（生物医学工程专业论文）嵌入式远程多生理参数检测仪的研究与设计.pdf

a b s t r a c t t e l e m e d i e i n ei n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so fm a n ys u b j e c t sf o r m san e wm e d i c i n e m o d e ，w h i c hi sb e i n ge x t e n s i v e l yp a i da t t e n t i o nb yp e o p l e u pt oh o w ，t e l e m e d i c l n e p r i m a r i l yf o c u s e so ne x c h a n g i n ga n ds h a r i n gm e d i c a li n f o r m a t i o nb a s e do nn e t a n d m u l t i m e d i a t h es t u d ya n d d e v e l o p i n g a b o u tr e m o t e b i o s i g n a ls a m p l i n g a n d l o n g - d i s t a n c ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sd e t e c t i n gt e c h n o l o g ya r es o m e w h a tl a gb e h i n d t h ef o r m e ry e t i nt h i st h e s i s ，w es c h e m ear e m o t em u l t i - b i o s i g n a ld e t e c t o rb a s e do n e m b e d d e ds y s t e m t l l ed e t e c t o r sa r c h i t e c t u r e i n t e r f a c eo fn e t w o r ka n db i o s i g n a l a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n ga r ep r i m a r i l ys t u d i e d ， e m b e d d e ds y s t e m d e s i g n i n g i san e wt i d eo fm o d e r ne | e c t r o n i c a ls y s t e m p r o j e c t i t i n t e g r a t e sh a r d w a r et i g h t l y w i t hs o f t w a r e ，d e s i g n e df o rt h ec u s t o m e r s s p e c i f i c p u r p o s e ，s ot h a ti t h a st h eo p t i m a lp e r f o r m a n c e p r i c e r a t i oa n dr e a l t i m ec a p a b i l i t y f o r i n t e g r a t i n g r e a l t i m e o p e r a t i o ns y s t e m i n t oi t ，t h ed e t e c t o ri sl a i dai d e a l f o n n d a t i o nt oh a v em o r ei n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r k c a p a b i l i t y ， t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e so ft h ed e t e c t o ra r ep r e s e n t e d d o u b l e c p u sa r e e m p l o y e d o n e i st h e3 2 一b i t 硬i s cm i c r o p r o c e s s o r ，w h i c hi su s e dt o c o n t r o l l i n g ，d i s p l a y i n ga n dn e t w o r kp u r p o s e ；t h eo t h e ri s 1 6 一b i td s p c h i p 。