（计算机应用技术专业论文）心血管疾病脉象诊断专家系统研究.pdf

摘要 以中医脉象理论为基础的脉象诊断，俗称切脉、把脉。中医脉诊历史悠久、 内容丰富，是我国传统医学中最具特色的一项诊断方法，是中医“整体观念”、 “辨证论治”基本精神的体现和应用，亦是中医理论体系不可缺少的组成部分。 脉诊是中医诊察疾病的重要方法，在辨证论治中起着重要的作用。经过两干多年 医疗实践和不断总结，中医已形成朴素的脉学理论体系和独特的脉诊诊断技术。 然而中医切脉全凭个人经验和医学知识，学习起来比较困难，随着现代医学 的不断进步和发展，加上传统的老中医的不断过世，传统的中医把脉诊断已经渐 渐走向没落。如何将现代科学技术和中国传统的切脉诊疗相结合，既为广大群众 服务，又保留中华民族的文化瑰宝迫在眉睫。 近些年来，国内有一大批科研工作者对脉象诊断进行了深入地研究。并开发 成功了一系列的产品和仪器，如：脉搏仪、脉象检测仪、脉象诊断仪等，都给中 医辅助治疗提供了有效的帮助和指导。然而目前市场上的脉搏仪器多数都是通过 传感器检测脉象，然后输出脉象图形、心跳次数等数据，医生根据输出的脉图和 脉诊结果进行综合分析。 本文讨论了神经网络专家系统和脉象诊断的基本原理，利用成熟的小波分析 技术，提取典型脉象的特征量，提出采用神经网络作为专家系统的知识库，学习 典型心血管疾病的脉象实例，并将其移植到了嵌入式平台上。对典型心血管疾病 进行了测试。 关键词脉象诊断专家系统神经网络嵌入式l i n u x a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ec h i n e s em e d i c i n et h e o r y , t h ep u l s ed i a g n o s i si sa l s oc a l l e d f e e lo f t h ep u l s ea n d h o l d i n gt h ep u l s e c h i n e s em e d i c i n ep u l s eh a s al o n gh i s t o r ya n d m u c he n r i c h e d a st h em o s tc h a r a c t e r i s t i c so fad i a g n o s t i cm e t h o d si nc h i n e s e t r a d i t i o n a lm e d i c i n ef i e l d ，i te m b o d i e sa n da p p l i e st h eb a s a ls p i r i t so fc h i n e s e m e d i c i n e ：“i m e g 咖c o n c e p t i o n ”a n d ”d i f f e r e n t i a l t r e a t m e n t ”，i ti sa l s o 越 i n d i s p e n s a b l ep a r to f t h es y s t e mo f c h i n e s em e d i c i n et h e o r y t h ep u l s ed i a g n o s i si sa l l i m p o r t a n tm e t h o do fd i a g n o s i so fi l l n e s s i nc h i n e s em e d i c i n e ，p l a y i n gav e r y i m p o r t a n tr o l e i nt h ed i f f e r e n t i a lt r e a t m e n t w i t he n d l e s sp r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to fm o d e r nm e d i c i n e ，i na d d i t i o no f c o n t i n u o u sd e a t ho ft r a d i t i o n a ld o c t o r so fc h i n e s em e d i c i n e ，t h ef e e lo ft h ep u l s eo f t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n eh a sd e c l i n e dg r a d u a l l y i no r d e rt os e r v et h ep e o p l ea n d r e m a i nt h ec u l t u r et r e a s u r eo fc h i n e s ep e o p l e ，h o wt oc o m b i n em o d e r ns c i e n t i f i c t e c h n i q u ea n dc h i n e s et r a d i t i o n a lf e e lo f p u l s eh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m i nr e c e n ty e a r s , t o t so fs c i e n t i s t sh a v ed e l v e di n t ot h ep u l s ed i a g n o s i sa n d d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yas e r i e so fp