（计算机科学与技术专业论文）手持式同步心电记录仪的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：本课题提出的“手持式同步心电记录仪”，是一款手持式、低功耗、低成本 的心电图仪。能够完成心电数据的采集、存储、打印功能，并且能够通过u s b 或 普通电话接口将心电数据传送到p c 机进行分析诊断。该手持式同步心电记录仪是 对原有心电图仪的升级，各方面性能都得到了提高。 本文首先介绍了硬件升级方案：系统由两个相对独立的模块构成，分别是采 集模块、控制模块，每个模块由相应的微控制器控制，模块间通过u a r t 进行通 信。文中专注于控制模块的升级，其设计方案使用了尽可能少的系统外扩芯片， 能够明显降低系统功耗。 接下来，对控制模块软件的升级进行了详细介绍。该部分基于前后台系统的 编程思想对将固件开发任务进行划分，完成了以下功能：l 、根据系统功能设计了 用户操作界面流程，使用按键和显示屏构建友好人机交互界面；2 、串口通信，使 用串口进行控制模块与采集模块的通信，并且通过串口与打印机通信：3 、u s b 通 信，系统通过u s b 接口与p c 机通信；4 、固件升级，可以使用p c 机应用程序对 心电记录仪固件进行更新。 最后，基于该手持式同步心电记录仪的功能和特性，针对u s b 接口通信进行 了p c 机端软件的开发，实现通信函数的动态链接库，并在此基础上进行了心电记 录仪操作应用软件的开发。 关键词：心电记录仪；人机交互；u s b 通信；固件升级；动态链接库 分类号：t h 7 7 2 4 j 匕塞交道塞堂亟堂位论塞旦墨至! a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h eh a n d h e l ds y n c h r o n o u se c g r e c o r d i n gd e v i c e ，p u tf o r w a r db y t h i s p a p e r , i sah a n d - h e l d ，l o wp o w e r , l o w c o s te c gi n s t r u m e n t ，w h i c hi s a b l et o c o m p l e t et h ea c q u i s i t i o n ，s t o r a g ea n dp r i n t i n go fe c g d a t aa n dt r a n s p o r ti tt ot h ep c m a c h i n eb yu s bi n t e r f a c eo rar e g u l a rt e l e p h o n ei n t e r f a c e t h i sk i n do fe c gr e c o r d e r i st h eu p d a t i n ge d i t i o no ft h ep r i m i t i v ee d i t i o n ，o fw h i c ha l la s p e c t so fp e r f o r m a n c eh a v e b e e ni m p r o v e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r eu p g r a d i n gm e t h o d s ：t h es y s t e mc o n s i s t so ft w o r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tm o d u l e s ，n a m e da c q u i s i t i o nm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l e e a c h m o d u l ei sc o n t r o l l e db yt h em i c r o - c o n t r o l l e r , t h r o u g hu a r tt oc o m m u n i c a t eb e t w e e n m o d u l e s n ed e s i g ns c h e m em a k e su s eo fa sf e wa sp o s s i b l es y s t e me x p a n s i o nc h i p s ， w h i c hi sa b l et or e d u c es y s t e mp o w e rc o n s u m p t i o ns i g n i f i c a n t l y t h e n , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e t a i l so ft h ec o n t r o lm o d u l es o f t w a r e su p g r a d i n g t h e o r y t h i sp a r ti n t r o d u c e st h ef i r m w a r ed e v e l o p i