w h i c hi s f o rh i o s i g n a lp r o c e s s i n g t h e ya r ei n t e g r a t e dw i t hp e r i p h e r a l ss u c ha sa n a l o gs i g n a l c h a n n e l ，l c da n dn e t w o r ki n t e r f a c et o g e t h e rt of o r mt h ee n t i r ed e t e c t i n ga p p a r a t u s t h en e t w o r ki n t e r f a c eo ft h ed e t e c t o ri sd e s i g n e d f o rt i m i n ga l t h o u g ht h e r ea r e m a n yp o r t a b l ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sd e t e c t o r s ，t h ep r o d u c tc a nt r a n s m i tb i o s i g a a l i m m e d i a t e l yb yn e t w o r kd o e sn o ta p p e a ro i lm a r k e t t h i sd e t e c t o ri sd e s i g n e da sa w e bs e r v e ra n dc a nb ea c c e s s e db yu s e rt h r o u g hi n t e r n e ta n y w h e r ef o rr e m o t e d i a g n o s i n ga n dt e n d i n gp u r p o s e t h eb i o s i g n a l a n a l y s i s a n dp r o c e s s i n g a l g o r i t h ma r e s t u d i e d t h es p e c t r u m a n a l y s i sa n dd i g i t a lf i l t e r i n go fe c g a r es p e c i f i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，t h eb i o s i g n a li s s a m p l e da n dp r o c e s s e d t oe x t r a c td e s i r e db i o i n f o r m a t i o nf o r d i a g n o s i n g t h ee m b e d d e dd e t e c t o ri si n t e l l i g e n tn e t w o r kp r o d u c ti n t e g r a t e dw i t ht e c h n i q u e s o fm i c r o e l e c t r o n ，m o d e r nc o m m u n i c a t i o n ，s e n s o ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i t c a nb eu s e di nh o m eo ra sat e r m i n a lo fn e t w o r ko f h o s p i t a l 。t h ed e t e c t i n ga p p a r a t u s h a sf a v o r a b l es o c i a le f f e c ta n d p r o f i t a b l em a r k e tp e r s p e c t i v e ， k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；t e l e m e d i c i n e ；b i o s i g n a l ；d e t e c t o r ：n e t w o r k n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 备q 叉日期：川年缈月纱日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囡。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 霹举嫩 导师签名：彦人忽 日期：翮；年佃妒日 日期：铆，年j 咱日 第一章绪论 1 1 课题立项的依据 第一章绪论 本论文研究的嵌入式远程多生理参数检测仪，是针对目前远程医疗发展的需 要而提出的，将嵌入式系统设计理念应用于远程医学仪器设计，从而实现医学仪 器的智能化和网络化，实现医疗的信息化和现代化，更好地为人们的生活服务， 提高人们的生活水平，满足人们对健康的需求。 嵌入式系统设计理念是现代电子系统设计的一种时尚和潮流，与通用的p c 机和虚拟仪器( 通常是利用p c 机和少量的硬件插件，及专门的商品化软件或自 行开发的软件组建) 不同，嵌入式系统具有极强的目的性和针对性，强调为专用 的目的“度身定做”，因此具有最紧凑的硬件和软件集成度，具有最高的性价比， 和最高的工作效能。另外，该仪器的网络化也实现了它作为远程医疗系统中一个 智能终端的目的。 1 2 研究的背景与意义 健康是人类永远关心的主题。现代社会，生活节奏的加快，工作和生活压力 的增大以及环境污染等问题，对人的健康提出了严重挑战。