r o d u c t s ，s u c ha s ：p u l s ei n s t r u m e n t ，i n s p e c t o ro f p u l s ec o n d i t i o n ，d i a g n o s i si n s t r u m e n to fp u l s ec o n d i t i o nw h i c ha l lh e l pa n dg u i d e t h e a s s i s t i n gt r e a t m e n to f c h i n e s em e d i c i n eal o t h o w e v e r , i nt h ec u r r e n tm a r k e t , m o s t p u l s ei n s t r u m e n t sc h e c kt h ep u l s ec o n d i t i o nb ys e n s eo r g a n s ，a n dt h e no u t p u tt h e p i c t u r e so f p u l s ec o n d i t i o n , t h ed a t as u c ha st h en u m b e ro f h e a r t t h r o b ，a n df i n a l l yt h e d o c t o rw i l lh a v eac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sb yt h ep i c t u r ea n dr e s u l to f p u l s ed i a g n o s i s t h i st h e s i sd i s c u s s e st h eb a s a lt h e o r yo f n ne x p e r ts y s t e ma n dd i a g n o s i so f p u l s e c o n d i t i o n , m a k e sg o o du o fm a t u r ew a v ea n a l y s i st e c h n i q u e d i s t i l l st h ec h a r a c t e r s o ft y p i c a lp u l s ec o n d i t i o n s ，a d v o c a t e st h eb i na sar e p o s i t o r yf o re x p e r ts y s t e m ，a n d s t u d i e st h ep u l s ec o n d i t i o no f r e p r e s e n t a t i v ec a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e ，a n dt r a n s p l a n t si t o nt h ee m b e d d e dp l a t f o r ma n dt e s t st h et y p i c a lc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s e k e y w o r d s ：p u l s ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e m n e u r a ln e t w o r k se m b e d d e dl l n u x 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的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， 不包含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 1 蓑芰蹇霎蓁辜_ 黔 论文作者签字：，套鬟乙 司年f 其2 善b 广东工业大学工学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、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应本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字目期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 专家系统 1 1 1 专家系统定义 第一章绪论 专家系统【l 】( e x p e r ts y s t e m ) 是人工智能应用领域最活跃和最广泛的领域之 一。专家系统实质上是一种设计用来对人类专家的问题求解能力建模的计算机 程序，它能够以人类专家的水平完成特别困难的某以专业领域的任务。在设计 专家系统时，知识工程师的任务就是使计算机尽可能模拟人类专家解决某些实 际问题的决策和工作过程，即模仿人类专家如何运用他们的知识和经验来解决 所面临问题的方法、技巧和步骤。专家系统是在产生式系统的基础上发展起来 的。 1 1 2 专家系统发展 专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域，它实现了人 工智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重 大突破”3 。2 0 世纪6 0 年代初，出现了运用逻辑学和模拟心理活动的一些通用问 题求解程序，它们可以证明定理和进行逻辑推理。