（生物医学工程专业论文）基于无线局域网的医疗监护终端的研制.pdf

硕士学位论文 基于无线局域网的医疗监护终端的研制 硕士研究生：杨安康 指导教师：李伟鹏 摘要 随着医疗事业的发展，医院各项检查数据繁多，也越来越依靠计 算机网络进行数据传输，通常情况下需要通过有线网络实现计算机中 心与各科室或病房的检测终端的互连，这就带来了布线困难、移动不 方便等困难，而无线网络作为现有的1 0 0 m 以太网络的延伸，可以和 有线网络无缝连接，使各种检测设备更有效率的使用。 无线网络技术的逐步成熟，无线数据相关应用已经成为当前的应 用热点，特别是对于一些场所不固定的应用场合，由于有线网络的架 设受到种种条件的限制，采用基于无线网络技术的设备具有无可比拟 的优势。同时，以a r m 为代表的嵌入式3 2 位微处理器技术得到飞 速发展，无论是在功耗、便携性还是在硬件成本上，许多高性能的芯 片已经与单片机相差无几。因此在许多工业应用设计中，使用a r m 芯片取代以往的8 1 6 位单片机是一种经济、理想的选择。 为了让病人在病房或者社区中能够自由移动，不受有线网络的束 缚，同时又能达到实时监控病人生理信号的目的，文章阐述了以 s 3 c 2 4 1 0 微处理器为硬件基础的无线医疗监护终端的设计和实现过 中文摘要 程。其中主要内容包括终端软硬件资源的介绍、心电采集电路的设计、 嵌入式开发环境的建立、嵌入式l i n u x 操作系统的裁减和移植、 q t e m b e d d e d 图形用户界面、相关底层驱动程序的编写以及应用程序 的实现和移植。实际结果表明终端设备可以实现病人生理信号的实时 监护，并可以将信号传送至远端的计算机中心。此外实现了其他一些 功能，如病人信息的查询和医学图片浏览等，扩展了终端设备的使用 范围。也表明了基于无线通信技术和嵌入式开发技术在医疗事业的实 际应用中能够推动医院在信息化、智能化方面的进步，应用前景十分 广泛。 关键词嵌入式系统无线网络实时监控q t l i n u xs 3 e 2 410 a 硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o ft e l e m e d i c a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n t b a s e do nw i r e l e s sl o c a ln e t w o r k n a m e ：y a n ga n k a n g s u p e r v i s o r ：l iw e i p e n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e d i c a l ，t h ev a r i o u sc h e c k e dd a t ao ft h ep a t i e n t si s b u l k y , a n di n c r e a s i n g l yd e p e n d e n to nc o m p u t e rn e t w o r k s h o s p i t a l sh a v et h e i ro w n c o m p u t e rc e n t e ra n di t c a nc o n n e c tw i ma l ld e t e c t i o n si ne v e r yd e p a r t m e n ta n d w a r d a n dt h ew i r e l e s sn e t w o r ka st h ee x i s t i n g10 0 me t h e m e te x t e n s i o nc a nc o n n e c t s e a m l e s s l yt ot h ec a b l en e t w o r k , w h i c hm a k eav a r i e t yo fm o n i t o r i n ge q u i p m e n ti n d e p a r t m e n t su s em o r ec o n v e n i e n ta n dm o r ee f f i c i e n t w i t ht h eg r a d u a lm a t u r i t yo fw i r e l e s sl o c a ln e t w o r kt e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o n s r e l a t e do nw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o na t t a c hm o r ea t t e n t i o n p a r t i c u l a r l yf o rs o m e a p p l i c a t i o n sw h i c hh a sn o tf i x e dp l a