（电路与系统专业论文）远程无线心电监护系统的设计和实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随荷电0 ：信息技术的进步剃生活水平的提高，远程医疗、家庭保健等新型 医疗服务方式逐渐兴起，传统的以医院为中心的医疗模式正在向以家庭、卡t - i k 为中心的医疗模式转变。祚! 这种情况下，低成本、便携式、智能化的个人和家 j j 健康监护仪器钠广阔的市场需求。心电矧魁治疗心血管疚璃的主要依j ： i ；，本 文设计并实现了种具有灾i f 于智能诊断、无线数据传输功能的便携式心电监护 仪，并以此为例探讨建立种个人、家庭、社区、医院i j 【 个层次梢结合的网络 化医疗救助体系。具体的工作包括以下几方i f t i - 1 以$ 3 c 2 4 4 0 ( 糍于a r m 体系结构的3 2 位嵌入式微处理器) 和l i n u x 操作 系统为核心，设计和实现了便携式心电监护仪的硬件、软件架构。包括心电 聚集和预处理电路、嵌入式b o o t l o a d e r 、操作系统和义件系统的移植等，为 上层应川程序的运行准备好环境。 2 客户端软件的编写，主要包括c d m a 无线嘲络模块驱动程序和p p p 拨号脚 本、a d 转换驱动程序和数据的读耿、基于s o c k e t 的数据发送、l c d 屏幕 上实时波形的绘制和各种实时参数的显，j ：、短信报警功能，难点存_ = ： 二软件架 构怎样使符个功能模块能够协同工作。 3 心电数据的实时处理算法，主要完成检测和诊断两个功能。检测是指对读到 的数据进 j ：分析，提取出梢关的参数，包括瞬时心率、平均心率、r 波位筐、 r 波峰值、r r 间期、q r s 宽度等，供刚户和医生参考。诊断是指根据上述 参数耐异常倩号进行识别和分类，能够给出病变的类型。 4 监护中心服务器软件的编写。使j 。钉l i i l u x 环境fc 语言编写，作为守护- 进程 完成门j 户验征、接收数据、更新m y s q l 数据库、心电自动检测和诊断等功 能。采川多进程的方式处理并发的j _ j 户连接请求，还要设计具体的应川层数 撕传输协议，盘| | 数据包格式等等。 5 基于l a m p 架构的心电数据库管理系统，这是网络化医疗救助体系的重要 组成部分。内窖包括设计心电数搬的存储格式、设计m y s q l 数据袭及衷 问关系、w e b 方式的管理和食询系统，使j f ! jf l a s h 进 j ：心l 乜波，髟绘制、使 j t g o o g l em a p 结合g p s 数槲进行地弹化簧 7i 动标注。 综f 上述功能，移动心f 乜l 盛护仪可以存不限制使川析f ，| 1 1 1 忑劲的情况卜进 j 了，u 数捌采集和i 7 l 动诊断，使川者通过监j ：1 j 仪的显爪玎协1 1 , f 了解| ，l 已的健康 ? 队涉0 ：监j ；f j 仪通过c d m a 无线蚓络与医i 巯监护中心保j ：牛蛾系，| ，l 动报警刷g p s 定位功能确倮炳人行出现异常时能够第。l l r 问 hj ：k r a u i t 救助：医院j 监护中心提供的 摘要 w e b 服务使病人及其亲埘可以通过w e b 浏览器了解触康状况，务洵心f | = 【h 发病 历记录，并与医生确：线交流。可见，这个系统将构成1 ) q 位体的网络化医疗救 助体系。 关键词：实时监护；兀线传输：a r m l i n u x ：心电数槲库；g l o b a lp o s i t i o n s y s t e m ；医疗救助 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t w i t ht 1 1 e i m p r o v e m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dl i v i n g s t a n d a r d s ，t e l e m e d i c i n ea n df a m i l yh e a l t hc a r eh a v ee m e r g e da n dt r a d i t i o n a lh o s p i t a l - b a s e dm e d i c a l m o d e li st r a n s f o r m i n gt ot h ef a m i l ya n dc o m m u n i t y c e n t e r e dm o d e lo fh e a l t hc a r e i n t h i sc a s e , l o w c o s tp o r t a b l ea n di n t e l l i g e n tp e r s o n a la n df a m i l yh e a l t hm o n i t o r i n g d e v i c eh a sab r o a dm a r k e td e m a n d e c g ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ) i