随着人们对自身健康 的日益关注，远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) ，作为一种新的医疗模式，也开始蓬勃发 展。 对远程医疗目前尚无统一的定义，通常可以描述为：远程医疗是采用现代通 信技术，现代电子技术和计算机技术手段，实现各种医学信息的远程采集、传输、 处理、存储和查询，从而完成对远地对象的检测、监护、诊断、教育、信息传递 和管理等。 由此可见，远程医疗的内涵很丰富，它包括远程临床教学，远程医疗实验， 远程医疗会诊，远程医疗信息共享，远程医疗数据管理，远程病理监护等等内容， 涵盖面很广。 远程医疗的社会效益和经济效益是显而易见的，具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 实现医疗资源共享，缩小地区、贫富差距等因素所造成的医疗条件的 差别。 ( 2 ) 减少就医时间，降低医疗费用。 ( 3 ) 通过经验交流、病例讨论、会诊，提高治疗有效率，减少死亡率，从 兰童翌三查兰三兰堡圭兰售鲨兰 而提高医疗质量和效率。 ( 4 ) 减轻病人痛苦及家属负担。 ( 5 ) 满足保健要求，如建立社区医疗保健网等，居民可以在家中上网，享 用医学信息资源和医学服务，并获得健康教育的机会。 ( 6 ) 医学继续教育和培训。 ( 7 ) 为小医院提供了病源，减轻了大医院的门诊、住院的压力。 远程医疗系统还可以避免或者尽量减少医患接触，保护医务人员的安全。一 个典型例子就是近来在我国部分地区爆发的非典型性肺炎( s a r s ) 流行中，远 程医疗的优越性就得以充分体现。例如辽宁省政府投资1 1 0 万元建成的全省“非 典”远程医疗会诊网络，覆盖全省1 4 个市的1 4 个“非典”定点医院，以全省1 0 0 多位防治“非典”医学专家为依托，以中国医大附属一院远程会诊中心为网络平 台，以全省所有“非典”定点医院为网络接点，通过计算机、电话、多媒体技术 等当代先进技术的综合运用，实现对“非典”病人的远程诊断和治疗服务。江苏 省也开通了远程会诊系统，利用视讯系统召开会议，监护病房。山西省也利用华 为公司的v i e w p o i n t8 0 0 0 综合视讯系统，组建视频会议网络，将非典防治指挥中 心、省疾病会议控制中心、各非典定点治疗医院及政府部门联系起来，不仅有力 地保护了医疗专家和医护人员的健康安全。更保证了非典信息的畅通和医疗资源 的有效整合。 早在1 9 0 6 年，心电图的发明者w i l h e l me i n t h o v e n ，就开始了通过电话网络 进行远程咨询的尝试。但远程医疗的真正开始，则应该是2 0 世纪5 0 年代。在5 0 年代末，美国学者w i t t s o n 首先将双向电视系统用于医疗；同年，j u t r a 等人创立 了远程放射医学。此后，美国相继不断有人利用通讯和电子技术进行医学活动， 并首次出现了t e l e m e d i c i n e 这一词汇，现在国内专家统一将其译为“远程医疗”。 在早期的远程医疗活动中，美国国家宇航局( n a s a ) 充当了重要角色。6 0 年代初，人类开始了太空飞行。为调查失重状态下宇航员的健康及生理状况，提 供了技术及资金，在亚利桑那州建立了远程医疗试验台，为太空中的宇航员以及 亚利桑那州p a p a g o 印第安人居住区提供远程医疗服务，其通信手段是卫星和微 波技术，传递包括心电图和x 光片在内的医学信息。专家认为，卫星系统可为处 于任何地域的人群提供有效的医疗服务。6 0 一8 0 年代的远程医疗活动被美国人视 为第一代远程医疗，发展较缓慢。这是由于当时的信息技术还不够发达，信息高 速公路正处于新生阶段，信息传送量极为有限，远程医疗受到了通信条件的制约。 第二代远程医疗始于2 0 世纪8 0 年代后期。随着现代通信技术水平的不断提 高，一大批有价值的项目相继启动。它代表了第二代远程医疗，其声势和影响远 远超过了第一代技术。从m e d l i n e 中所收录的文献数量看，1 9 8 8 1 9 9 7 年的1 0 年问，远程医疗方面的文献数量呈几何级数增长。在远程医疗系统的实施过程中， 2 美国和西欧国家发展速度最侠，联系方式多是通过卫星和综合业务数据网 ( i s d n ) ，在远程咨询、远程会诊、医学图像的远距离传输、远程会议和军事医 学方面取得了较大进展。 第三代远程医疗系统正在随着互联网技术的飞速进步而到来。它突破传统医 疗模式。视频和音频信号在手术过程中得到实时运用，机器人远程手术掀开了远 程医疗技术的新篇章。例如，在日本东京大学和冈山大学医学部远程控制的血管 缝合机器人，通过老鼠实验，实现了直径i 毫米血管的远程操作缝合手术。1 9 9 9 年，由i n t u i t i v es u r g i c a l 公司制造的“达芬奇”机器人手术系统获得欧洲c e 市场 认证，标志着真正的“手术机器人”已经成为手术台上的重要角色。 欧洲在远程医疗方面的研究也给予了大量的投入。欧盟投入巨资建立了一个 命名为t e l e m e d 的项目，该项目是一个远程放射学专家会诊系统。 加拿大政府对远程医疗也极为重视。加拿大地域广阔，人员分散，远程医疗 对其有更深远的意义。