c e ，b e c a u s et h ew i r e dn e tw o r ki sl i m i t e db y v a r i o u sc o n d i t i o n s m e a n w h i l e ，t h ee m b e d d e d3 2 - b i t sm i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g y w h i c hi sr e p r e s e n t a t i v e 、 ，i t ha r mc h i ph a sd e v e l o p e dr a p i d l y w h a t e v e ri np o w e r c o n s u m p t i o na n dp o r t a b i l i t y , o rt h ec o s to fh a r d w a r e ，m a n yh i g l l p e r f o r m a n c ea r m c h i p sa l m o s tt h es a m ea sm i c r oc o n t r o l l e rc h i p u s i n ga r mc h i p st or e p l a c et h e mi sa v e r ye c o n o m i c a la n di d e a lc h o i c e f o rt h ep u r p o s et h a tt h ep a t i e n tc a nm o v ef r e e l yi nt h ew a r do rt h ec o m m u n i t y w i t h o u tt h es h a c k l e so fc a b l en e t w o r k s ，w h i l et h em a c h i n ec a nr e a l t i m em o n i t o rt h e p a t i e n t sp h y s i o l o g i c a ls i g n a l t h ea r t i c l es h o w st h a th o wt od e s i g nt h eh a n d - h e l d p h y s i o l o g i c a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n tb a s e do nl i n u xa n d $ 3 c 2 4 10b yu s i i 玛e m b e d d e d s y s t e md e v e l o p i n gt e c h n o l o g y t h ec o n c r e t ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w ：l i n u xo p e r a t i n g a b s t r a c t s y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n , t e r m i n a ld e s c r i p t i o ne c ga c q u i s i t i o nc i r c u i td e s i g n , d e v i c e d r i v e r r e a l i z a t i o ni nb u t t o m - l e v e l ，d a t a b a s ep r o g r a m m i n g ，d a t at r a n s m i s s i o nb y s o c k e t p r o g r a m m i n g a n d g r a p h i c u s e r i n t e r f a c e ( g u i ) d e s i g n i n g b a s e do n q t e m b e d d e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h eo p e r a t i n gs y s t e mi ss t a b l e ，a sw e l la sd e v i c e d r i v e ra n da p p l i c a t i o n s ，a n dt h es y s t e mt a i la c h i e v ea c c u r a t er e a l - t i m em o n i t o r i n g p h y s i o l o g i c a ls i g n a l so ft h ep a t i e n t , a n da d dt h ep a t i e n ti n f o r m a t i o ni n q u i r yf u n c t i o n t h i ss h o w st h a