st h em a i nf o u n d a t i o n i na n g i o c a r d i o p a t h yd i g n o s i s t h i sp a p e ri m p l e m e n t s8p o r t a b l ee c g m o n i t o rw i t h r e a l t i m ea n t o d i a g o n i s i sa n dw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ，b a s e do nw h i c haf o u rl e v e l n e t w o f k b a s e dm e d i c a la s s i s t a n c es y s t e m c o m b i n e dw i t hi n d i v i d u a l ，f a m i l y , c o m l t l u n i t ya n dh o s p i t a li sd i s c u s s e d o u rw o r k c o n t a i n st h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t u r ed e s i g n t h eh e a r ti s $ 3 c 2 4 4 0m i c r o d r o c e s s o fa n d “n u xo p e r a t i n gs y s t e m w eh a v ed e s i g n e dt h ee c ga c q u i r i n gb o a r d ； b u i l de 1 b e d d e db o o t l o a d e r , o p e r a t i n gs y s t e ma n dn a n df l a s hf i l es y s t e m t h i ss e t su p e n v i r o n m e n tf o rt o pl a y e ra p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t 2 d e s i g no ft h ec l i e n ts o f t w a r e ，i n c l u d i n gc d m a w i r e l e s sm o d u l ed r i v e ra n d p p pd i a l i n gs c r i p t ，a dc o n v e r t o rd r i v e r , d a t at r a n s m i s s i o nb a s e do ns o c k e t ，t h e d i s p l a vo fr e a l t i m ew a v e f o r ma n dd y n a m i cp a r a m e t o ro nl c d ，s h o r tm e s s a g e a l a r m t h ed i f f i c u i ti ss o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，w h i c hm u s te l s u r et h ec o o p e r a t i o no fa l lt h e a b o v ef u n c t i o nm o d u l e s 3 r e a l t i m ee c gp r o c e s s i n ga l g o r i t h mt h a ta c c o m p l i s hd e t e c t i o na n dd i a g o n i s i s d e t e c t i o nm e a n sd a t aa n a l y s i sa n de x t r a c t i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hi n c l u d ei n s t a n t a n e o u s h e a r tr a t e ，a v e r a g eh e a r tr a t e ，r - w a v el o c a t i o n ，r w a v ea m p l i t u d e ，r ri n t e r v a l sa n d q r sw i d t h d i a g o n i s i sm e a n st h er e c o g n i z a t i o na n dc l a s s i c a t i o n o fu n u s u a ls i g n a l ， w h i c hc a np r o v i d et h en a m eo f d i s e a s ef o rr e f e r e n c ep u r p o s e 4 t h em o n i t o r i n gc e n t e rs e r v e rs o f t w a r e t h ecp r o g a mr u n sa sd a e m o np r o c e s s o nl i n u xh o s t i ti sr e s p o n s i b l ef o ru s e ra u t h e n t i c a t i o n ，r e v e i v i n gd a t a ，u p d a t em y s q l d a t a b a s e 。