成立于1 9 8 2 年的加拿大远程医疗网覆盖了加拿大任何一 个地域，并延伸到美国及世界各地。目前已成为世界上最大的远程医疗网之一。 近年来，远程医疗在日本也受到广泛关注。日本正在这一领域奋力追赶美国。 远程放射学( t e l e r a d i o l o g y ) 在日本应用较广。日本的一个放射学研究中心集中了许 多放射学专家，并通过传输线路联接了4 0 多家医院。另一较有影响的远程项目 是由日本国家癌症中心负责，用觚m 网络联接了全日本2 5 0 多家医院、医学科 研机构和高等医学教育机构。 由此可见，远程医疗已经成为全世界涌动的热潮。 在我国，远程医疗起步较晚。广州远洋航运公司自 9 8 6 年对远洋货轮船员 急症患者进行了电报跨海会诊，有人认为这是我国最早的远程医疗活动。伴随计 算机及通信技术的发展我国现代意义的远程医疗活动开始于8 0 年代。 我国幅员广阔，人口众多，医疗水平有明显的区域性差别，特别是广大农村 和边远地区，医疗资源严重短缺，因此远程医疗在我国更有发展的必要。我国的 远程医疗起步较晚，与发达国家的水平相比还育很大差距，在技术、政策、法规、 实际应用方面还需不断完善；在提高国民对远程医疗的认识方面也还有待努力。 近年来，许多医疗单位和科研机构，正在为提高我国的远程医疗水平，进行不懈 的努力。由国家卫生部领导的、金卫医疗网络工程公司负责实施的中国金卫医疗 网络工程予1 9 9 7 年7 月正式开通运营。这是我国卫生系统唯一的卫星频道，成 为我国覆盖面最广、视讯功能最先进的远程医疗网络。该网络还建立了全国网络 管理中心和大型数据库，在该网上将能够进行远程医疗会诊、电视会议、远程教 学与培训等活动。 远程医疗既是一个新兴的技术也是一个新若的产业。它既有光明的前景 又有着现实的困难，包括技术的和资金的。根据我们国家的实情，如何在尽可能 华南理工大学工学硕士学位论文 低的成本下实现我们需要的功能，是摆在每一位生物医学科技人员面前的一项迫 切的课题。这也是本课题立项的社会背景。 在远程医疗中，远程生理信号的检测是一个重要的内容，它是通过现有的网 络和通信设施，将远地对象的生理信号或生理参数采集并传输到诊断中心，供医 务人员分析、诊断和进行病理监护。远程检测通常是通过一个终端设备进行信号 采集、处理和传输。本论文课题所从事的“嵌入式远程多生理参数检测仪”就是 这样一种设备。它投资少，携带和使用方便，符合大众对远程医疗的要求，能够 产生较好的社会和经济效益，具有广阔的发展前景。具有自主知识产权的能实现 实时数据传输的远程生理参数检测终端目前在市场上尚未出现，这是本课题立项 的市场基础。 微电子技术、因特网技术、通信技术的迅猛发展，为远程医疗提供了技术上 的保障，也使得本课题具有技术上的可行性。 1 3 远程医疗的实现模式 在通信尚不发达的早期，远程医疗主要是依赖电话网络进行有限的数据传输 和医疗咨询。电话网络带宽有限，只能传输象心电这样的数据量不大的生理信号， 难于实现实时性。至于象医学图像这样的大量的数据根本无法通过电话网络传 输。况且电话网络也只能实现点对点的通信。在这个阶段，远程医疗解决的主要 是医学咨询和帮助方面的问题，没有医学资源可以通过电话网络共享，实现的范 围也通常很小。 随着现代通信技术，特别是因特网技术的发展，远程医疗才真正步入快速的 发展阶段。i n t e r n e t 使得医学信息交换在全世界范围内有了实现的可能。即使在 小范围内，由于应用了宽带的通信线路( 如光缆) 和设备，也使得大容量的数据 和信息流，如医学图像等信息的传输成为现实。高速网络使得视讯系统可以挂接 在网上，从而实现实时的远程手术。网络技术的发展使得大量的医学信息可以通 过网络存储和传输，搭建了很多医学信息平台，使远程医学教育、培训、健康服 务成为可能。这个阶段的远程医疗直至延续到今天，并将在今后很长的一段时间 内仍然是一个主要的模式。 在很多偏远地区和农村，网络基础设施尚未建立起来，要实现远程医疗，可 以通过有线或无线通信，也可借助卫星进行。但在战场、船舰、岛礁、山地、野 外和其它野营地，由于几乎不可能使用固定的网络，远程医疗只能通过卫星进行。 这种模式是当前技术最为复杂，耗资较大，但覆盖面可以达到最广，也最为机动 灵活的一种模式。例如美军在前方战场，利用了空中卫星、一台高分辩力数码相 机、一台便携式电脑及附加软件、可移动的全球卫星接收装置，就可以向后方传 4 第一章绪论 送大量的医学图像，从而减少不必要的伤员后送。 本课题所研究的生理参数检测仪就是远程医疗系统中的一个终端。它主要面 向家庭，也可以作为医院局域网系统中的终端使用。 本课题所论述的远程生理参数检测仪本质上是一台w e b 服务器，不过它通常 是移动的，即它在网络中的i p 地址是经常改变的。它将所检测到的生理信号及 参数存储起来，客户端( 医护人员) 在任何一个地方，通过因特网，可以在计算 机的浏览器上实时访问该服务器中的内容，观察被检测对象的生理信号，从而实 现远程诊断和监护。 1 4 远程医疗与嵌入式系统 嵌入式系统在医疗设备和仪器中比比皆是。有些仪器本身就是一个嵌入式产 品，如便携式诊断、治疗仪器。有些大型设备上的很多部件就是嵌入式产品，如 c t 机、核磁共振设备上的一些控制装置等。医疗设备与嵌入式系统的概念向来 密不可分。当然有些采用通用p c 机加上一些外设制造的产品不能冠以为嵌入式 产品的概念。 