但是这些通用方法无法解决 大的实际问题，很难把实际问题改造成适合于计算机解决的形式，并且对于解 题所需的巨大的搜索空间也难于处理。1 9 6 5 年，f a 费根鲍姆等人在总结通用 问题求解系统的成功与失败经验的基础上，结合化学领域的专门知识，研制了 世界上第一个专家系统d e n d r a l ，可以推断化学分子结构。2 0 多年来，知识工 程的研究，专家系统的理论和技术不断发展，应用渗透到几乎各个领域，包括 化学、数学、物理、生物、医学、农业、气象、地质勘探、军事、工程技术、 法律、商业、空间技术、自动控制、计算机设计和制造等众多领域，开发了几 千个的专家系统，其中不少在功能上已达到，甚至超过同领域中人类专家的水 平，并在实际应用中产生了巨大的经济效益。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 1 3 专家系统结构 专家系统的结构脚是指专家系统各组成部分得构造方法和组织形式。系统 结构选择恰当与否，是与专家系统的适用性和有效性密切相关的。选择什么结 构最为恰当，要根据系统的应用环境和所执行任务的特点而定。 在专家系统中采用专家的两种主要优点建模：专家的知识和推理。要实现 这一点，专家系统必须有两个主要模块：知识库和推理机。图1 1 为专家系统 的基本结构图。 r 一一一一一一一一一一一一一一l 专家 l j i 图1 一l 专家系统基本结构图 f i g u r e1 - 1b a s i cs t r u c t u r ec h a r to fe x p e r ts y s t e m 爝户 知识库是专家系统包含领域知识的部分，包含了专家所具有的领域内的知 识和经验。而推理机是专家系统的知识处理器，它将所要处理的问题与知识库 中的领域知识相匹配，以得出问题的结论。推理机处理问题并提取知识库中的 信息。这是最基本的简化结构图，概括了基本专家系统的两个重要模块：知识 库和推理机。 图1 2 为理想专家系统的结构图。由于每个专家系统所需要完成的任务和 特点不同，其系统结构也不尽相同，一般只具有途中部分模块。 接口是人与系统进行信息交流的媒介，它为用户提供了直观方 便的交互手段。接口的功能是识别与解释用户相系统提供的命令、问 题和数据等信息，并把这些信息转化为系统的内部表示形式。另一方 面，接口也将系统向用户提出的问题、得出的结果和做出的解释以用 户易于理解的形式提供给用户。 黑板是用来记录系统推理过程中用到的控制信息、中间假设和 中间结果的数据库。它包括计划、议程和中间解三部分。计划记录了 当前问题总的处理计划、目标、问题的当前状态和问题北京。议程记 录了一些待执行的动作，这些动作大多石油黑板中已有结果与知识库 中的规则作用而得到的。中间解区域中存放当前系统己产生的结果和 候选假设。 耀p i 黑板t i掺理机 i l j l j 图1 2 理想专家系统结构图 f i g u r e1 - 2s t r u c t u r ec h a r to fi d e a le x p e r ts y s t e m 知识库包括两部分内容。一部分是己知的同当前问题有关的数 据信息；另一部分是进行推理时要用到的一般知识和领域知识。这些 知识大多以规则、网络和过程等形式表示。 调度器按照系统建设者所给的控制知识，。从议程中选择一个项 作为系统下一步要执行的动作。执行器使用知识库中及黑板中记录的 信息，执行调度器所选定的动作。协调器的主要作用就是当得到的新 数据或新假设时，对已得到的结果进行修正，以保持结果前后的一致 性。 解释器向用户解释系统的行为，包括解释结论的正确性及系统 输出其他候选解的原因。为完成这一功能，通常需要利用黑板中记录 的中间结果、中间假设和知识库中的知识。 1 1 4 专家系统特点 广东工业大学工学硕士学位论文 l 、符号推理 专家系统按照符号形式表示知识，能运用专家的知识与经验进行推理、判 断和决策。可以使用符号表示大量知识，如事实、概念或者规则。世界上大部 分工作和知识都是非数学性的，只有一小部分人类活动是以数学公式或数字计 算为核心的( 约占8 ) 。即使是化学和物理学科，大部分也是靠推理进行思考 的；对于生物学、大部分医学和全部法律，情况也是这样。企业管理的思考几 乎全靠符号推理，而不是数值计算。专家系统通过符号操作而不是数字处理来 解决问题。一般而言，可把传统的程序看作数据处理，而把专家系统看作知识 处理器。 2 、启发式推理 专家擅长提取经验，以加快当前问题的求解过程。他们凭经验形成对问题 的实际理解，并把禁烟运用与拇指规则或者启发信息中。专家解决问题时用到 的典型启发信息有： ( 1 ) 我总是首先检查电子系统。 ( 2 ) 人们很少在夏天感冒。 ( 3 ) 如果我担心癌症，那么我总要检查家庭历史。 大多数早期的人工智能工作都寻求应用启发式搜索技术来解决问题。明斯 基是这样评价计算机的启发式搜索的：“如果您不能告诉计算机做什么最好，那 么就编程让它试试很多方法。” 传统程序使用算法处理数据，但专家系统常使用启发式推理技术。一个算 法表示一系列严格定义的将要执行的任务。例如： 算法： ( 1 ) 获取温度和压力。 ( 2 ) 按照一定约束关系将他们乘在一起。 ( 3 ) 计算出流速。 ( 4 ) 如果流速大于l o o ，那么 这个算法总是按照同样的顺序执行相同的操作。传统程序在数字处理方面 以精确见长。 启发式推理使用可行的信息来得出问题的结论，但不会遵循预定的步骤顺 第一章绪论 序。为了决定是否存在低流速，启发式程序可使用不同的方法。例如： 启发信息：老管道在处于低流速时经常振动 启发式推理：伍管道正在振动 a n d 这些管道是老的 珊n 猜测该管道可能处于低流速 专家系统可以使用这条启发式规则来引导推理，并决定正在振动的管道的 原因。