n ga s s i g n m e n tw h i c hi so nt h eb a s i s o ft h et h i n k i n go ft h ef r o n ta n db a c k o f f i c es y s t e mt oc o m p l e t et h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ： f i r s ti sf r i e n d l yh u m a n - - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，t h es e c o n di ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h e c o m m u n i c a t i o nf o re c ga c q u i s i t i o na n dp r i n t i n go fe c gd a t a , t h et h i r di su s b c o m m u n i c a t i o n ，t h es y s t e mi n t e r f a c ew i t ht h ep ct h r o u g ht h eu s b ，t h ef o u r t hi s f i r m w a r eu p g r a d e ，y o uc a l lu s et h ep ca p p l i c a t i o np r o c e d u r e se c gr e c o r d e rf i r m w a r e u p d a t e f i n a l l y , b a s e do nt h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a n d h e l ds y n c h r o n o u s e c g r e c o r d i n gd e v i c e ，t h e nd e s i g ns o f t w a r ei nw i n d o w s d e s i g na n di m p l e m e n tt h e d y n a m i cl i n kl i b r a r yf u n c t i o nf o ru s bc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e nb u i l te c gr e c o r d e r a p p l i c a t i o ns o f t w a r e k e y w o r d s ：e c g ；h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ；u s bt r a n s m i s s i o n ；l a p ；d l l c l a s s n o ：t h 7 7 2 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：加7 7 年易月停1 7 1签字日期：沙 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：泼蕾签字日期：，聊7 年石月侈开 5 7 致谢 本论文的工作是在我的导师陈连坤副教授的悉心指导下完成的，他渊博的知 识、严谨的治学态度、科学的工作方法和精益求精的工作精神给了我极大的帮助 和影响，使我受益匪浅。 在两年的研究生学习期间，陈老师在生活、科研两方面，都给予我无微不至 的关怀。在我学习和课题研究遇到困难时给予我耐心指导，使我在理论水平和实 践能力方面都得到了很大的提高，在此衷心感谢陈老师对我的关心和指导! 周洪利副教授在我攻读硕士研究生期间给予我无私的帮助和悉心的指导，在 此也表示衷心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，宋健师兄和涂小强师兄对我论文中的研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。感谢实验室的王均乔、陈海 龙、朱振宇同学，在学习和生活中我们相互帮助，一起探讨难题，共同进步。 最后还要非常感谢我的家人，感谢他们一如既往的理解和支持，使我能够专 心完成学业。 1 1 课题背景 1 引言 随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，心血管疾病的发病率迅速上升， 已成为威胁人类生命的最主要疾病之一。对心血管疾病的诊断、治疗一直被世界 各国医学界所重视，及时了解心脏病的状况，对于适时治疗、预防心脏病突发死 亡具有十分重要的意义。 心电图是通过在人体体表放置电极记录心脏活动过程的电位变化的图形，以 此作为治疗此类疾病的主要依据，具有方法简便、诊断可靠、对病人无损害的优 点，在现代医学中起着重要的作用【l 】。长时间心电图记录对心率失常的检出、早期 心血管病诊断、抗心率失常治疗的评价以及心率失常和生理关系的研究具有重要 意义。 