tt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n so fm e d i c a le q u i p m e n tb a s e do nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yc a np r o m o t et h e c a p a b i l i t yo f i n f o r m a t i o na n di n t e l l i g e n c ea d v a n c e si nh o s p i t a l k e y w o r d se m b e d e ds y s t e m ；w i r e l e s sn e t w o r k ；r e a l - t i m em o n i t o r i n g ；q tl i n u x ； s 3 c 2 4 1 0 a 摘要i a b s t ra c t i 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 系统的实现2 1 3 本文的主要工作3 第二章软硬件资源概述5 2 1 嵌入式系统的介绍5 2 2 无线局域网技术8 2 3 $ 3 c 2 4 1 0 a 9 2 4q t 的介绍1 0 第三章硬件设计1 2 3 1 生理数据采集模块。1 2 3 2u s b 无线网络模块1 4 3 3 核心处理器的硬件电路。l5 第四章开发环境的建立1 9 4 1 嵌入式系统开发概述1 9 4 2 宿主机端开发环境的建立一1 9 4 3 嵌入式l i n u x 系统的移植和开发2 0 4 4q t 的移植。2 6 第五章嵌入式l i n u x 设备驱动程序的开发。2 9 目录 5 1 设备驱动程序的工作原理2 9 5 2l i n u x 驱动程序相关的数据结构3 0 5 3 驱动程序的编写。3 0 5 4 串口驱动介绍一3 1 5 5a d 驱动程序3 3 5 6u s b 无线网卡驱动3 4 5 7 触摸屏驱动3 8 第六章应用程序的实现和移植。4 6 6 1 实时监控显示功能4 6 6 2 查询终端功能的实现。5 1 6 3 移植应用程序到开发板上5 5 总结和展望5 7 参考文献5 8 附录。6 0 致谢。6 2 学位论文原创性声明6 3 2 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 嵌入式便携监护终端的发展概述 随着现代医学的不断发展，作为各级医院基本设备配置的监护仪正被广泛 应用于医院的i c u 、c c u 、麻醉手术室及各临床科室，特别是它可向医护人员 提供病人生命体征的重要信息。利用这些信息，临床医生能更好地分析患者的 病情，从而采取适当的治疗措施，获得最佳的治疗效果，因此监护仪的作用越 来越受到重视。 随着通讯网络的快速发展，单台监护仪监测病人，已经不能满足大量病人 信息的处理和监测，通过中央网络信息系统，将医院多台监护仪联网，可以提 高工作效率。特别是在夜间，工作人员较少的情况下，也能同时监测多个病人， 通过智能分析报警，使每个病人都能得到及时的监护和治疗。中央监护系统通 过与医院网络系统联网，将医院其他科室病人的相关资料进行汇总存储，使得 病人在医院的所有检查、病情等资料都能存储到中央信息系统，便于更好的对 病人进行诊断和治疗。 目前，监护仪的发展非常迅速，展望监护仪未来的发展趋势，监护仪本身 的监护功能只是众多功能的一个方面，更希望通过远程会诊，将病人的信息资 料快速传递，使专家的诊断和治疗建议，更快、更准确地反馈到疑难病人的治 疗中，使病人尽快地康复。 1 1 2 无线通信技术在医疗领域的应用 最近几年，无线通信技术在国内外医疗市场得到了广泛的应用，无线医疗设 备应用迅速增长曾有报告指出，欧洲的无线医疗设备销售额将从2 0 0 3 年的9 8 0 0 万美元增加到2 0 0 8 年的4 4 5 8 亿美元，主要原因是医护人员希望改善工作流程， 提高生产力和改善病人的满意度，还有增加新的应用如电子病历，临床疗法决定 第一章绪论 等美国2 0 0 3 年的医疗w i f i ( w t r e l e s sf i d e l i t y , 无线保真) 市场达到4 9 5 亿美元， 这包括晰f i 设备、w i f i 网络、系统集成、医疗监视、控制和优化等，并且这个 市场正在快速增长中【2 】。 随着无线通信技术的不断发展，其在医疗领域的应用也越来越广泛，几乎 涉及整个医疗系统的各个细节，而主要在以下几个方面：跟踪治疗、移动观察、 患者数据管理、药库管理、病区查房、床边护理、护理监护等。 经济的发展和技术的进步使得人们对于医疗服务质量的要求越赖越高，希 望随时随地获得专家的服务，服务的内容也不断扩展。为了应对这种转变，基于无 线通信的医疗系统的研究在近年得到了快速发展，其在医疗领域的应用也越来 越广泛。无线通信的医疗系统是未来医疗发展的必然趋势。 