在远程医疗系统中，嵌入式产品也不鲜见。这些产品通常都是远程医疗系统 中的终端仪器或设备。它们不仅是智能化的，而且具有网络功能。这些嵌入式医 疗产品通常分布在远程医疗系统的“末梢”，直接为用户服务。 目前对于嵌入式系统还没有确切的定义，通常认为嵌入式系统就是计算机硬 件和软件的集合体，还可能包括其他一些机械部件。它是为某种特定功能而设计 的，特别强调“量身定做”的原则。 嵌入式系统的特点体现在它的特定的功能和目的，这是它与通用p c 机的区 别。通用p c 机不是为某种专用目的而设计的，它可以用来做这样的事情，也可 以用来做那样的事情，具有通用性。而嵌入式系统则强调其专用性，它只为某一 特定目的服务，因此，几乎没有通用性可言。 嵌入式设备与当前很流行的虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，v i ) 也有着本质 上的区别。虚拟仪器是利用通用p c 机配置少量的外设( 如各种i o 卡、a d 卡 等) ，加上商业化( 或自行研发) 的专用软件，如l a b v i e w ，将通用计算机“改 造”成一台具有某种功用目的的“仪器”。当更换外设和软件设置后，通用计算 机又可以“改造”成具有另外功能的“仪器”，这其实是将仪器的“计算机化”， 或者说是将计算机的“仪器化”。虚拟仪器在医学上的应用也很广泛，例如我们 常见的一部分用计算机“改造”成的超声设备和心电、脑电检测仪等，它们就是 在传统的计算机的基础上加上部分外设，即可实现所需仪器的功能。虚拟仪器利 用了通用p c 机的强大功能，如良好的显示，大容量的存储功能，方便的文件管 华南理工大学工学硕士学位论文 理等。只需在现有资源( 通用p c 机) 的基础上添加少许外设即可实现一台“仪 器，的功能，“仪器”以后的升级也很容易。但这个优点在大批量生产的时候又 会成为缺点。因为通用p c 机的很多功能对于“仪器”来说是多余的，用一台功 能强大的计算机去实现某种功能简单划一的“仪器”，这实际上是一种很大的浪 费。当大批量生产时，这种浪费尤甚。另外，从知识产权的保护性能来看，这种 仪器保密性差，很容易被仿造。 相比于通用p c 机和虚拟仪器，嵌入式产品具有最大的性能价格比，因为它 基本上没有冗余的配置和功能，通常是用最小的代价实现所需的最完整的功能。 在批量生产时，嵌入式系统是最好的选择。另外，由于嵌入式系统从硬件到软件 实现全过程自主设计，可以在硬件和软件等各方面实现加密措施，保护知识产权。 例如在硬件方面采用f p g c p l d 器件，软件方面现在很多c p u 芯片和存储芯片 都具有防读出功能，一系列的措施可以保护研制者的权益不受侵害。要仿制一个 复杂的嵌入式系统要远比仿制一台虚拟仪器困难得多。 也正因为如此，嵌入式系统的设计也具有更大的难度，要求设计者对硬件、 软件都有比较全面的了解，并能进行有效地整合。 嵌入式系统具有如下四项特性： ( 1 ) 通常执行特定功能； ( 2 ) 以微电脑与外围构成核心； ( 3 ) 严格的时序与稳定性要求； ( 4 ) 全自动操作循环。 如特性中的第三条所言，嵌入式系统通常应该满足严格的时序要求，也就是 说嵌入式系统通常都是实时系统( r e a l t i m es y s t e m ) 。所谓实时系统，就是有一 定时间约束的计算机系统。实时系统又分为“软”实时系统和“硬”实时系统。 “软”实时系统就是要求系统任务运行得越快越好，但并不要求任务在规定时间 内完成；“硬”实时系统要求任务不仅能够正确执行，而且必须严格符合时序要 求。本论文所论述的远程生理参数检测仪因为要实时检测和传输生理信号，对时 间要求较为严格，所以属于“硬”实时系统。我们在硬件和软件的设计上也保证 了仪器的“硬”实时特性，具体的措旌是：仪器采用双c p u 模式，分担系统任 务，加快任务处理速度。主、从c p u 都是当前性能卓越的微处理器。主处理器 采用高档的3 2 位r i s c 处理器，带a r m 内核，用以完成系统控制和网络传输等 任务。从处理器采用高性能的1 6 位d s p 芯片，专门用于完成生理信号的处理。 这两款处理器都是速度很快的c p u ，例如d s p 芯片速度可以达到1 0 0 m h z 。而且 它们的指令绝大多数都是单周期指令，即可以在单个机器周期内完成一条复杂的 指令( 如一次乘加运算) 。d s p 芯片还有专门的硬件乘法器，加上流水线作业模 式，这两款c p u 可以达到远远超过其主频的指令处理速度，例如d s p 处理器具 6 第一章绪论 有6 级流水线深度，如果处理单周期指令，那么它在一秒钟以内可以运算6 亿条 指令。这样的速度足可以完成通常的复杂运算。所以在硬件设计上完全满足“硬” 实时特性的要求。 在软件上，我们采用嵌入式实时操作系统pc o s i i ，这是占先式的内核，能 够按照任务的优先级别决定任务的运行调度。该操作系统内核不仅健壮，以保证 程序运行时的安全可靠，而旦内核代码非常精悍，占用内存空间很小，在运行过 程中所占用的时间比例也很小，可以保证用户任务的快速运行。 硬件和软件的这些措施保证了该仪器具有快速而优异的性能，其实时性是勿 庸置疑的。 尽管我们无时不在与嵌入式系统打交道，但我们却几乎感觉不到它的存在。 