心电图仪作为观测和分析心电图的有效工具，因其实用、高效、无创伤、安 全、准确及可重复性强等优点，成为心血管疾病诊断领域中重要检查方法，自问 世以来，历经数代变革，临床应用同趋完善【2 】。目前，我国基于p c 机平台的心电 监护仪发展比较成熟，但由于其体积大、成本较高，只适合于大型医院使用。对 慢性病患者来说，如果长期住在医院里接受监护和治疗，不仅花费高而且给医院 容量带来压力。此外在社区医疗服务、家庭保健等应用场合也都需要小型化的心 电图仪，因此便携式心电图仪的研究便十分重要。近年国内各大医疗器械厂商和 科研单位都在心电图仪的开发上投入了大量的资源，并且都开发出了各具特色的 便携式心电仪产品。 随着微处理器的发展，单片机的集成化越来越高，功能日益强大。且单片机 具有功耗低、开发方便、价格低廉等众多优点，因此，在单片机基础上研究小型、 低功耗的手持式心电仪图仪具有非常现实的意义和应用价值，同时也顺应了医学 仪器智能化、小型化和家庭化的发展趋势。 1 2 心电图仪发展状况 自1 9 5 7 年美国的物理学家h o l t e r 开创了用磁带记录器连续记录病人在活动情 况下的心电图以来，很多国家都相继致力于心电仪的开发创新。科学技术新月异 的发展，促进了医疗器械的蓬勃发展。 韭丛窑塑厶堂鲤堂 位选奎l i盍 我国于2 0 世纪7 0 年代术期开始从国外引进动态心电图仪，在临床上丌展动 态心电图的检查工作，国内各太医疗器械厂商和科研单位，部在心电图仪的开发 上投入了大量的资源。心电仪器的研究和丌发应用发展十分迅速，随着计算机技 术和电子技术的迅速发鹱其主要发胜趋势是；更为便携的外形；更为精确完整 的心电采集分析功能。研究开发微型化、便携式和智能化心电仪器已成为主要发 展方向。 近些年来1 h 场上已推出不同档次的便携式心电图仪。根据其不同的产：品特 色，大致可以分为两类。 类比较符台便携式要求，体积小巧，例如图1 1 中所示， 爱心宝p r i n c e1 8 0 a 掌式快速心电仪。 幽1 - 1p r i n c e1 8 0 a 学式心l u 仪 f i g u r e i - 1p r i n c e l 8 0 a p a l m e c g 另一类是比较专业，功能齐伞，例如图卜2 中北京格瑞朗博科技发展有限公司 研制的a t - 1 0 2 多功能心电网仪。 妪 暑曰 刺 倒1 - 2 a t - 1 0 2 心i u 图仪 f i g u r el 2 a t - 1 0 2e c g 但是这些便携式心电罔仪产品都没能得到根好的普及，究其原凼，各类产品 都存在着一定的问题。第一类产品往往已录的心电信息往往有限，医生从- f j 得不 到患者全面的心电信息，从而降低了医生对疾病诊断的正确率。笕二类产品在宴 叶眭、体积、功耗、重最等方而总存在一定的问题，给忠者在使用过程中造成诸 多不便。 综上所述，当前研究功能齐全、便于携带、而又经济实用的心电医疗设备， 不但具有很好的应用前景，对医疗水平的提高也具有深远意义。 1 3 本文主要内容 本课题研制的手持式同步心电记录仪，是在一代产品【3 】的基础上进行改进实现 的，需要完成的主要升级有以下几个方面：一、实现心电信号的同步采集功能； 二、扩充存储容量，以记录更长时间的心电信息；三、提高系统与p c 机通信速率。 并且为了更好的满足用户需求，系统新增心电文件打印和心电记录仪固件在应用 程序升级两个功能。 升级任务中采集和存储模块的设计已经实现，本论文专注于控制模块固件功 能的设计实现。另外，基于u s b 通信，对在p c 机端对心电记录仪操作应用软件 也进行了研究。文中从以下几个方面展开论述： 1 系统硬件方案优化 经过分析对比已有系统方案优缺点，根据基本设计原则和升级任务得出最为 适合的系统硬件方案。 2 软件总体设计 根据硬件设计方案，结合系统各方面的功能需求，以及原有系统的软件设计 得出本系统固件的总体设计方案。 3 固件的功能实现 对固件功能中需要升级的部分进行了详细介绍：人机交互界面，根据本系统 功能设计了操作界面流程，通过按键和液晶显示屏构建了良好的人机交互界面； 串口通信，使用单片机端的两个u a r t 分别实现了与采集板、打印机的通信；u s b 通信，设计实现了心电记录仪通过u s b 接口与p c 机通信，完成文件上传等功能。 4 p c 机端软件的设计与实现 p c 机通过u s b 接口与心电记录仪通信，使得用户可以在p c 机应用程序中对 心电记录仪进行参数设置、文件读取、固件升级等功能。该通信的实现时基于 u s b x p r e s s 开发包进行，为便于后续软件的开发和升级，首先生成了通信函数的 动态链接库，然后在此基础上进行了应用软件的开发。 3 2 系统硬件升级方案 对于嵌入式开发来说，硬件系统的设计尤为重要，软件的开发和系统整体的 性能很大程度上都依赖于硬件系统。硬件系统的优异与否不但决定了该系统的工 作性能，而且直接会影响到后续软件的开发难易和软件运行的速率。 2 1 设计基本原则 结合本产品的设计目标和便携式心电医疗设备的特点，系统方案的确定需要 遵循以下几条原则： 1 简易性设计 目前大多数医护人员和心电医疗设备使用者对计算机的操作掌握有限，因此 具有良好的人机界面，易于操作和使用是对系统的基本要求。 