1 2 系统的实现 针对这种情况，本文提出了利用嵌入式系统技术和无线局域网络技术提出 便携式生理信号监护设备终端的设计方案，用来远程监护病患的各种实时生理 信号，以期达到远程监护、远程诊断和及时提出治疗建议的方案，并实现了病 患移动监护终端的设计。实验结果表明，病患手持监护终端可以对诸如脉搏信 号这样常见的医学信号的实时监护，并且可以通过无线网络传输到服务器端。 系统的总体框架图见下页。 2 硕士学位论文 1 2 1 系统的结构图 1 3 本文的主要工作 在远程医疗蓬勃开展的情况下，病患数据无线传输是未来监护终端的主流 业务方向。而技术上移动通信与嵌入式结合，应用上无线数据传输业务与医疗 领域的结合也是今后医疗器械行业研究的方向和热点。 3 第一章绪论 本文是在研究生阶段所学知识积累的基础上，针对医疗卫生领域对移动数 据传输的需求，结合前沿的移动通信技术，互联网技术和嵌入式系统技术而设 计的全新的病患信号监护终端。全文共分六个章节，具体内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了项目研究的背景、现状以及给出了系统总体设 计方案和框架图。 第二章对系统所用到的包括无线局域网技术、核心处理器、终端操作系统 以及图形用户界面等软硬件资源进行详细的阐述和说明。 第三章论述了各种硬件模块的设计，详细介绍了如心电信号采集电路的设 计，嵌入式a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，并对周围电路进行了介绍。 第四章研究和设计了系统软件，包括嵌入式开发环境的建立、启动引导程 序和操作下的移植、根文件系统的制作、嵌入式图形用户界面的移植。 第五章重点阐述了一些主要设备的驱动程序的编写以及移植工作，总结了 l i n u x 设备驱动程序开发的基本方法和结构。 第六章针对具体应用如实时监护病患生理信号和查询功能进行了应用程序 的设计。 第七章总结了本论文的研究工作及需要改进的地方。 附录部分介绍了嵌入式开发中一些常用工具的配置方法。 4 硕士学位论文 第二章软硬件资源概述 2 1 嵌入式系统的介绍 2 1 1 嵌入式系统的概念 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制，监视 或者辅助设备，机器和车间运行的装置 。这主要是从应用上加以定义的，从中可 以看出嵌入式系统工程是软硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。不过， 上述定义也并不能完全体现出嵌入式系统的精萌。目前国内一个普遍被认同的 定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可以裁减，适应应用系 统对功能可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统【埘。 2 1 2 嵌入式系统的特点 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须和具体应用相结 合才会具有生命力，才更具有优势。可以这样理解上述三个方面的定义，即嵌 入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性。 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术，半导体技术和电子技术以及各个行业 的具体应用相结合的产物。这决定了他必然是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。在各种应用方面其侧重点又有所不同，有的 注重高实时性和可靠性，而有的又在图形界面和多任务管理方面有优势。 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统的功能、 可靠性，、成本、体积方面的要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础， 然后在其上开发适合个中需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入 式系统的核心往往是一个只有几k b 到几十k b 的微内核，需要根据实际的应用 进行功能扩展或者裁剪，目前由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利 地进行。 第二章软硬件资源概述 4 ) 同时还应该看到，嵌入式系统本身还是一个外延极广的名词。凡是与产品 结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统，而且有时很 难给它下一个准确的定义。现在人们将嵌入式系统时，某种程度上是指近些年 来比较热的具有操作系统的嵌入式系统。 2 1 3 嵌入式系统的体系结构 嵌入式系统作为一类特殊的计算机系统，一般包括以下三个方面：硬件设 备、嵌入式操作系统和应用软件。 硬件设备包括嵌入式处理器和外围设备。