这条规则没有担保问题一定在于低流速，但它提供了合适的解决问题的 切入点。如果这个方法失败了，那么专家系统还可以依靠传统的基本方法，比 如传统程序中使用的精确计算的方法。 如前所述，专家系统处理的问题类型比较传统程序而言缺乏结构性。所要 求解的问题的可用信息可能是不充分的，以致得不到精确的解。然而，专家系 统仍然能够得出合理的结论，尽管这个结果可能不是最优解。但是解决问题所 花费的时间要比传统程序快的多，人力、物力的消耗也更少。专家系统与传统 程序的一些区别如图l 一3 所示。 传统程序专家系统 数字的 算法式 信息和控制集成 难于修改 精确信息 指令界面 给出最终结果 最优解 符号的 启发式 知识和控制分离 易于修改 不确定信息 带解释性的自然对话 解释性的建议 可以接受的解 图卜3 专家系统与传统程序的区别 f i g u r e1 - 3d i s t i n c t i o nb e t w e e ne x p e r ts y s t e ma n dt r a d i t i o n a lp m g m m 3 、透明性 专家系统能够解释本身的推理过程和回答用户提出的问题，以便让用户能 够了解推理过程，提高对专家系统的依赖感。例如，一个医疗诊断专家系统诊 断某病人患有肺炎，而且必须用某种抗生素治疗，那么，这一专家系统将会向 广东工业大学工学硕士学位论文 病人解释为什么他患有肺炎，而且必须用某种抗生素治疗，就像一位医疗专家 对病人详细解释病情和治疗方案一样。 4 、灵活性 专家系统能不断地增长知识，修改原有知识，不断更新。由于这一特点， 使得专家系统具有十分广泛的应用领域。 5 、知识与控制分离 如图1 2 所示，知识库和推理机是专家系统中独立的模块。把系统的知识 与其控制分离是专家系统颇有价值的特征。这种分离也是专家系统区别于传统 程序的特征。 一般应用程序与专家系统的区别在于：前者把问题求解的知识隐含地编入 程序，而后者则把其应用领域的问题求解知识单独组成一个实体，即为知识库。 知识库的处理是通过与知识库分开的控制策略进行的。更明确地说，一般应用 程序把知识组织为两级：数据库和程序级：大多数专家系统则将知识组织成三 级：数据、知识库和控制。 在数据级上，是已经解决了特定总是的说明性知识以及需要求解问题的有 关事件的当前状态。知识库级保存专家系统的专门知识与经验。是否拥有大理 知识是专家系统成功与否的关键，因而知识表示就成为设计专家系统的关键。 在控制程序级，根据既定的控制策略和所求解问题的性质来决定应用知识库中 的哪些知识。这里的控制策略是指推理方式。按照是否需要概率信息来决定采 用非精确推理或精确推理。推理方式还取决于所需搜索的程度。 1 2 嵌入式系统 1 2 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是根据应用的要求，将操作系统和功能软 件集成于计算机硬件系统之中，从而实现软件与硬件一体化的计算机系统。嵌 入式系统出现于6 0 年代晚期，它最初被用于控制机电电话交换机，如今已被广 泛的应用于工业制造、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航 天、军事装备、消费类产品等众多领域。嵌入式系统在数量上远远超过了各种 第一章绪论 通用计算机系统；计算机系统核心c p u ，每年在全球范围内的产量大概在二十 亿颗左右，其中超过8 0 应用于各类专用性很强的嵌入式系统。 一般的说，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。 和通用的计算平台相比，嵌入式系统往往具有功能单一、体积小、功耗低、可 靠性高、剪裁性好、软硬件集成度高、计算能力相对较低等特点。多年来，嵌 入式设备中没有操作系统，其主要原因有二：首先，诸如洗衣机、微波炉、电 冰箱这样的设备仅仅需要一道简单的控制程序，以管理数量有限的按钮和指示 灯，没有使用操作系统的必要；其次，它往往只具有有限的硬件资源，不足以 支持一个操作系统。 随着硬件的发展，嵌入式系统变得越来越复杂，最初的控制程序中逐步的 加入了许多功能，而这些功能中有很多可以由操作系统提供。于是，在7 0 年代 末期出现了嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s ) ，它的出现大大简化 了应用程序设计，并可以有效的保障软件质量和缩短开发周期。简单的e s 一 般并不使用操作系统，只包含一些控制流程，但是随着嵌入式操作系统在复杂 性上的增长，简单的流程控制就不能满足系统的要求，这是就必须考虑使用操 作系统做系统软件。因此，嵌入式操作系统就应运而生。 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种用途广泛的系 统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全 部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系 统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一 些应用比较成功的e o s 产品系列。随着i n t e m c t 技术的发展、信息家电的普及 应用及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始从单一的弱功能向高专业化的强功 能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固 化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。