这就是典型的嵌入式系统的特点，它将计算机整合在设备的内部，让设备有条不 紊地进行工作，但人们感觉不到里面有个计算机在为人们服务。 本文所论述的远程生理参数检测仪也是如此，它为我们的检测心电、心音、 颈动脉波和血压等生理参数的目的而研制，在我们给出操作命令后，它能够快速 及时、有条不紊地按照我们的意愿进行工作，并且隐藏了全部的内部实现机制， 直接给出我们所需要的数据或波形等信息，实现了高度的智能化。 关于嵌入式系统我们将在下一章详细讨论。 1 5 本论文的主要内容与特点 本论文将嵌入式系统的设计思想运用到医学仪器，实现现代医学仪器的设 计。论文的主要工作是全面论述了嵌入式远程多生理参数检测仪的研制，包括其 工作原理、硬件和软件方面的设计，既有理论( 如频谱分析、滤波算法) ，但更 主要是侧重于应用，尤其是偏向于新技术的应用。 在第一章，叙述了本论文课题立项的依据和研究的背景，粗略阐述了嵌入式 系统的特点及其在医学仪器中的应用。 第二章重点介绍嵌入式系统的架构和所设计的嵌入式远程生理参数检测仪 的功能、系统结构框架以及性能特点。对医学仪器设计的要求也作了较为详细的 阐述。 第三章是远程生理参数检测仪的具体实现过程，包括硬件的设计和软件开发 方法。在硬件方面，采用双c p u 模式。主处理器为a r m 内核的高档单片机，负 责系统控制和数据的网络传输；从处理器为d s p 芯片，负责生理信号的处理。本 章将整个仪器按功能分成几个模块，详细遗介绍了各模块的硬件构成及其褶互之 间的连接。并且讨论了将嵌入式实时操作系统移植到检测仪的方法。另外还介绍 了信号预处理系统的设计原理和过程。最后介绍了网络传输协议、仪器的网络接 华南理工大学工学硕士学位论文 口和网络编程技术。 最后一章着重论述了心电、心音、颈动脉波和血压等几种生理参数的检测方 法，并重点分析了对心电信号的频谱分析和滤波处理。 本论文的特点是跟踪电子系统设计中最流行的技术，也是当前最先进的技 术。所以最大的特点是“新”，例如在仪器中使用操作系统，用双c p u 模式，处 理器使用当前最为流行的a r m 内核高档单片机，使用d s p 芯片进行数字信号处 理，将网络功能嵌入到仪器等等，使得该仪器具有鲜明的时代特征，具有前瞻性。 也因此具有较高的技术含量和市场前景。 1 6 本章小结 远程医疗是新的医疗模式，也是一种新的医学技术，它具有良好的经济效益 和社会效益，也因此具有光明的前景。本章阐述了远程医疗的含义及其社会、经 济意义，介绍了远程医疗的发展历史、在世界各国发展的状况，也介绍了我国远 程医疗发展的现状及其迫切的现实意义，简单论述了远程医疗的实现模式。初步 阐述了嵌入式系统的含义、特点及其在医学仪器中的应用。最后叙述了本论文的 主要内容和特点。 第二章嵌入式系统的应用与设计 二- 日目口_ _ - 口_ - _ _ - _ i _ - 5 _ _ 。4 9 。5 。2 。 第二章嵌入式系统的应用与设计 2 1 嵌入式系统概述 伴随着二十一世纪的曙光，人类迎来了一个崭新的时代。作为二十世纪人类 社会最伟大的发明之一，计算机也迈入了其另一个充满机遇的阶段后p c 时 代( p o s t p ce r a ) 。不知不觉中，各种各样的数字化产品已经开始继p c 机之后成 为人们生活的主宰，并且正在逐步形成一个充满商机的巨大产业。琳琅满目的数 字化产品在给人们的生活带来便利的同时，也引发一场新的信息技术革命。 后p c 时代的到来，使得人们开始越来越多地接触到一个新的概念嵌入 式产品。像手机、p d a 、数码相机、传真机、计算器、打印机、等等都属于 嵌入式产品，而像车载g p s 系统、医疗设备、数控机床、网络冰箱等也同样属于 嵌入式系统。形式多样的数字化设备进入我们生活的方方面面，并正在努力通过 i n t e r n e t 把全世界连接到起。今天如果没有嵌入式产品，我们的生活将变得不 可想象。据报道，在美国，平均每个人在日常生活中拥有7 颗微处理器( 或者微 控制器，为了叙述方便，后面不再作区分) 芯片，指的就是以微处理器为核心的 嵌入式产品已经深入到生活的几乎每个方面。面对世界潮流，中国也不能置身事 外。中国数字化设备的潜在消费者数量将以亿为单位，嵌入式产品将是一个比p c 机影响更为深远的更为广阔巨大的市场，将给我们的生活带来翻天覆地的变革。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的，对功 能、可靠性、成本、体积和功耗都有严格要求的计算机系统。它嵌入宿主设备， 辅助宿主设备。美国著名的未来学者尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年访华时就曾预言：4 5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是继p c 和因特网后的最伟大的发明。 中国有着世界上最大的家用电子产品消费市场，随着消费结构的改变，人们 对家电的灵活性和可控性提出了更高的要求。这些只能通过家电的数字化和网络 化来实现。随着网络技术的发展，不仅具有智能，更具有网络功能的产品将进入 人们的生活。对于现代化的医疗、测控仪器和机电产品都需要专用的嵌入式系统 软件的支持。这些需求都极大地刺激了嵌入式系统的发展和产业化的进程。 