其中嵌入式处理器( c p u ) 是核心部 分，它与通用处理器最大的区别在于，嵌入式处理器大多工作在为用户群所专 门设计的系统中，它将通用处理器中许多板卡完成的任务集成到芯片内部，从而 有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。目前 流行的嵌入式处理器的体系结构主要包括：a r m 、p o w c r p c 、m c6 8 0 0 0 、m i p s 等。 而外围设备是嵌入式系统中用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功能 的其他部件。目前常用的外围设备按功能可以分为存储设备( 如r a m 、s r a m 、 f l a s h 等) ，通信设备( 如r s 2 3 2 接1 ：3 、s p i 接口、以太网接口) 和显示设备( 如显 示屏等) 3 类。 嵌入式操作系统不仅具有通用操作系统的一般功能，如向上提供对用户的 接口( 如图形界面、函数库a p i 等) ，向下提供与硬件设备交互的接口( 硬件驱动 程序等) ，管理复杂的系统资源，同时它还在系统实时性、硬件依赖性、软件固 化性以及应用专业性等方面，具有更加鲜明的特点。几种主流嵌入式操作系统 及其特点归纳如下表所示： 类别 主要特点 嵌入式l i n u x 一内核精简，高性能、稳定适用于不同的c p u 体系架构 一良好的多任务支持一系统可裁减，开放源码，完全免费 6 硕士学位论文 v x w o r k s 彳艮好的实时性完备强大的开发环境 习干发使用需要高额的费用 w _ m d o w sc e精简的w i n d o w s9 5 模块化，结构化，基于w i n 3 2 应用程序 接口与处理器无关开发需要昂贵的费用 p a l m o s 一在p d a 和掌上电脑上有广泛应用十分精简，较强的可操作性 u c l i n u x 针对没有m m u 的处理器，具有良好的移植性等 t a b l e2 。1 t h ec o n t r a s to fs o m eo p e r a t i n gs y s t e m s 表2 1 几种操作系统的对比 应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来到达用户 预期目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点，决定了嵌入式应用软件 不仅要求达到准确性、安全性和稳定性等方面的需要，而且还要尽可能地进行 代码优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 2 1 4 嵌入式系统的发展历史 嵌入式系统的出现至今已经有3 0 多年的历史了，也经历了几个发展阶段。 进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广 泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、 艺术、社会文化等各个领域，掀起一场数字化技术革命。多媒体技术与i n t e m e t 的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信( 3 c ) 一体化趋势日趋明显，嵌入式技 术再度成为一个研究热点。综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下4 个阶段【1 0 】： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有检测、伺 服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控 制系统中，一般没有操作系统的支持，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。这一阶段的主要特点是：系统结构和功能相对单一、处 理效率较低存储容量较小、几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、 价格低，因此以前在国内工业领域应用较为普遍，但是现在已经远不能适应高 效的，需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的需求。 7 第二章软硬件资源概述 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统 其主要特点是：c p u 种类繁多，通用性较弱；系统开销小，效率高；操作系统 达到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统，其主要特点是：嵌入式 操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、 效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、支持多任务、 支持网络应用、具有图形窗口和用户界面；具有大量的应用程序接口a p i ，开发 应用程序较简单：嵌入式应用软件丰富。 