a u t o d e t e c t i o na n dd i a g o s i s m u l t i p r o c e s st e c h n o l o g yi su s e d t os e r v e r c o n c u n e t l tc o n n e c t i o n s a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la l s od e s i g n e d 5 t h ee c gd a t a b s em a n a g e m e n ts y s t e mb a s e d o nl a m pa r c h i t e c t u r e ，w i h c i hi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h en e t w o r k e dm e d i c a la s s i s t a n ts y s t e r n s t o r a g ef o r m a to f e c gd a t a ，m y s q ld a t at a b l ea n dt a b l er e l a t i o n s ，w e bp a g e sw i t h d i f f e r e n tu s e r d r i v l i e g ef o rq u e r ea n dm a n g e m e tw e r ed e s i g n e d t h ew a 、e f o m aw a sp l o t t e du s i n g u l a b s t r a c t i n t e r a c t i v ef l a s ha n dt h el o c a t i o nw a sm a r k e du s i n gg o o g l em a pa n dg p s l n f o r m a t i o n t os u mu p ，t h ee c gm o n i t o rc a nc o l l e c td a t aa n dd oa u t od i a g n o s i sw i t h o u t r e s t r i c t i n gf r e e d o mo ft h eu s e r , t h er e s u l t sa n ds u g g e s t i o n sa r es h o w no nt h es c r e e n t h em o n i t o rc o m m u n i c a t e sw i t hc e n t r a ls e r v e rt h r o u g hc d m aw i r e l e s sn e t w o r k ，a n d t h ea u t o m a t i ca l a r ma n dg p sl o c a t i o ne n s u r e st h ep a t i e n tg e ta s s i s t a n c ea tt h ef i r s t t i m e ，u s e r so ft h e i rr e l a t i v e sc a n1 0 0 ku pt h e i re c gi n f o r m a t i o nu s i n gw e bb r o w s e r a n dc o m m u n i c a t ew i t hd o c t o r so n l i n e k e yw o r d s ：r e a l - t i m em o n i t o r ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ；a r m - l i n u x ；e c g d a t a b a s e ，g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，m e d i c a la s s i s t a n c e i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：枷 签字 期：二鎏弓乙垃 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术人学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，刈以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 ， , j z 公j t口保密( 年) 作者签名：蒌j 丝k 签字日期：二些乒叫j l 第章绪沦 第一章绪论 1 1 目的和意义 人u 老龄化进程的j 【i 快，各种慢性疾病住中青年人群中的肆虐和衍生，人 们缝康意识和保健要求的卜i 益增强，所有这切都证在推动医疗模式从以症状 治疗为中心的模式l ，| j 以预防为主、早诊断、早治疗的模式转变。