2 低功耗设计 在设计过程中须限制使用过多的外扩器件；当前微控制器都在朝片上系统发 展，微控制器内部已经集成了越来越多的外围电路的功能，如a d 、d a 、u s b 控 制器、f l a s h 等，在设计电路时应分利用这些片上资源；根据不同的功能允许一 些器件进入休眠( 低功耗) 状态。从各方面着手，尽可能的降低系统的功耗，延 长系统待机时长。 3 小体积设计 该项目旨在实现一款手持式心电图仪，需要小巧的体积，因此在选择硬件时， 在保证不影响系统功能的前提下，要求选择尽可能小的器件。 4 低成本要求 为了使产品具有更好的应用和普及，在提高系统功能的同时需要严格控制成 本，尽可能选择畅销、高度集成的部件。 2 2 硬件方案设计 该项目开发的系统是在一代产品【3 1 基础上加以改进实现的，系统原有方案如图 2 1 中所示。 4 图2 - 1 一代产品结构示意图 f i g u r e2 - 1a r c h i t e c t u r eo f p h a n t o mi 该设计方案中采用一块c p u 来完成系统功能，包括采集、人机交互、存储、 电话上传、以及与p c 机通信功能。随着技术的发展，可以采用更为先进的技术来 提升系统性能，因此本课题对其进行升级，主要有下面四个升级目标： 1 心电信号采集 原系统心电信号的采集是异步方式，并非在同一时刻对不同导联的心电进行 记录，最大采样速率为2 5 0 b p s ，采集位数为8 位采集。本系统实现同步采集，并 且将心电信号的采样最大频率提高到5 0 0 b p s ，将采集位数改为l o 位采集。使得能 够更为快捷准确地进行心电信号采集。 2 u s b 接口通信 原系统中使用单片机u a r t 实现与p c 机的通信，通信速率较低。本系统将采 用u s b 接口来实现与p c 机的通信，能够提高通信速率，并且顺应当前技术发展 趋势。 3 数据存储容量 原系统中，主存储器容量仅为2 ，1 6 2 ，6 8 8 字节。本款手持式心电记录仪主要功 能是对心电数据进行记录。为了能够为医生或后续分析软件提供精确有效的心电 信息，该系统中需要更大的存储容量。 4 增加打印功能 5 本系统增加打印功能，使用单片机u a r t 向打印机发送命令和数据，实现打 印功能，使得在没有p c 机的环境下也可以进行心电数据的简单诊断。 根据升级任务，系统对硬件进行升级设计，在不改变主控制器的基础上对系 统的硬件以及接口分配进行了优化，提高系统的各方面性能。 本系统硬件方案的设计参考了图2 2 中二代心电仪产品【4 】设计方案，该产品方 案使用三个微控制器来实现各个功能模块的控制任务，分别为显示模块、控制模 块和采集模块，各个模块相对独立，控制模块通过各个接口对其他模块进行控制。 图2 2 二代产品结构示意图 f i g u r e2 - 2a r c h i t e c t u r eo fp h a n t o mi i 通过对二代心电仪产品【4 】结构分析，可以得出： 1 采集模块 二代产品中使用独立的微控制器来实现心电信号的采集功能，能够完成心电 信号的同步采集，最大采样频率为5 0 0 b p s ，并且采集模块相对独立工作。由此， 本系统采用二代产品中的心电采集模块设计。 2 显示模块 二代产品具有心电信号的显示功能，使用伪彩色液晶来完成显示任务，并且 显示模块是由独立的微控制器来控制实现的。本系统不具备心电波形显示功能， 只需实现用户的操作界面，因此显示功能无需独立控制器。 3 控制模块 二代产品中存储系统是由k 9 f 1 2 0 8 u o c 和f m 3 1 2 5 6 共同构成，主存储器是 k 9 f 1 2 0 8 u o c ，f m 3 1 2 5 6 用于预采集的存储。此外，使用f m 3 1 2 5 6 实现了系统的 实时时钟。该存储系统存储容量为6 7 ，10 8 ，8 6 4 字节，能够满足本系统设计的需要， 因此本系统设计可以采用二代产品中的存储模块设计。 6 综合以上对二代产品方案的参考，结合方案设计目标，得出本系统的硬件设 计方案，硬件方案结构如图2 3 所示。 图2 - 3 系统硬件结构不意图 f i g u r e2 3a r c h i t e c t u r eo fh a r d w a r e 本系统采用两个微控制器来实现系统功能，主要器件选择和接口的分配如下： 1 同步采集板 选用c 8 0 5 1 f 3 6 2 微控制器，实现心电信号的采集和滤波功能。通过u a r t 实 现与控制板的通信，采集参数的设置和采集任务的执行由控制板发送命令进行控 制。 2 控制板 选用c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制器作为主控制器完成采集、存储、通信的控制。控制 板通过u a r t 跟同步采集板通信，发送控制命令并接收心电信号数据，通信协议 详见附录a ；对存储器进行心电数据的读写操作；通过u s b 接口实现与p c 机的 通信，完成心电数据的上传等功能，通信协议详见附录b ；通过u a r t 实现与打 印机的通信，外接热敏打印机可以实现心电文件的打印功能；可以通过电话接口 将心电数据进行远程传输。 3 存储系统 选用f m 3 1 2 5 6 和k 9 f 1 2 0 8 u o c 构建存储系统。使用f m 3 1 2 5 6 循环存储预采 集数据，k 9 f 1 2 0 8 u o c 作为主存储器用来存储心电数据。