e o s 是相对于一般操作系统 而方的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中 断处理、文件处理等外，还有以下特点： l 、可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 2 、强实时性。e o s 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 3 、统一的接口。提供各种设备驱动接口。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 4 、操作方便、简单、提供友好的图形g u i ，图形界面，追求易学易用。 5 、提供强大的网络功能，支持t c p i p 协议及其它协议，提供 t c p 佃p 皿p p p 协议支持及统一的m a c 访问层接口，为各种移动计算设备预 留接口。 6 、强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干 预，这就要负责系统管理的e o s 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接 口一般不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 7 、固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被同化在嵌入 式系统计算机的r o m 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入 式操作系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。 8 、更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 随着e o s 的广泛应用，业界已推出一些应用比较成功的e o s 产品。归纳 起来e o s 应该具有以下几个特点：小巧、实时性、可装卸、固化代码、弱交互 性、强稳定性和统一的接口。目前使用最多的e o s 产品包括有：v x w o r k 、q n x ， p a l m o s 、w m d o w s c e 、p s o s 、h o p e no s ( 国内凯思集团公司自主研制开发1 等。 其中，v x w o r k 使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是实时性强( 采用 优先级抢占和轮转调度等机制) ，除此之外，其可靠性和可剪裁性也相当不错。 q n x 是一种伸缩性极佳的系统，其核心加上实时p o s i x 环境和一个完整的窗 口系统还不到一兆。 1 2 2 嵌入式系统的发展 作为嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分的嵌入式操作 系统，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信 协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本 特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发 人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、 工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高 效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出 的特点。嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了四个比较明显的阶段： 第一章绪论 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器 形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性 极强的工业控制系统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后 清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎 没有用户接口。 第二阶段：以嵌人式c p u 为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。c p u 种类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作 系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统 主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段：通用的嵌人式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的 嵌入式系统。能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高， 具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络 支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口( a p l ) ；嵌入 式应用软件丰富。 