2 2 无线局域网技术 2 0 世纪9 0 年代，数字技术的成功应用，大大推动了无线通信的发展，相继 出现了以g s m 为典范的第二带蜂窝移动通信系统和以d a b d v b 为标志的数字 广播系统随着光纤通信和i n t e m e t 技术的发展。有限网的传输速率和业务都受到 了极大的突破，使得无线接入网成为告诉信息传输的一个瓶颈。为了更好的适 应新的发展，1 9 9 7 年i t u 提出了i m t - 2 0 0 0 为标志的第三代移动通信系统( 简称 3 g ) ，并在近几年里得到了各国广泛深入的研究，从而形成了蜂窝移动通信系统、 数字广播系统、无线局域网、卫星通信系统等各种体制并存的无线通信网络【1 3 】。 无线局域网技术w l a n ( w i f i ) ，其标准技术为8 0 2 1 1 ，可实现十几兆至 几十兆的无线接入。目前我国发展的主要是8 0 2 1 l b 标准的w l a n 网络，支持 l1 m b p s 的无线接入。作为近年来的一项新技术，w l a n 在欧美等圉发展迅速， 在我国近两年也得到了几大运营商的支持和发展。未来，随着技术的进一步成 熟，w l a n 技术将在特定的区域和范围，特别是热点区域和高速信息接入领域， 发挥对移动通信网络的重要补充作用。3 g 网络商用后，w l a n 将成为弥补3 g 固定区域高速覆盖的不足。总体来看，w l a n 具有很强的生命力，但其在运营 领域的发展速度估计会低于过去的预期。 8 硕士学位论文 无线局域网具有传统局域网无法比拟的灵活性。无线局域网的通信范围不 受环境条件的限制，传输范围大大拓宽，最大传输范围可达到几十公里。此外， 无线局域网的抗干扰性强，保密性好，对于有线局域网中的诸多安全问题，在 无线域网中基本上可以避免。而且相对于有线网络，无线局域网的组建、配置 和维护较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。 2 3s 3 c 2 4 1 0 a $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司的一款高性价比1 6 3 2 位r i s c 处理器，主要是面 向手持设备以及高性价比、低功耗的应用【1 1 。它包含两个型号：$ 3 c 2 4 1 0 x 和 $ 3 c 2 4 1 0 a ，a 型具有更好的性能和更低的功耗。本系统所使用的e l a r m 8 3 0 实验箱采用的就是a 型。 为了降低整个系统的成本，s 3 c 2 4 l o a 集成的主要片上功能包括： 分开的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 以及m m u ； 1 8 v 2 0 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电： 外部存储器控制器( 片选逻辑和s d r a m 控制器) ： l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 提供1 通道l c d 专 用d m a ； 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f o 和1 6 字节r xf i f o ) 和两通道 s p i ： 4 通道d m a 并有外部请求引脚； 1 通道多主机1 2 c 总线和l 通道1 2 s 总线控制器； 1 1 7 个通用的i o 口和2 4 通道外部中断源； 2 个u s b 主设备接口，1 个u s b 从设备接口； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 以及其他定时器，时钟发生器等等 s 3 c 2 4 1 a 结构框图如下： 9 第二章软硬件资源概述 2 4q t 的介绍 图2 - 1 $ 3 c 2 4 1 0 结构框图 f i g u r e 2 1 $ 3 c 2 410c o m p o s i t i o n q t 是t r o l l t e e h 公司开发的一个多平台的c + + 图形用户界面应用程序框架。 q 采用了完全面向对象组件编程技术，支持多平台。提供图形用户界面在嵌入 式系统上开发的一系列开发工具包，如快速开发工具、q td e s i g n e r 、国际化工具 q tl i n g u i s t 等，版本号包括q t 2 、q t 3 和q t 4 【9 】。 q t e m b e d d e d 是q t 的面向嵌入式应用的简化版。它的特性是可以在 f r a m c b u f f e r 上显示图形接口，反应速度更快，这对硬件有限制的嵌入式环境非 常重要。