如果预采集设置有效， 心电采集任务开始后f m 31 2 5 6 便开始存储预采集数据，当存储任务开始便将预采 集数据和采集到的心电数据都存储到主存储器。 7 4 显示器按键 显示器选用l c m l 2 2 3 2 b 型液晶显示模块实现显示任务，设计五个轻触机械 开关按键，显示器和按键共同完成人机交互任务。 8 3 固件总体设计 固件是永久性或半永久性存储在存储器中的软件指令，本系统中固件是下载 到单片机中控制心电记录仪独立工作的软件。 3 1 软件开发环境 单片机系统开发时需要特殊的开发工具，这些工具需要满足以下的三种关键 能力1 6 1 ： 首先在开发环境下用户可以方便地更新目标系统中的程序代码； 在开发环境中可以随意的控制指定存储器的运行； 开发环境能够提供对目标系统实时的、无干扰的运行监控。 综合考虑以上三个关键条件和该系统开发的硬件平台特点，系统选用了最为 适合开发平台。开发平台如图3 1 所示，由调试主机、i d e 和j t a g 协议转换所需 要的适配器组成，其中i d e 的选择较为重要。 图3 一l 开发环境 f i g u r e3 - 1d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t i d e 选用开发5 l 内核单片机最常见k e i ls o f t w a r e 的8 0 51 开发工具g v i s i o n2 集成开发环境，它是美国k e i ls o f t w a r e 公司出品的主要针对5 l 单片机的集成开发 软件，是一个理想的、快速的和可靠的5 1 系列单片机开发环境。 开发流程简介如下【5 】： 1 创建一个项目，从器件库中选择对应的m c u 型号，通过目标配置工具进 行相应选项设置； 2 用c 语言或汇编语言创建源程序，分别保存在不同的源文件中； 3 用项目管理器生成应用； 4 编译并修改源程序中的存在的错误； 5 将编译通过的程序下载到单片机中进行硬件调试。 嵌入式软件运行于特定的硬件平台上，用以控制硬件平台实现特定的功能。 所以在编写这类软件时，应该注意它本身的一些特点【5 】： 9 1 系统启动 嵌入式微处理器在系统复位信号有效后就会从程序空间特定的地址开始运 行。首先需要运行初始化程序，包括对处理器和各种硬件资源进行初始化。 2 控制硬件 嵌入式系统程序员经常需要编写一些直接控制外设的代码。对于不同的计算 机体系结构，设备可能是端口映射的( i o 与存储器独立编址) ，也有可能是内存 映射的( i o 与存储器统一编址) 。 如果系统采用i o 与存储器独立编址，开发人员别无选择，只能使用汇编语言 完成实际操作，这是由于c 语言没有真正的“端口概念。 如果采用i o 与存储器统一编址，事情就简单多了。访问i o 与访问存储器的 方法相同，只是需要对f o 进行地址的绝对定位。 3 按位操作 嵌入式系统编程经常需要操作硬件寄存器内某个二进制位，在大多数情况下， 最好的方法是采用“读修改一写 的方式，即读出整个寄存器的值，改变二进 制位，然后把整个值写入设备寄存器中。 4 软件要求固态化存储 为了提高系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或者处 理器中，而不是存储在磁盘等载体中。 尽管在半导体技术的发展使存储器速度不断提高、程序存储器的容量不断增 加，但在大多数应用中，程序存储器空间仍然是宝贵的，同时还存在实时性的要 求。为此要求程序编写和编译工具的质量提高，以减少程序二进制代码长度、提 高执行速度。 5 软件的高实时性 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度 是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成和没有效 率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成。 6 中断与中断服务程序( i s r ) 尽管在所有的计算机体系结构中，中断的切换机制是相同的，但不同的处理 器在实现细节上还是有一些不同之处： ( 1 ) 中断屏蔽； ( 2 ) 中断优先级； ( 3 ) 中断入口的获取； ( 4 ) 处理器如何进行现场的保护和恢复。 嵌入式系统如果花费太多的处理器时间检查某个轮询循环的单个状态位就会 l o 严重拖累系统。中断是无法回避的事实，中断需要按其重要性排出优先顺序。 7 可嵌套的中断与可重入性 如果高优先级的中断可以中断低优先级中断而得到优先响应，此中断系统即 为可嵌套的。在可嵌套的中断系统中，编程更为复杂。为了避免这种复杂性，简 单的系统可在响应当前中断时屏蔽其他中断，当中断服务程序完成时，它才重新 开中断。 如果允许中断嵌套，程序员必须特别小心，要确认所有在中断服务例程运行期 间被调用的函数都是可重入的。可重入函数是指在不必关心同步或互相访问的情况 下能被来自不同任务的程序异步调用。如果i s r 调用了不可重入函数，程序最终可 能会出现相互访问或者同步方面的错误，造成系统崩溃。 3 2 软件结构设计 该系统的软件开发基于处理器的直接编程，没有采用商品化的嵌入式操作系 统。