医疗仪器的发 胜也开始从复杂的、应用于医院的人型医疗设备，转向既适川于医院又适f j 于 家庭和个人的小型便携式、穿戴式、甚至是植入式装簧。同时，多媒体、移动 通信和因特网的迅速发腱为实现远程医疗提供了可靠的数拂传输技术支持。但 是j ：】于远程医疗的用户终端设备的发腱滞后，使得远程医疗难以在社区和家庭 中普及f 1 1 。 i i i 于j 二作压力人、生活节奏加快等原，心脏病成为种常见疚病，其发 病率和猝死率逐年升高。本文即以便携式无线心电监护设备为例，探讨建立。 种个人、家庭、社区、医院p q 个层次柏结合的医疗救助体系。移动心电监护仪 可以柞：不限制使j j 者妇l l j 活动的情况下进彳j ：心电数据采集和闩动诊断，使j f j 者 通过监护仪的显彳删随时了解自己的健康状况；监护仪通过c d m a 无线网络与 医院监护中心保持联系，自动报警和g p s 定位功能确保痫人在出现异常时能够 第f i 于问得到救助；医院监护中心提供的w 曲服务使病人及其亲属可以通过 w 曲浏览器了解健康状况，查询心电图及病历记录，并与医生在线交流。 可见，这个系统将构成 j q 位体的医疗救助体系；同时，高技术、低成本 的设计理念有助于减少对使川者生活方式的干扰，并降低医疗费j 1 1 。这个系统 旦建立起来，多生理参数如体渝、血糖、血压等等都可以通过扩胜设备功能 实观实h 寸监护。随着医疗制度改筚和医疗信息化的进腱，以及老龄人口的增加， 便携式、低成本、网络化的健康监护设备将有很人的社会需求。 近年米人规模流j 了性疾炳的袭击增强了人们的保健意识，为全方位社会医 疗保健服务带来了臣人的成长性市场需求。老年人是一个容易患病的特殊群体， 随着人口老龄化的加刷，他们埘医疗保健的需求将会急剧增j j u 。单纯的医院诊 治模式将会逐渐转变到医院、社区、家庭i | j 个人梢结f j 的模式，旆效、跨越时 空障碍的远程医疗保健服务模式将足缓解上述礼会f d 题的个订效途径。 1 2 国内外研究进展 一l = j ，越米越多的研究机构开始致力j 二穿戴式队疗仪器的f j f 发。这类仪器 做成衣服或汀饰的样f ， f i 是具仃生理信t 。ri ：。、。i , i 忡1 处躞、数摊 传输等琏本功能 第帝绪沦 模块。它所涉及的j ：要研究方向包括：川j 二生理参数无创连续监测的传感器i 殳 计、躯域传感网络、实时无线传输等【2 。 拍：便携式心电监护仪方l f f ，目前1 1 ，场上的心电监护设备，主要是称为 h o l t e r 的动态心电监护和分析系统。这类改备把数据存储在本机，经过段时 问的采集，病人把设备送到医院，医4 i 再把数撕导入到电脑上进 j ：分析。h o l t e r 的缺点在于缺乏实时性，在发生紧急情况时病人无法得到及时的救助；而n 使 ，l ；| 不方便，病人必须每天把设备送到医院进i r 处理。 为了突破h o l t e r 存确：的时问和空间限； j | j 美酬、澳人利e 和欧洲些豳家 进行了远程监护的研究，部分公矧还推出了相应的监护仪。幽内i i 三有部分高校 和研究t 址位进行了相应的研究：l 二作，取得了一定成果。比如美i j 寸麻省理工学院 电子工程与计算机科学系为了获得连续的生理信号，设计了个能够长f i j 问不 问断采集心电数据的系统，该系统在客户端没有分析、显么助能，诒：服务器端 使j w e b 界| f ：l f 结合c g i 脚本控制数据采集、实时分析，以s v g 矢量陶的方式 显j j j 心电波形 3 。欧洲的s z e g e d 人学为n o k i an 8 0 0 智能手机开发了心电检测 模块，把e c g 采集和检测的助能集成在手机上，更方便川户使用【4 】。 清华人学深圳研究生院开发了种远程心电实时监护终端，该设备使用 m i n i g u i 作为嵌入式劁肜f h 户界，具有界l f 玎友好、操作简蕾的优点 5 】。复旦 人学电子： 程系提出了一种通过g p r s 网络实时连续发送e c g 信号的方法【6 】， 他们对t c p 和u d p 两种传输层盼议进j 了了对比，在数拊报级别上实现了前向 麓错检测算法，已保证接收到的数据准确无误，该方法同时具有低功耗的特点。 近几年关于这方丽研究的颂! 士和i 博士论义也越米越多，限二j ：篇幅这罩仅列出两 篇作为匀例 7 【8 。这些论文中有的研究了心电检测和诊断算法的实时性实现， 有的研究了系统软硬件整体方案的改计，莘r 的介绍了某部分功能的具体模块 开发及优化，等等。 