1 2 3 嵌入式操作系统比较与选型 。 1 、v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入 式实时操作系统( r t o s ) ，是t o r n a d o 嵌入式开发环境的关键组成部分。良好 的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作 系统领域逐渐占据一席之地。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯； 微秒级的中断处理；支持p o s 1 0 0 3 1 b 实时扩展标准；支持多种物理介质 及标准的、完整的t c p i p 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般 都比较高，通常需花费1 0 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每 一个应用一般还要另外收取版税。一般不通供源代码，只提供二进制代码。由 于它们都是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软 9 广东工业大学工学硕士学位论文 件的开发和维护成本都非常高。支持的硬件数量有限。 2 、w i n d o w $ c e w i n d o w sc e 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，无疑是w i n d o w sc e 推广 的一大优势。其中w i n c e 3 0 是一种针对小容量、移动式、智能化、3 2 位、了 解设备的模块化实时嵌人式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态 应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系 结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它是 从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。 它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行 定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。由于嵌入式产品的体积、 成本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。系统的 可用内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存( 一 般在r o m 或快闪存储器) 中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高 的要求。从技术角度上讲，w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷： 没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的 表现并不出色，而且和w i n d o w s 一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权 许可费也是厂商不得不考虑的因素。 3 、嵌入式l i n u x 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循 g p l 协议，在近一年多以来成为研究热点，据i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来 两年的嵌入式操作系统份额的5 0 。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用，并且查错也 很容易。遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。 其中大部分都遵从g p l ，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户 自己的系统。有大量的免费的优秀的开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代 码的。有庞大的开发人员群体。无需专门的人才，只要懂u r t i x l i n u x 和c 语言 即可。随着l i n u x 在中国的普及，这类人才越来越多。所以软件的开发和维护 成本很低。优秀的网络功能，这在i m e m e t 时代尤其重要。稳定这是l i n u x 本身具备的一个很大优点。内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。 第一章绪论 支持的硬件数量庞大。嵌入式l i n u x 和普通l i n u x 并无本质区别，p c 上用 到的硬件嵌入式l i n u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得 到，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 l i n u x 更小、更稳定，而且l i n u x 是开放的o s ，相对v x w o r k s 的昂贵，l i n u x 在价格上更具竞争力，因此最终采用嵌入式l i n u x 作为专家系统的运行平台。 