工业、医疗卫生、国防等各部门对智能控制需求的不断增长，同时也对嵌入 式微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了 更高的要求，为了适应各方面的需求，嵌入式微处理器体系结构也经历了一个从 c i s c ( 复杂指令集计算机) 到r i s c ( 精简指令集计算机) 和c o m p a c t r i s c ，从 4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位，寻址空间从6 4 k b 到1 6 m b 甚至更大，处理速 9 华南理工大学工学硕士学位论文 l l _ i _ _ i _ _ _ i 口_ l - _ l j _ - _ _ _ l l _ _ _ _ l - _ 目_ i i _ - _ _ 日j j e _ _ l - _ - _ j 日一 度从o 1m i p s ( 百万条指令秒) 到2 0 0 0m i p s 常用封装从8 个引脚到超过2 0 0 个引脚的过程。处理器的功耗也有了明显降低，集成度进一步提高。 随着信息技术的发展，数字化产品空前繁荣。嵌入式系统进入了生活的方方 面面，同样，也渗透到医学电子行业。可以说，当今的医疗设备和仪器，几乎没 有不与嵌入式系统相关的。有的仪器或设备本身就是一个嵌入式系统。有的虽然 是用通用的计算机进行控制，但其中的某些部分却是嵌入式系统。 嵌入式系统的发展是伴随着微控制器的发展而成长的。早期的嵌入式系统编 程是采用传统的前后台系统编程模式。随着嵌入式系统越来越复杂，编程任务量 越来越大，编程理念也不断更新，最后引入了操作系统的方法。现在嵌入式实时 操作系统在某种程度上已经成了嵌入式系统的一个具有代表意义的特征。概略地 说，嵌入式系统的发展经历了三个发展阶段： ( 1 ) 无操作系统的嵌入算法阶段。 这是最原始的阶段。系统的核心为简单的微控制器。用于针对性极强的工业 控制系统中。它通常完成工业控制过程中的数据采集、指标检测、状态指示、动 作控制以及参数条件等。对微控制器通常直接采用汇编语言进行编程。程序是无 限的循环，异常事务处理交给中断完成。在开发过程中还没有形成操作系统的概 念。内存是由用户分配并且重复利用。应用程序不提供接口，程序维护、修改困 难。这类系统用途一般较简单，针对性较强，但现在在简单的应用系统中，仍然 广泛采用。 ( 2 ) 简单监控式的实时操作系统阶段。 在这一阶段，出现了功能较强的嵌入式微处理器，简单的监控式操作系统被 引入系统中，作为应用程序的管理核心。但处理器种类繁多，缺乏通用性。开发 人员从一套系统转换到另一套系统须得完全重新设计，即系统的兼容性较差。操 作系统的界面也不够友好。但这类系统控制功能较强，又强调为应用目的“度身 定做”，因此具有很高的性价比，系统效率高，开销较少。 ( 3 ) 通用的嵌入式实时操作系统阶段。 在这一阶段出现了通用的嵌入式实时操作系统，如v x w o r k s 、p s o s 、uc l i n u x 以及本文将用到的uc o s i i 等等，就是其中的典型代表。在这一阶段，系统的 微处理器功能很强，且开始集中于少数具有影响的处理器，如a r m 、p o w e r p c 等等。操作系统具有通用性，可以运行在各种处理器上。有些处理器本身在硬件 上就具有很好的兼容性，如a r m 系列，由于具有相同的内核，在不同公司生产 的处理器上运行的程序只需作少量修改甚至不作修改就可以顺利地相互移植。开 发工具变得强大，开发过程变得规范而快捷，可以凸显团队合作的优势。操作系 统功能更为完善，具有了如文件管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口 以及用户界面等功能。具有丰富的应用程序接口( a p i ) 和嵌入式应用软件。程 1 0 釜三兰璧全奎至釜望皇里主塞兰 。一 序的维护、修改变得轻松。这一阶段最显著的特征是嵌入式系统开始面向网络， 网络功能成为嵌入式系统具有代表性的特征。 嵌入式系统的发展经历了从简单到复杂，从功能单一到功能强大，从专用性 强到具有较好的通用性和兼容性的过程。无论从硬件还是从软件都得到了长足的 发展。 2 2 嵌入式系统的架构 嵌入式系统是硬件和软件的有机结合体。一个最基本的嵌入式系统包括五个 部分：处理器、内存、输入与输出、操作系统与应用软件。如图2 - 1 所示。 图2 - 1 典型的嵌入式系统 f i g 2 - 1t y p i c a le m b e d d e ds y s t e m 嵌入式系统的硬件包括微处理器( 或者微控制器) 、外围电路、网络通信接 口等等其核心部分是处理器。嵌入式系统所用的处理器有嵌入式微控制器( 单 片机) 、嵌入式微处理器、嵌入式d s p 、嵌入式片上系统( s o t ) 。嵌入式系统广泛 用于高端嵌入式信息类产品( 如通信、家电、测控等产品) 中。2 l 世纪将是以知识 产权核模块为核心的嵌入式产品大发展的时期。 处理器经历了从4 位、8 位、1 6 位、3 2 位到6 4 位的演变过程。目前流行整 合型的微处理器，例如整合网络、多媒体资料编码解码、l e d 控制驱动、d s p 算 法及输入输出接口控制等类型，很多产品还整合了r o m 、r a m 及大量的i o 设 备，使得电路设计时功能增强，所用元件却大幅度减少。