1 3 系统概述 传统的h o h e r 监护仪虽然可以连续记录2 4d , n j 心电活动的全过程，甚至还 能记采动态血压、动态睡眠呼吸镩多种参数，但是它是甲澎【工作的，刁i 能与医 院的监护中心保持实时的联系。近几年米，基于g p r s 或c d m a 无线例络的远 秘灾时心电监护设符成为研究的热点【9 】。仍是现午r 的研究人都只涉及终端改备， 一个充整、实川的健康监护系统还需要监抄- 中心服务器软件的支持，以及辅人 家庭用j 社区的有效参与，卜台。我们准备拍：啤粟众长的礁石i j ；上，设计个个人、 家庭、社区、医院i j q 位体的系统。这个系统主要包括便携式心 乜监护仪、医 院监护中心服务器、荩- t 二w e b 的仃线监护和数槲墙：符理系统等i 部分，其体系 第一审绪论 结构囊阿ij 所4 ；。 便携式心电监护仪在外胱上如手机人小，忠者- 叮以随身携带，它蜜l 峙采集 f l 吩析用户的e c g 数i ! 寅时接收g p s p 星的定似数抛，对通过c d m a 移 动通汛网络茬送到医院监护中心服务器。医院监扩中心服务器对接收到的e c g 数槲、g p s 定位数据进行自动分析与诊断，写入数槲库，如有异常则发出报警 信息，并在电子地| 錾f 上标注病人所铂：位踅。医! l o 。作站使j 1 jw e b 浏览器文时监 视病人的心电数据和自动诊断结果，并可| 三【随1 1 寸将矗己的诊断意见、医嘱信息 发进给中心服务器和心电监护仪。对外的w e b 服务使粕人及掉亲懈凭帐号登录 后可以查询心屯 ! 及病历记录，并与医生在线交流。 弦 筏一，：，4 圈l 1 远程心电监护系耋i e 结构示意图 系统整体上分为硬件和软件两都分。硬件包括心电采懿和预处理电路、 a r m 最小系绩板。个嵌入式l 过u x 系统从软件的角度看通常可分为四个层次 引导加载程序( b o o t l o a d e ! r ) 、l i n u x 内核( 嵌入式板子的定制内核以及内核的启 动参数) 、文件系统( 包括根文件系统和建立十f l a s h 内存设番之上文件系统) 用户应】 程序( 特定十用户的应玎】程序。有h 4 在j f | 户应月】程序和内核层之间可能 j 丕会包括一个嵌入式图形用户抖i 酊) 。软件部分近包插服务器端程序c 本文的内容壶排女下：第璋介绍系统的硬件设计；第三章介绍瞅入式系 统的底层软件的设计和移植，包括b o o d o a d e r 挫计、l i n u x 内拨移植、义件系统 捌戈的驱动程序；第f q 露介绍嵌入式l i m l x 下j m 过c d m a 无线| 叫络接入h 联| 圊 的方法：第五章介绍心电实时检测和跨断杯泄、 并；六驻介绍客户端j 1 】户应用程 序的醴计：第一h 章介绍瑕务器端程序的设计，帛j 肇卜w e b 的心电数槲库管理 系统的设计：第八卓总结和眨型， = 结束仝z ， 庐 m ，i岿吣一 第二j 喾便携心l 乜监扩，仪的雠f i | 设 j 第二章便携式心电监护仪的硬件设计 监护仪的硬件设计采用小体积、低功耗的设计思想，包括心电采集和颁处 理电路、a r m 最小系统、c d m a 无线刚络、电源等几个模块，其结构如罔2 1 所示。 l c d 久 l ： 溺n 垒堕盎 s 3 c 2 电 一；o a 嚣c o m a o 。彰 f 毡g 蕃骥竣 7 l i n u x 最小螽绕t 乡笔曩块 j 毛 譬骶 t 抒纰嚣 i l 段“0 嫂i然jr 1 名：0 ； ： 图2 1 监护仪硬件体系结构图 2 1 心电数据采集和调理模块 体表心电信号是一种微弱、低频的电压信号，其主要的频率成分集中在 o 0 5 1 0 0 h z ，幅度为1 0 u v 4 m v ( 典型值为l m v ) 。人体生理信号的测量条 件相当复杂，主要受包括肌电信号、呼吸波信号，脑电信号等体内于扰信号和 以5 0 h z 工频干扰为主的体外电磁场干扰信譬的影响，m 时还往往存柏，“定的 基线漂移。凶此，_ 女l l 何能有效地抑制各种干扰将成为心电数据采集系统设计成 功与否的关键。 我们设计的系统结构如矧所爪，前茂放人器具有很格的共模抑制比，腿 驱动电路可以较好的抑制工频干扰。通过0 0 5 1 0 0 h z 的带通电路较好的保存了 心电信号并抑制了基线漂移。5 0 h z 陷波电路采川双t 陷波可以将5 0 h z 信号降 为原来l o 。最后通过j ：级放人将心电信譬提i 协到原始信号的7 5 0 倩左n ，为 满足a d 转换器的电压范围，使 f j f 乜j f 抬歼电路将心电信号提乃为j f 信号送入 a d 转换器。 第一： 茸他携心l u 雌拶t 仪的硬f ，l ：设 图2 2 心电采集和调理电路结构图 前滔：放人和彳i 腿驱动电路：根据心电信号的特点，前置放人电路要具备，：哥 输入阻抗、商共模抑制比、低噪卢、放人倍数在1 0 0 以上j 1 保持筒稳定性。我 们使川美na n a l o gd e v i c e 公司的a d 6 2 0 模拟放人芯片。a d 6 2 0 构成差分放人 器，其输入阻抗为1 0 g d ，共模抑制比c m r r 9 3 d b ，噪声电压0 2 8 1 1v 。