基于处理器的直接编程通常把嵌入式程序分成两部分，即前台程序和后台程 序，该系统中便采用f i j f j - 后台系统的编程方法【5 1 。 前台程序通过中断服务程序来处理事件；后台程序则掌管整个嵌入式系统软、 硬件资源的分配、管理及任务的调度，是一个系统管理调度程序。一般情况下， 前台程序也叫事件处理级程序，后台程序也叫任务级程序，其结构如图3 2 所示。 后台( 任务级)前台( 中断级) 图3 - 2 前后台结构系统 f i g u r e3 - 2a r c h i t e c t u r eo ff r o n t b a c ks y s t e m 本系统的前台程序基于c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制器的中断系统 7 1 。c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控 制器支持多中断源，每个中断源都有相应的中断标志，当一个外设或外部源满足 器 有效的中断条件时，相应的中断标志被置为逻辑l 。如果一个中断源被允许，则 在中断标志被置位时将产生一个中断，微控制器负责调用相应的中断服务程序。 某些中断标志在c p u 进入i s r 时被自动清除，但大多数中断标志不是由硬件清除 的，必须在i s r 返回前用软件清除。此外每个中断源有两个优先级，可以通过寄 存器配置。 根据系统资源特性，以及系统功能的需求，对系统前台任务进行分配，中断 源及其作用设置如表3 1 所示。 表3 1 前台任务表 t a b l e3 1f r o n tt a s k 中断源中断号中断任务 a d c 0 转换结束1 0检测电源电压 a d c 0 窗口比较 9 检测u s b 接口处电源电压 比较器01 2检测采集按键的下降沿中断 u a r t 04与同步采集板通信 u a i u l1 6向打印机发送数据 在程序运行时，后台程序检查每个任务是否具备运行条件，通过一定的调度 算法来完成相应的操作。在该系统中根据各个功能模块，后台任务主要有： 1 按键读取任务，当有按键动作发生时，读取按键并且置按键操作任务标志 位； 2 按键响应任务，根据显示屏当前界面和按键动作，判断需要进行的操作和 应该进入的界面； 3 界面显示任务，当系统需要更新界面时，根据相应的界面序号完成显示指 定界面显示； 4 u s b 通信任务，心电记录仪连接到p c 机后，实现与p c 机的通信； 5 存储器读写任务，根据用户或p c 机通信要求对存储器进行读写； 6 电池电压监测任务，监测电源电压，当电压较低时进入低功耗状态。 以上各个后台任务在功能上相对独立，且在优先级上相互平等，但相互之间 存在大量的数据通信。前台任务和后台任务的交互执行共同完成了系统的各个功 能。 1 2 4 固件的功能实现 手持式心电记录仪固件主要功能有：采集功能、存储功能、人机交互界面、 固件升级、电话上传、采集通信接口设计、以及打印机通信接口设计。本章重点 对人机交互界面、串行接口设计、u s b 通信、以及固件升级进行了详细的论述。 4 1 人机交互界面 在以单片机为核心的嵌入式应用中，友好的人机互界面起着十分重要的作用。 该系统中通过按键和液晶显示器建立了良好的人机交互界面，用户可以简单便捷 地完成对系统的操作。 4 1 1按键设计与实现 单片机应用系统中，按键是人机交互功能实现的重要载体，其主要目的是对 系统运行状态进行实时干预、完成数据的输入，操作者通过按键向系统发送各种 指令或置入必要的数据信息。因此按键模块设计的好坏及其接口性能的优劣直接 影响着系统的运行可靠性、操作的便利性。 该系统中共有五个按键，其中四个按键设计原理相同，分别为功能键、上翻 键、下翻键、确认键，合称为功能键；另外一个按键是通过比较器来设计实现的， 主要用于心电采集的开始和低功耗状态下开机，简称为采集键。 一、功能键原理与实现 常见的按键设计有：独立式按键、矩阵式按键、用专用芯片构成编码按键等【8 】。 独立式按键是通过每个按键都与单片机的一个引脚相连来实现的，当按键较多时， 它要占用较多的i o 端口，对于硬件资源有限的单片机使用有很大的局限性；矩阵 式按键足通过使按键位于矩阵行列交汇点处，同行与同列只与一个引脚连接，单 片机要逐行逐列扫描来得到键值；用专用芯片构成按键电路是选用廉价专用芯片 通过通信接口与单片机通信，专用芯片负责按键扫描等工作，单片机软硬件设计 完成后只需在有按键动作时，用终端程序读取键值即可。 该系统中四个功能键设计采用独立式，其接口电路如图4 1 所示。按键部分与 液晶显示屏模块共用同一个端口，都使用c 8 0 5 1 f 3 4 0 的端口2 实现数据的传输。 这一设计是基于该系统的特性进行的：首先c 8 0 5 1 f 3 4 0 控制器端口有限，为 了更为有效地利用资源需要使用端口的复用；再者系统中按键使用端口输入信息 1 3 时，控制器不需要向液晶显示模块发送数据，也就是说二者对端口的使用不可能 在发生在同一时刻，允许对端口分时复用。 图4 1 按键电路 f i g u r e4 1c i r c u i to fk e y 按键选用了轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当按压按钮时， 由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开 时也不会一下子断开。 