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 系统功能分析 2 1 1 脉象诊断仪器的现状 目前市场上有脉搏仪和脉象仪两种脉象检测相关的医学仪器，脉搏仪的功 能般包括检测、放大装置和显示装置。其中检测装置中与寸、关、尺三脉位 接触的三只传感器检测脉搏信号经过信号放大、滤波、a d 数模转换，最后将 信号输出到显示屏幕上，为中医脉诊提供辅助诊断。脉搏仪设计简单、实现也 较为容易，功能相对简单，只能够实时检测并输出脉搏压力，次数、脉象波形 等，且需要人工对脉象的输出波形进行识别，一般医师和普通病人无法通过脉 搏仪得到和自己身体健康相关的信息。 脉象检测仪功能一般包括：脉图检测、脉图输出，能实时显示、存储、重 读数字化脉搏信号，自动判读脉象的位、数、形、势，识别脉图特征参数，并 以多逻辑判断模式确定脉名；能显示和打印系列脉图、最佳脉图及其特征参数、 取脉压力- 脉幅趋势图、脉波趋势图等组成的脉图检测报告；以及根据脉象提示 的动脉系统张力、阻力、生理年龄、自律神经平衡状态和辩证结论等组成的临 床辅助诊断报告。作为中医诊断的辅助设备，脉象检测仪有重要意义，数字化 脉搏信号的存储可以为后续诊断提供宝贵的诊断资料和依据。 较少的中医院也有某些脉象诊断的专家系统，一般由前端的脉象检测仪和 一台功能较全的p c 组成。由脉象检测仪采集处理脉象信号、由后台对脉象信 号进行识别、诊断，并输出诊断报告。该诊断专家系统比较庞大，且成本较高， 医院一般选择人工进行脉诊工作。因为仪器脉诊的结果也只能作为诊断的辅助 参考信息，并不能完全取代医生的手工脉诊，因此一般医院都不使用。 2 i 2 心血管疾病脉象诊断专家系统特点 1 、系统由脉象检测和诊断专家系统两部分组成。升级灵活，专家系统性能 好，处理速度快。 第二章系统总体设计 2 、采用嵌入式单板机( s b c ) 作为专家系统的硬件运行平台，不但可以节 省较大的成本，还能够提供有力的性能保障。 3 ，采用嵌入式l i n u x 作为系统运行的操作系统。嵌入式l i n u x 有较多的开 源代码，开发成本低，且可以根据需要自由对系统进行定制和裁剪。有良好的 用户界面和便利的开发工具。 4 、脉象检测作为独立模块使用，与单板机通过串口相连。脉象检测模块容 易改造、升级。专家系统知识库不断升级后，如果对系统性能有更高要求也能 够快速实现专家系统硬件部分升级。脉象检测也可以通过“背板”( 转换板) 形 式直接与单板机相连，整个系统作为一个整体运行，缺点是在出现故障时排查 不方便，且难以升级。 5 、自动采集脉象信号，并将中医脉象的位、数、形、势和脉图的各项特征 参数作自动分析处理，同时结合中医望诊，根据中医八纲辩证的思路，提示受 试者的健康状况等内容。 6 、设备安全可靠，成本低，操作方便简单，在家中即可进行诊断。高血压 病人、心脏病人可以自行诊断，如果感觉身体不适且脉象诊断仪的诊断结果显 示不正常，则马上到医院就诊。还可以作为心血管病人恢复用的跟踪检测用。 对病人的身体恢复情况进行诊断和记录。 2 2 系统功能设计 2 2 1 系统结构图 广东工业大学工学硕士学位论文 脉图检测模块 图2 - 1 系统结构圜 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r ec h a r to ft h ee x p e r ts y s t e m 存储模块 脉图检测模块对检测的脉象信号进行放大、滤波、a d 转换，并通过串口 与诊断系统相连。 而通过c f i d e 接口，可以外接c f ( c o m p a c t f l a s h ) 、硬盘等大容量存储器， 方便专家系统知识库的建立和更新。 嵌入式l i n u x 的组成则是包括k e n c l 、驱动( 以模块形式动态加载) 、运行 库、s h e l l 、基本文件系统等最小化组件。考虑到用户界面的美观性也可以增加 x w i n d o w 。 2 2 2 专家系统系统诊断流程图 至三茎童垫塞篁堡兰 图2 - 2 系统流程图 f i g u r e2 - 2f l o wc h a r to f t h ee x p e r ts y s t e m 1 5 广末工业大学工学硕士学位论文 第三章专家系统硬件选型 3 1 脉象检测部分 脉象检测部分设计有两种方法：第一，自行设计单片机完成脉搏信号的获 取、放大、滤波、a j i ) 转换、采样、存储、输出等功能。该方法可以根据需要 完善单片机功能，脉象检测部分功能可扩展性强。第二，采用市场上成熟的脉 象检测仪，开发周期短，缺点是部分功能可能无法符合要求，接口的兼容性也 存在一定问题。 本文所采用的脉象检测部分采用了其他同学根据系统需求设计的单片机。 性能、接口都能够符合要求。 3 1 1 脉象检测部分电路图 图3 一la d 转换电路图 f i g u r e3 - 1n dc o n v e r s i o nc i r c u i t 第三章专家系统硬件选型 u 9 p c 胃 鞠-8-t船in v c c 寻妻嚎 1 6c 3 2 _ _ 一学 i l 吐 9l u f 1 5 c 5 解 图3 2 串口通信电路图 f i g u r e3 - 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o nd r c u n 3 ，2 专家系统部分 3 2 1a 跚嵌入式单板机 u 5 t 功 r x d 嵌入式单板机选用旋极科技的s u p e r - a r m 嵌入式实验板。该实验板软件、 硬件、编译、调试、完美结合，资源丰富，功能齐全。模块化结构，a r m 7 a r m 9 兼容性设计，开放式扩展接口。 