可见 其具有高输入阻抗、岛共摸抑书0 比、低噪，箝的特点，完全可满足心电放人器的 要求。通过对a d 6 2 0 外接增益调整电阻可方便地改变增益，我们系统中设计增 益为1 4 侪。 为了进一步减小共模干扰埘心电信号的影响，在电路中利”ja d 6 2 0 取出共 模电压，f ja d 7 5 0 等构成反馈驱动电路，将共模信号反馈剑人体和导联线的屏 蔽层。反馈到人体采用了彳i 腿驱动电路，对皮肤电极阻抗不张等而引起的电压 分配效应产生的电流干扰进f j ：了有效的抑制。 滤波电路： 二知人体心电信弓频率人约为o 0 5 h z l o o h z ，凶此设计截 止频率为1 0 0 h z 的低通滤波器和截止频率为0 0 5 h z 的高通滤波器。在常 j 的几 种滤波器中，巴特沃思滤波嚣z f ：通频带内最为平地，并儿甲调变化，但它的缺 点是衰减较为缓慢，这点可以考虑) j ij 人阶数来提高衰减速度，在这晕我们取4 阶。增益为2 5 ，3 d b 截止频率为9 6 7 h z ，可以满足要求。 陷波电路和_ ：次放人：为了减少5 0 h z 工频干扰，系统中采用_ 无源双t 嘲 络陷波电路。该陷波们4 t l l l f l f - i 质闪数一i ：l ： ：过高，以免引起心电信号的切迹。 f 乜平捉升f i l 路：a d 转换器的输入电压范俐足o 3 3 v 。人的心电h 。 的负 电压很小幅值般小j ：0 5 m v ，放人7 0 0 倍后也， i 有o 3 5 v ，通过j j i i _ lo 5 v 町 以将j e 挺升为j f i u 压，满足a d 的输入电压要求。t 乜蹄中和：o 5 vf ” 提升i u 路 后添j j 【| 了3 3 v 的稳曩i 镑，咀傈址a d _ i r - t m v l l , 上, - 作。 通过：波器则察，波肜如。卜图所卅i 第：章便携j 匕心t l ! 盼移1 f “r j f i e f “t 改 l 扒儿少熊一一 日11 0 0 m h z 筒 探头 , o l t a q e 反相 圈 m2 5 0 m 5c h l ，0 0 0 vc h l2 0 0 m y 图2 3 示波器显示的心电波形 c h l 耦台 豳 带宽限制 嚣1 0 0 n h z 优格 园圃 探头 1 x v o l t a g e 反相 锄 m1 0 0 i t i sc h i o 0 0 v 1 - a p r - 0 s1 7 ：5 2 1 0 h z 2 2a r m 最小系统模块 所谓a r m 最小系统模块，就是指以a r m 处理器为中心构成的微型计算机 系统，这部分目前还没有独立设计，而是使玎开发板进行实验。开发板型号为 o k 2 4 4 0 ，使j f 】主频为4 0 0 m h z 的三星$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器，扳上还有6 4 m 的 s d r a m 和6 4 m 字节的n a n df l a s h 存储器，使j f 】3 5 英寸触摸劈# 作为显示没备。 $ 3 c 2 4 4 0 a 是三星公司的3 2 位基于a r m 9 2 0 t 内核的处理器，片内提供l c d 控 制器和n a n df l a s h 控制器：内鬣8 通道l o 位a d 转换器，可以血接将结果凋理 的模拟心电信号转换为数字信号：含有m m u ( 内存管理瞥元) ，凶此适合于 运行l i n u x 操作系统。 2 3c d m a 无线网络模块和g p s 接收模块 c d m a 网络具有传输速率离( 最高理论带宽可达剑2 3 0 4 k b s ) 、基站覆盏 范围广、价格合理等优点。我们使用了b e l l w a v e 公司的b c m 8 6 0c d m a 模块， 通过串口与处理器相连接，该模块出口的波特率可以达到2 3 0 4 0 0 ，凶此在传输 数抓时可以允分利j c d m a 网络的带宽。拍：使j f j 时，通过程序i 柚t l 口发送a t 指令来控制b c m 8 6 0 模块的工作，i l z l i 进i j ：p p p 拨号和发送短倍都有确定的 a t 指令，可以赍阅模块手册获得指令的格式。 采川台湾环入公司的e m 4 1 l 型0g p s + l i 厦接收模块，价格便。良，j 佰n 灵 敏度完全满足要求。通过串l 与微处理器进jj ：通信。 第ji 常嵌入l = 系统底j 三：软f i ：f j ：j 改i 第三章嵌入式系统底层软件的设计 3 i 嵌入式系统启动加载器的设计 3 1 1 启动加载器设计思想概述 b o o t l o a d e r 是嵌入式系统加电后运j r 的第段代码，它为操作系统内核准 备好j 卜确的环境。通常b o o t l o a d e r 的实现跟俘延件息息槲关，刚此我们针对f 1 己 的硬件环境编写了启动加载代码，并命名为s - b o o t 。