图4 2 按键时序 f i g u r e4 - 2t i m es e q u e n c eo fk e y 1 4 因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串抖动，按键的时序如上图 4 _ 2 所示，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为 5 m s - - 2 0 m s ；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的， 一般为零点几秒至数秒不等。可以得出，一次完整的击键过程包含以下五个阶段【9 】。 1 等待阶段 此时按键尚未按下，处于空闲阶段。 2 前沿( 闭合) 抖动阶段 此时按键刚刚按下，但按键信号还处于抖动状态，这个时问一般为5 m s , 。2 0 m s 。 为了确保按键操作不会误动作，此时必须有个前沿消抖动延时。 3 键稳定阶段 此时抖动已经结束，一个有效的按键动作已经产生。系统应该在此时执行按 键功能；或将按键所对应的键值记录下来，待按键释放时再执行。 4 后沿( 释放) 抖动阶段 一般来说，严格的程序应该在这罩再做一次消抖延时，以防误动作。但是， 如果前面“前沿抖动阶段 的消抖延时时间取值合适的话，可以忽略此阶段。 5 按键释放阶段 此时后沿抖动已经结束，按键已经处于完全释放状态，如果按键是采用释放 后再执行功能，则可以在这个阶段进行按键操作的相关处理。 结合硬件电路和实际应用，可以得出后台按键读取任务的处理过程，其执行 流程如图4 3 所示。 当c p u 轮询执行到按键读取任务时，按键读取任务得到执行：如果按键没有 按下，系统读取端口2 的数据，判断是否有按键动作发生；如果按键已经按下， 则判断按键是否松开，如果松开则将按键按下标志位置o ，否则不执行任何操作。 实现中需要注意的问题有： 1 软件消抖 按键在按下和释放的瞬间都将伴随一连串的抖动，抖动时间由按键的机械特 性决定。按键的稳定闭合的长短由操作人员决定。按键抖动的消除，通常有硬件 和软件两种方法。硬件消抖除了成本增j n p l - ，当按键较多时实现非常困难，因此 最好采用软件方法消除抖动。软件消抖一般都是第一次检测到有键按下时，延时 通常的键抖动时间后再次检测按键是否仍按下，若仍按下则认为真正有键按下， 从而消除了影响。 2 连击处理 通过对按键的合理设计，可以对这两种现象进行合理利用和处理。按键连击 主要应该处理好哪些键允许连击，哪些键不允许连击，允许连击的键自上次按键 后按键保持多长时间才算连击，然后决定多长时间取一次键值。 图4 3 按键读取任务流程图 f i g u r e4 - 3f l o w c h a r to fk e y - r e a dt a s k 1 6 二、采集键原理与实现 c 8 0 5 1 f 3 4 0 器件内部有两个电压比较器吐可以由用户软件使能禁止和配置。 端口i o 引脚可以通过多路选择器被配置为比较器输入。如果需要，可以将两个比 较器输出连到端口引脚：一个锁存输出和或一个未锁存的输出( 异步) 。比较器的 响应时问是可编程的，允许用户在高速和低功耗方式之间选择。比较器的币向和 负向回差电压也是可配置的。 比较器能在上升沿、下降沿产生中断，或在两个边沿都产生中断。当m c u 工 作在空闲方式时，这些中断可用于唤醒m c u 。比较器0 还可以被配置为复位源。 图4 4 给出了比较器0 的原理框图。 图4 - 4 比较器原理图 f i g u r e4 - 4c o m p a r a t o rf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 本系统中使用比较器0 来实现采集键，接口电路如图4 5 所示，当按键被按下 时产生一个下降沿中断，通过比较器0 的中断捕捉下降沿中断对按键动作进行处 理。 要使用该比较器o 需要以下几个配置：首先配置比较器0 控制寄存器；接下 来需要选择比较器0 正负输入的端1 ：3 引脚；然后设置下降沿中断允许标志位；最 后需要选择比较器0 的工作方式。 此外，需要注意两点：一是的是根据比较器的电气特性，需要l o 微秒的延迟， 1 7 初始化才能生效；二是下降沿中断标志位需要软件清零。 图4 5 采集键电路图 f i g u r e4 - 5c i r c u i to fk e y 采集键的响应使用中断服务程序处理，伪码如下： v o i dc o m p a r a t o r l s r ( v o i d ) i n t e r r u p t12 i f 【下降沿中断) 软件清零下降沿中断标志位； 给定按键读取缓冲区一个能够唯一标志采集键的数据； ) ) 需要指出的是，在中断中并未对按键需要执行的相应任务进行处理，而是通 过给个按键缓冲区一个特定值，由按键处理任务统一响应所有按键。这样，可以 提高代码的可读性，易于修改。 4 1 2显示屏原理与实现 近年来，l c d 的应用发展十分迅速。它具有工作电压低、功耗小、寿命长、 易集成、便携性好、显示信息量大和电磁辐射污染小等很多优点，特别适合于用 电池供电的单片机应用系统及各种各样便携式智能仪器中作显示器。 