主要资源： ( 1 ) 核心板： a r m 7 内核( s 3 c 4 4 8 0 x ) ，主频6 6 m h z 8 m 旧s d r a m 2 m bn o r f l a s h 1 2 8 k r a m ( 2 )主板 r s 2 3 2 串行口 u s b d e v i c e 开放式扩展模块接口 i d e 硬盘接口 多功能i 0 扩展 i i s 音频输入输出 广东工业大学工学硕士学位论文 s d 卡 i i c 及串行e p r o m c p l d 可编程器件 以太网接口 j 1 i a g 调试接口 ( 3 )底板 数码管 矩阵键盘 v g a 接口 p s 2 键盘、鼠标 模数转换输入 3 2 2s u p e r - a r m 试验箱 图3 3s u p e r - a r m 试验箱实物图 f i g u r e3 - 3s u p e r - a r mc h a m b e rp i c t u r e 第四章嵌入式l i n u x 平台构建 第四章嵌入式l i n u x 平台构建 4 1 构建方法选择 嵌入式系统的商品化操作系统十分丰富，如p a l mo s 、v x w o r k s 、p s o s 、 n e c u l e u s 和w m d o w sc e 等。高端嵌入式系统要求许多高级的功能，但其价格 也相对昂贵，一般用户难以接受。微软的w m d o w sc e 也有此类功能，却不具 备大多数嵌入式系统要求的实时性能，而且难以移植。 l i n u x 为嵌入式系统提供了一个极有吸引力的选择，对于嵌入式系统而言， 性能、成本和可靠性是最至关重要的三个因素。首先，众多文献资料表明，l i n u x 是当前可获得的最简捷、最快速的操作系统，其性能优越之处，是把图形处理 为一个用户级的应用，图形可根据需要被选择是否运行。l i n u x 系统中存在适 度复杂的图形界面，但是它们并没有与操作系统的内核紧紧捆绑在一起，图形 界面可按需求关闭。这样就可以在l i n u x 内核上运行专门为嵌入式系统定制的 图形系统，从而获得优越的性能。其次，l i n u x 系统源代码完全公开，可以用 非常便宜的价格得到各种l i n u x 分发版，不必考虑许可成本，将用户从许可证 的限制中解脱出来，无需去为资金短缺而烦忧。l i n u x 能正常运行于内存缺乏， 容量紧张的系统中，减少在硬件升级上的开支。另外，在系统稳定性方面，l i n u x 几乎不崩溃，l i n u x 的稳定性是由于它没有像其它操作系统一样内核极其庞大。 考察资料表明，l i n u x 与其它u n i x 系统和大型操作系统如v m s 、m m 大型机 等一样具有相同的可靠性。在上述优势之外，l i n u x 还拥有众多硬件支持的特 点和强大的网络支持功能。正因为l i n u x 在价格、性能、稳定性以及用户定制 等方面的突出优势，用它来构建系统操作平台是一个很不错的解决方案。 一般构建嵌入式l i n u x 有三种选择： ( 1 ) 不依赖任何第三方的l i n u x 发行版本，全部手工下载源代码和补丁进 行编译，包括内核、运行库、g c c ，s h e l l ，g l i b c 等等，l f s ( l i n u xf r o ms 垃a t c h ) 项目对如何手工构建自己的l i n u x 有详细的文档和说明 ( h t t o ：h v w w 1 i n u x f r o m s c r a t c h o r o l f s ) ，文档也有中文的翻译版本 ( h t t o ：i f s 1 i n u x s i r o r o m a i n ) 。该方法需要对l i n u x 的整体结构、运行机制、操作系 1 9 广东工业大学工学硕士学位论文 统原理和内核等都要非常了解，由于有些应用程序的源代码需要打补丁，因此 对l m u x 的命令和脚本也有较高的要求。 ( 2 ) 选择某种l i n u x 的发行版本如r e d h a t 9 或者u c l i n u x 等l i n u x 作为构 建的基础，进行内核的裁减和修改，加载最小化的应用程序并移植响应的驱动。 该方法要求相对来说较低，因为l i n u x 的发行商已经对其版本进行了整合和优 化，所选用的组件的版本均是稳定和较新的版本( 如内核、b o o t l o a d c r ，g c c ， g e b c ，s h e l l 等) ，并提供了详细的说明文档和源代码，因此实现起来较容易。 ( 3 ) 目前市场上有多个商业化的嵌入式l i n u x 版本，如v x w o r k s ，m o n t a v i s t a 等等，系统构建简单，技术支持完备，但是需要支付较高的版权使用费用。在 商业项目的快速开发过程中可以考虑使用。 对比上述三种方法，选择构建第二种方法可以节省较多时间和精力，快速 构建合适的嵌入式l i n u x 运行环境。 4 2u c l i n u x 运行环境的建立 4 2 1 安装交叉编译环境 进入u c l i n u x 的安装目录，执行： 【m o t i o c a l h o s th o m e # s ha r m - e l f - t o o l s - x x x x s h 执行后在l u s t l o c a l b i n 路径下可以看到各种实用工具 【r o o t i o c a l h o s tu c l i n u x - d i s t # i sl u s t l o c a l b i n a r m - e l f - a d d r 2 1 i n e a