它对t c p 口协议栈塔量简 化，只实现了a r p 、i c m p 、u d p 、t f t p 等必须的网络协议，能够通过网卡下 载l i n u x 内核映像和根义件系统映像；实现了n a n df l a s h 的分区私i 烧写算法， 能够把l i n u x 内核和根义件系统映像烧写到n a n df l a s h 的相应分区中：能够粗i 载内核和传递疋i 动参数，以难确j l ：= ；动l i n u x 操作系统。t c p i p 协议栈的设计采 用静态数组，避免网络不i 司协议层之问的数据拷贝。 狰：$ 3 c 2 4 4 0 a 的内部有4 k b 的r a m 缓存，称为s t e p p i n gs t o n e ，总是映射 到地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处。硬件加电后会自动将n a n df l a s h 中的前4 k b 的数据拷 贝到s t e p p i n gs t o n e 中，然后从地址0 x 0 处开始运行 1 0 】。硬件加电后运行的第 段代码就是b o o t l o a d e r ，如果b o o t l o a d e r 代码足够小( 小于4 k b ) 的话，那 只在s t e p p i n gs t o n e 中运行，加载l i n u x 内核到内行即可。但通常b o o t l o a d e r 会 包含更复杂的功能，如支持网络下载、支持烧写内核和义件系统等，这样代码 肯定会人f4 k b 。所以我们把s - b o o t 设计成两部分，第一+ 部分小于4 k b ，它的 作用是把4 k b 之后的代码拷贝到s d r a m 中，并跳转到s d 洲中执行，即加 载b o o t l o a d e r 本身；第：部分的代罾5 放在4 k b 之后，被拷贝到s d r a m 中执行， 它可以包含加载内核及其它任何复杂的功能。 基j 二上述分析，我们设计的s - b o o t 分为s m g e l 和s t a g e 2 两部分。依赖j 二 c p u 体系结构的代码，比如发备初始化代码等，都放在s t a g e l 中，而 1 通常 青l ；i i j ： i z 编语言米实现，以达到短小精悍的蹦的。而s t a g e 2 则通常j i jc 语苦米 实现，这样可以实现给复杂的功能，瓶盟代i ，- 3 会具有更好的可读性和可移植性。 s t a g e l 包括以下步骤( 以执干j ：的先后j 顺序) ：硬件设备初始化；为加载 b o o t i o a d e r 的s t a g e 2 准备r a m 空间；拷贝s t a g e 2 的代码剑r a m 空问中；设 簧好堆栈：跳转到s t a g e 2 的c 入l j 点， s t a g e 2 包括以下步骡( 以执j j ：的先j 神鲫n ：仞f 【f j 化本阶段要使川到的馊件 改签：枪测系统内存映9 4 ( m e m o r ym a p ) ；将k e r n e l 映像和根义件系统映像从 f l a s h 上读剑r a m 空问t j ；为；勾核改战朋动参数：调用内核。另外，力l l 入 第帝嵌入式系统底坯软件的没i t c p i p 队议栈实班t f t p 刚络i 、载功能，丈脱f l a s h 分区硐i 烧写内核及丈件系 统的功能。 3 1 2n a n df l a s h 的读写 有两个地方需要涉及n a n df l a s h 的读写。系统丘 动后，b o o t l o a d e r 的第 阶段程序要把第一：阶段的代再吗从n a n d 拷叭到内存中，这罩需要对n a n d 的读操作，因此对n a n d 的初始化和读操作要确：第。阶段写好。b o o t l o a d e r 运 行起来，烧写内核和文件系统时，需要对n a n d 的擦出和写操作，这部分涉及 到e c c 校验方式、坏块检测、文件系统格式等内容。 以开发板上使j j 的k 9 f 1 2 0 8 为例，每个页( p a g e ) 为5 1 2 b y t e 数据和 1 6 b y t e 校验，每个块( b l o c k ) 为3 2 个页，即1 6 k b y t e 数簇蓦和5 1 2 b y t e 校验 1 0 】。 1 2 e kp a g e s = 4 0 9 6b l o c k s ) 1b l o c k = 3 2 p a g e s 1 6 k 5 1 2 ) b y t e 1 p a g e = 5 2 8b y t e s 1b l o c k = 5 2 8 8x3 2 p a g e s = 1 1 6 k 5 1 2 ) b y t e s 1d e v i c e = 5 2 e bx3 2 p a , t e sx4 0 9 6b l o c k s = 5 2 8 m b i t s 5 1 2b y t e s 1 6b y t e s 嘲3 1k 9 f 1 2 0 8 的存储阵列组织 写操作流程：写入操作以贞( 5 1 2 b y t e ) 为謦位，写入必须在擦除之后，否 则写入将出错。