结合系统便携式要求和本系统显示功能的实现要求，使用l c m l 2 2 3 2 b 型液 晶显示模块实现显示任务。该模块为图形点阵方式，与c p u 接口方式简单，用于 显示系统信息、当前系统状态以及电池电量等。 1 8 l c m l 2 2 3 2 b 型液晶显示模块【1 叫是黑白显示，显示内容1 2 2 x 3 2 点阵，8 位数 据位并行输入，结构框图如图4 - 6 所示。 广一 l l | l l i l l l l i i l l l l i _ 图4 6l c m l 2 2 3 2 b 结构图 f i g u r e4 - 6a r c h i t e c t u r eo fl c m 12 2 3 2 b 其工作时序如图4 7 所示，根据液晶模块的工作时序，利用i o 端口编程即可 实现液晶显示模块的显示功能。 a o 鬻r r d d o 懈d 7 ( w e it e ) 牡铲d 7 ( r e a o ) 图4 7 时序图 f i g u r e4 - 7t i m es e q u e n c eo fl c m 12 2 3 2 b 1 9 1 l l li i i i i i l l xx ：戮 f 删f：￥霸 住c i 夕 撕移 n 07 诌o一 l d t 8f d l 禧 x i 僦 t 鲁e 譬t 曲g il ， 、08 醵0 、 ，o 猢 该系统中显示屏主要用于信息的输出，向用户传递系统的当前状态，与按键 合作完成人机交互的功能。具体需要显示的信息主要包括三个方面：系统自检信 息；参数设置信息；文件操作信息。此外还有文件打印，回传进度等信息，根据 不同的需要，系统中要首先完成每个界面的显示。 该系统界面中需要显示的内容包括汉字，半角字符和西文，以及进度条和勾 选图框。汉字为1 6 1 6 点阵显示，半角为8 x1 6 点阵显示，西文为8 8 点阵显 示，进度条和勾选图框需要特定的数据柬实现。一个符号或者字符的显示过程如 图4 - 8 所示，系统首先需要得到要显示的字符内容在液晶显示模块对应的数据内 容，然后将要显示的字符数据发送到液晶模块的控制器完成显示任务。 图4 8 显示原理示意图 f i g u r e4 - 8d i s p l a yd i a g r a m 其中字模的生成根据不同液晶显示模块中控制器与v r a m 的对应方式不同而 各异，根据对应关系使用软件工具便可方便地生成字模。 该系统菜单实现效果如图4 9 所示。 图4 9 菜单效果图 f i g u r e4 - 9e x a m p l e so fm e n u 4 1 3人机交互的实现 人机交互的实现是通过按键和显示屏共同实现的，按键用于输入用户信息， 而显示器将系统当前信息输出给用户，二者共同完成人机交互任务。 一、人机交互界面的设计 在应用系统中，为了简化硬件线路，缩小整个系统的规模，尽可能设置最少 的按键，获得最多的控制功能，这样就对按键的利用提出了更高要求。本系统中 按键的功用根据系统所处的当前状态不同而具有不同功能。根据系统功能和一般 用户操作习惯，系统中设计了交互界面的切换，其中按键主要功能和当前菜单相 2 0 对应关系如表4 1 中所示，其中k e y l 为功能键，k e y 2 为确认键，k e y 3 为上翻 键，k e y 4 为下翻键，k e y 5 为采集键。 表4 1 按键功能表 t a b l e4 - 1k e yf u n c t i o n 当前菜单k e y lk e y 2k e y 3 ，k e y 4 k e y 5 系统信息系统设置无效无效无效 系统故障无效无效无效无效 节f 乜模式无效无效无效开机 准备采集无效无效无效开始采集 参数设置复位系统采集参数设置文件操作语言设置无效 文件操作复位系统删除文件参数设置语言设置无效 语言设置放弃返回确定返回选择条日十选择条目无效 采集参数设置放弃返回无效无效无效 设置导联放弃返口l更改导联状况导联数+ 导联数无效 设置预采集放弃返州更改预采集参数条日+ 参数条甘无效 没置采集时间放弃返回更改采集时间采集时间+ 采集时间无效 设置联机打印放弃返回更改联机打印无效无效 删除文件放弃返回删除文件选择记录+ 选择记录无效 删除全部文件放弃返 口l删除全部无效无效 删除最后一个文件 放弃返回 删除最后 无效无效 二、人机交互界面设计的实现 人机交互设计的实现需要按键读取任务、按键响应任务、界面显示任务三个 后台任务共同实现。各任务问需要相互通信：当按键读取任务读取到有效按键值， 置按键响应任务允许标志位；当按键响应任务被允许后，执行按键的响应程序， 根据端口值判断按键，结合当前的显示界面号，得出需要更新的界面号，置界面 更新标志位；当界面更新标志位被置位，执行界面跟新任务，显示指定界面。将 这三个任务关联起来的关键程序伪代码如下： 2 1 v o i dk e y _ t a s k ( v o i d ) i f ( 按键标志位) s w i t c h ( 按键值) c a s el ： s w i t c h ( 当前界面号) c a s e1 ： 得出需要更新的界面号； 置更新界面标志位； ) c a s e n ： ) c a s e 2 ： 4 2 串口通信功能 e a s e 6 - 串口在嵌入式系统当中是一类重要的数据通信接