高度集成的芯片技术形 成了我们今天常常听到的s o c 概念。s o c 嵌入式微处理器成了电子系统设计的一 个新的亮点。 s o c 就是s y s t e mo nc h i p ，它是将处理器和许多功能区块做在一个芯片上。 比如说结合了处理器的内核，如a r mr i s c 、m i p sr i s c 、d s p 或其他微处理器 内核，加上通信的接口单元，如u s b 串口总线、t c w i p 通信单元、g r p s 通信接 口、g s m 通信接口、i e e e1 3 4 9 、蓝牙模块接口等等，这些单元以前都是按照各 自的功能做成独立的处理芯片( 如蓝牙模块等) ，构建硬件电路时，电路板上集 华南理工大学工学硕士学位论文 合了c p u 和大量的模块电路，既浪费空间，增大电源消耗，也不具有经济效益。 现在将c p u 与所需的功能模块做在同一个芯片上，不仅大幅度缩小整个系统所 占的体积，在大量生产的情况下，生产成本也远低于原本需要几颗芯片构成的电 路系统。 概括说来，s o c 嵌入式微处理器还具有如下优点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外引脚数量，简化制造过程。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器的数 据处理速度。 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成的系统噪声。 早期的处理器多是c i s c ( 复杂指令集计算机c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 结构。到今天，用于嵌入式系统的则多为r i s c ( 精简指令集计算机 r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 架构。r i s c 架构具有更高的使用效率，可以 大幅度提升c i s c 架构所难以企及的指令执行及数据运算效率。与c s i c 架构相 比较，r i s c 架构有以下特点： 使用相当少的指令型别及寻址模式。 微程序控制尽量采用软件架构实现。 在单一执行的周期内完成指令。 微处理器拥有更多的寄存器。 使用最佳化的程序代码编译。 微处理器的内存存取主要是用在指令的载入及存储。 简易的解码指令格式。 高度平行化处理。 r i s c 架构主要用于有规律并且常用的指令解码及数据处理，因此不需要使 用到复杂的硬件控制线路的设计及指令集解码，微处理器中线路可以做到很精 简，一个指令执行的时间也会变得比较少。但由于指令集很精简，所以很多复杂 的工作需要许多指令结合才能实现，这样的能力必须靠程序的编译才能完成。 r i s c 架构的微处理器遇到复杂的指令就会需要很复杂的程序编译。完成同一个 复杂的工作，r i s c 处理器可能要比c i s c 处理器花多得多的指令，但由于r i s c 处理器指令执行的时间大多只需要c i s c 处理器的十分之一，所以总的时间仍然 不相上下，在执行简单的任务时，r i s c 显然更占优势。本课题所用到的a r m 微 处理器就是采用r i s c 架构。 在嵌入式系统开发中，硬件电路的设计相对软件编程来说，已经退居次要地 位。据统计，花在软件设计上的时间已经是硬件设计所需时间的数倍，由此可见 软件设计在嵌入式系统开发中所占的地位。 第二章嵌入式系统的应用与设计 早期的嵌入式系统多采用汇编语言编程。汇编语言具有代码效率高、运行速 度快、占用空间小等优点。但也有编程速度慢，难于理解等缺点。现在的系统代 码量越来越大，功能越来越复杂，许多编程任务仅凭借个人的力量已难于完成， 在产品上市时间上也不允许。因此在嵌入式系统中越来越多地采用高级语言编 程。高级语言具有编程速度快、程序易于理解、维护和升级，对编程人员要求较 低，适合于开发团队整体作业等优点，但也有代码效率相对汇编语言较低，运行 速度相对较慢，占用空间相对较大等不足。但是随着集成电路制造技术的迅猛发 展，微处理器运行速度越来越快。存储器的容量越来越大，已经有效消弭了高级 语言所带来的不足。因此运用高级语言进行开发，已经成为嵌入式系统设计的时 尚。 c 语言是嵌入式系统中最流行的高级语言，这是由c 语言本身的特点所决定 的。c 语言具有代码效率高( 可达到汇编语言的7 0 以上) ，程序简洁明快等优 点。更重要的是c 语言是一种介于高级语言和“低级”语言( 汇编语言) 之间的 一种语言，它既具有高级语言的优点，又能够方便地与汇编语言接口，甚至在某 些情况下直接进行硬件行为描述，操作硬件接口，因此选择c 语言作为嵌入式系 统的开发语言，实在是再合适不过了。 在早期的嵌入式系统以及今天不太复杂的小系统中，系统软件多设计成图 2 2 所示的样子。这种系统称之为前后台系统。应用程序是一个无限的循环，在 循环的过程中完成所有的操作，这部分可视为后台行为( b a c k g r o u n d ) ，后台也称 为任务级。异步事件( 突发事件) 由中断服务程序i s r 来处理，这部分可视为前 台行为( f o r e g r o u n d ) ，前台也称之为中断级，通常处理对时间要求非常苛刻，响 应要求尽可能快的操作