它包括一组完备的g u i 类、操作系统封装、数据结构类、功能类和组 1 0 下图描述了q t e m b e d d e d 在嵌入式系统中与上层应用软件、下层操作系统、 祯缓存驱动还有底层硬件平台之间的关系和结构图： q t 距坩f 比i ：i d 卅离硐稃廖 鼢n 琶p * 圈彤事件l l 务 q t e b e d d e d 胁i 翰入设徽动 l i l i h x 操作襄统 底崖睡件f 台 f i g u r e 2 - 2 t h ei n t r o d u c t i o no fq t e m b e d d e d 第三章硬件设计 第三章硬件设计 系统的硬件设计包括生理信号采集模块、u s b 无线网络模块、核心处理器。 其中生理信号采集部分主要是采集人体中重要的生命特征信号，然后通过处理通 过串v i 把数据发送到核心处理器单元，在核心处理器单元上进行显示、存储、发 送等任务，u s b 无线网络模块通过u s b 接口与核心处理器相连，主要功能是把 数据以无线的方式通过因特网发送到服务器端或中心机房。 3 1 生理数据采集模块 生理数据采集模块用于生理数据的现场采集，包括：血压、心电、脉搏等信 号，其组成一般包括传感器、前置处理单元、a d 转换器。其中传感器将人体生 理信号转换为电信号，通过前置处理对信号进行放大滤波，再经由a d 转化装 置将模拟信号转换为数字信号。 试验采用的是脉搏容积波的测量模块和心电信号采集放大模块，所以以心 电信号采集为例进行说明，其原理方框图如下图所示： 图3 - 1 信号检测电路原理图 f i g u r e 3 1 s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t 3 1 1 前级放大电路设计 由于人体心电信号的特点，加上背景噪声较强，采集信号时电极与皮肤间 的阻抗大且变化范围也较大，这就对前级( 第一级) 放大电路提出了较高的要求， 即要求前级放大电路应满足以下要求：高输入阻抗；高共模抑制比；低噪声、 低漂移、非线性度小；合适的频带和动态范围。为此采用的芯片型号为m a x 4 2 0 9 ， 是s s o t 2 3 封装、低噪声、低失真、宽带，仪表运算放大器。 1 2 硕士学位论文 3 1 2 主放大电路 第二级放大电路主要以提高增益为目的，选用低噪声的m 删7 5 即可满足 要求。 3 1 3 高通滤波器 本部分电路置于预放大与信号放大电路之间。其特征频率( 转折频率) 计算 为：f o = l ( 2 7 【r c ) = 0 0 3 4 h z 。经过高通滤波后，可以大大削弱0 0 3h z 以下因呼 吸等引起的基线漂移程度，心电信号低频端也就相应地取该频率。 3 1 4 低通滤波电路 由于心电信号在1 5 0 h z 以下，为了消除各种高频干扰，使用了低通滤波器。 滤波器的截止频率公式为：f = - i ( 2 兀r c ) 。 3 1 5 心电采集电路原理图 图3 - 2 心电信号检测电路原理图 f i g u r e 3 - 2 e c g s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t 第三章硬件设计 3 1 6 心电采集电路与微处理器的连接 心电采集电路将采集到的心电模拟信号通过开发板的a d ( 模数转换) 通道， 传送给微处理器，然后将模拟量转换为数字量。开发板共有8 路a d 转换通道， 其中4 路为触摸屏使用，可以用任何其他中的l 路来进行a d 接口转换。心电 采集电路与a i n l 相连。具体的a d 模块在微处理器硬件电路中讲述。 下面为心电采集信号的实物图： 图3 3 心电信号检测电路实物图 f i g u r e 3 3 e c g s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t 3 2u s b 无线网络模块 无线网卡是无线局域n ( w l a n ) 的重要组成部分，w l a n 的物理层、m a c 层是无线网卡的硬件及其软件完成的，而l l c 层以上各层均由计算机软件来实 现。w a l n 包括进行通信的网络接1 ：3 卡( 简称无线网卡) 和接入点桥接器( a p n 桥) 。其中，无线网卡提供了最终用户设备( 手持设备) 与接入点桥接器之间的接 口。目前，无线网卡主要以p c m c i a 、c o m p a c t f l a s h ( c f ) 卡的形式广泛应用。 大多数可用的无线网卡都是基于i n t e r s i lp r i s m 或者l u c e n th e r m e s 芯片组支持。 本系统采用的t p l i n k 的t l - w n 3 2 1 g + 无线网卡，通过u s bh o s tp o r t 接入。 