页的：7 ；入包括3 个步骤：写入串行数据输入指令( o x 8 0 ) ，写 入4 个宁节的地址，最后 j 彳r 写入数搬。串行写入的数按：最多为5 2 8 b y t e ，它 们苗先被。! j 入器件内的页寄存器，接着进入个内期：的写入程序，将数钳从贞 寄存器写入存储瞥元。串行数据写入究成后，需要写入“页写入确认”指令 0 x l o ，这条指令将初始化器件内部的写入操作。o xj o 写入之后，n a n df l a s h 的 内部1 甜牵制器将f 1 动执jj ：内部：弓入和拨验- i 必要的算法和时序，这时系统控制 器就可以进： j ：，i e 它操作了。内f ：f | ；? j 入做开始屑，期间产i 动进入“读状态寄仔器” 模式。在这种模式下，二j 1r e 和c e 为低电平时，系统就可以读取状态寄存器。 系统可以通过检洲r b 的输出，或读l ) ( 状态镥：存器的状态能( 1 0 6 ) 米判断内 部写入足台结束。! _ 贝：r ；入操作完成后，要检测写状态化( 1 0 0 ) ，削断怂翟p ； o 第一三章嵌入文系统底层软什的改i 入成助。 擦除操作：擦除操作是以块( 1 6 k b y t e ) 为甲位进i r 的，擦除的 = ：；动指令足 0 x 6 0 ，随后的3 个时钟周期赵块地址，足中只- 彳j a 1 4 到a 2 5 是有效的，i 向a 9 到a 1 3 是可以忽略的。块地址之厉是擦除确认指令0 x d 0 ，川米开始内部的擦 除操作。器件检测到擦除确认指令后，在w e 的上升沿脑动内部写控制器，开 始执行擦除年1 i 擦除校验。内部擦除操作完成后，应该检测写状态位( 1 0 0 ) ，从 而了解擦除操作是否成功完成。 读操作：读操作也是以页( 5 1 2 b y t e ) 为甲位进行的。在初始上电时，器件 进入缺省的“读方式l 模式”。在这。模式下，页读操作通过将0 x 0 0 写入指令 寄存器，接着：写入3 个地址( 1 个列地址和2 个行地址) 米启动。旦贞读指 令被器件锁存，下晰的贞读操作就不需要再重复写入贞读指令了。写入页读指 令和地i l ：后，处理器可以通过对信号线r b 的分析来削断页读操作是否究成。 如果信号为低电平，表示器僻：证忙；如果俯号为商电平，表硝：器 ：内部操作完 成，要读取的数据被送入了数据寄存器。外翻：控制器可以再以5 0 n s 为周期的连 续r e 脉冲信号的控制下，从l o 口依次读出数据。连续页读操作中，输出的数 据是从指定的列地址开始，直到该贞最后一个列地址的数据为- i l 。 f o r ( i = s t a n - a d d r ；i ( s t a r t _ a d d r + s i z e ) ；) n f c m m d = 0 ：发出r e a d o 命令 s 3 c 2 4 4 0 _ w r i t e a d d r ( i ) ； w r i t ea d d r e s s s 3 c 2 4 4 0w a i ti d l e ( ) ：循环螽询n f s t a t 位0 ，直到它等于l f o r 0 = 0 ；j n a n d _ s e c t o r _ s i z e ；j h ，i + + ) * b u f = ( u n s i g n e dc h a r ) n f d a t a ； b u f h ： 页读方式2 ：备川区域的从5 1 2 到5 2 7 地址的数据，可以通过读方式2 指 令进行读耿。地址a 0 a 3 没置了备厂订区域的起始地划：，a 4 一a 7 被忽略掉。 读器件的i d 号：n a n df l a s h 器件具柯个产品鉴定识别码( i d ) ，系统控 制器可以读出这个i d ，从而起剑识别器件的作川。读i d 的步骤是：写入0 x 9 0 指令，然后写入一个地址0 x 0 0 。相! 两个涣j 蹦；盯f ，j + 酾代石j 5 和器件代弘- 5 将破连 续输f j 至1 0l 。川 i ，旦进入这种命令模式，器件将保持这种命令状态。直 到接收剑j 它的指令为l i ：。读： ： 仆i d 的时序和源代| i f 5 如f ： n a n df l a s h 的操作通过n f c o n f 、n f c m d 、a d d r 、n f d a a 、 n f s t a t 剃n f e c c 六个寄存裕术完成。神：$ 3 c 2 4 4 0 a 数据手册第2 1 8 贞州以彳亍 第一i 市嵌入武系统底层软件的设； 剑读写n a n df l a s h 的操作时j f ：1 迎过n f c o n f 寄存器配谶n a n df l a s h ；2 写 n a n df l a s h 命令到n f c m d 寄存器：3 写n a n df l a s h 地址到n f a d d r 寄存器； 4 在读，；数据时，通过n f s t a t 寄存器获掰n a n df l a s h 的状态信息。应该存读 操作前或写操作后检奁r n b 信r z 彳 l ( r e a d y b u s y 信了f1 ) 。 3