硬件系统的真实环境中进行调试，除了验证程序， 还可以检测目标系统的硬件设计性能。主机将代码通过j t a g 仿真器下载到目标 系统的f l a s h 中运行。 软件模拟方式中，目标系统的运行是在调试主机上以软件模拟实现的，拥 护可以利用软件模拟调试在目标硬件系统产生之前验证程序的设计思想和逻辑 结构。c s p y 提供了功能包含：模拟指令的执行，程序分析，中断模拟，立即 断点设置和程序恢复运行，外围设备的模拟( 使用c s p y 的宏系统) ，在软件模 拟调试时基本操作与硬件仿真基本相同。 2 3 系统设计 2 3 1 系统框架设计 嵌入式医用仪器测量模块开发平台开发，需要借鉴多重的仪器设计，包括 数据采集卡设计( 主要提供专业数据采集的思路和设计方法) ，平台开发设计( 提 供平台设计思路和理念) ，嵌入式医疗仪器设计( 主要提供医疗仪器开发流程和 设计方法上的思路，以及要点) 。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 1 1 数据采集卡设计框架 对于数据采集卡的研发对本次题目起到了关键的作用。主要参考了台湾 a d l i n k 公司的数据采集卡的设计框图来设计这块采集卡，并把它的数据采集模 块的设计思想和方法应用于本次的题目上。图2 6 为a d l i n k 公司的数据采集卡 系统框图。 从图中可以主要看到这样的几个部分，左上角2 个1 2 位的d a 通道：左边 部分为1 6 个a d 采集通道，经过多路选择器、可编程运算放大a m p 、a d 转换 和缓存，最后进