1 4 硕士学位论文 t l w l a n 3 2 1 g w n 3 2 1 g + 性能参数介绍如下： 接口 u s b 2 0 遵循标准 i e e e8 0 2 1 l b ：i e e e8 0 2 1 l g 传输距离室内最远l o o m ，户外最远3 0 0 m 传输速率 5 4 4 8 3 6 2 4 1 8 1 1 2 9 6 m b p s11 5 5 2 l m b p s 灵敏度5 4 m ：一7 0 d b m ：l lm ：一8 3 d b m 工作频率 2 4 - 2 4 8 3 5 g h z 外型尺寸 8 6 5 * 2 4 * 10 m m 表3 - 1 t l w l a n 3 2 1 g w n 3 2 1 g + 性能参数 t a b l e 3 1 t h ep a r a m e t e ro f t l w l a n 3 2 i g w n 3 2 1 g + 3 3 核心处理器的硬件电路 系统开发是基于广州友善之臂公司的m i c r 0 2 4 4 0 开发箱。在硬件上实现了较 稳定的电源模块及i o 接口。 3 3 1 电源模块 在s 3 c 2 4 1 0c p u 板上由于其内核采用1 8 v ，i o 口采用3 3 v 供电，因此需 要将通用的5 v 转换成1 8 v 和3 3 v 。模块如图所示： ； ： b l ， n j ： 率；2 ：v ，d t i x e 1 0 3l ， 曩蚕岍。岍1 上q - ! lf _ 一l = c 型，l 匕c ，1 1 0 4 一i i r ，l s l l l 3 - a ， 一l ，l ，一 0 啪1 喧一 k 铀。窜 筘， h ： u j o rr 。 ：| 卜j l 1 v l嚣 jj 专皂罂参誓 q r 蒯， ， 窜 2 一 i ；1 l 州薹叼啊 牛黜黼 | = = a 帅 趸 i 1 。? 4 一； i 掣 l 量1 1 一i ， ； 古 ， l ； l ； ：p 啊 “ 图3 - 4 电源模块 1 5 第三章硬件设计 3 3 2 晶振电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。在系统中使用了有源晶振， 如下所示： 嗽黯 o r 图3 5 晶振模块 f i g u r e 3 5 m o d u l eo fc r y s t a lo s c i l l a t i o n 有源晶振的l 脚接5 v 电源，2 脚悬空，3 脚接，4 脚为晶振的输出，可以通 过一个小电阻接到处理器的x c l k 脚正常工作时，用于示波器观测有源晶振的 输出应当为1 0 m h z 。 3 3 3 复位电路 复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。 复位电路可以用简单的r c 电路构成，也可以使用其他相对复杂但更完善的电 路。 图3 - 6 复位电路 f i g u r e 3 - 6 r e s e tc i r c u i t 1 6 硕士学位论文 在系统上电的时候，通过电阻r 1 向电容c l 充电，当c l 两端的电压没达 到高电平的门限电压时，r e s e t 端输出为低电平，系统处于复位状态；当c 1 端 的电压高过高电平的门限电压，则r e s e t 端输出为高电平，系统进入正常的工作 状态。当用户按下按键s 1 时，c l 两端的电荷放掉，r e s e t 端输出为低电平，系 统进入复位状态，再重复以上的充电过程，系统进入正常工作状态。 3 3 4 通用i ，o 接口电路 在系统设计中i o 口通常接l e d 灯，用来在底层开发时，显示程序的执行 状态。其应用电路如下： 3 3 5 其他模块 图3 7 i o 接口电路 f i g u r e 3 7 i oi n t e r f a c ec i r c u i t - f l 础：选用3 2 m b 字节的k 9 f 5 6 0 8 u ，8 位数据线，该芯片由$ 3 c ，4 1 0 的相关引脚直接控制，c p u 分配给它的地址空间为o ) 【0 0 0 0 0 0 0 0 0 ) ( 1 f f f f f f f 。 启动代码部分则放在从o x 0 0 0 0 0 0 0 0 开始的地址空间内。系统将c p u 的引脚 o m i ：0 设置成o o b ，当核心板上电复位时，系统首先将n a n d f l a s h 开始的0 - - 4 k 的程序映射到s t e p p i n g s t o n e 区，然后从那里开始执行。 1 7 第三章硬件设计 叫a m ：选用两片1 6 m b 字节的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，3 2 位数据总线，片选 n s c s 6 接两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 单元作为片选信号，c p u 分配给这两片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 单元的地址空间分别是s 3 c 2 4 1 0 c p u 的b a n k 6 和b a n d 7 区。 串口单元：选用m a x 3 2 3 2 电压转换芯片，进行p c 机与c p u 板的串 口通讯。它采用收、发、地三线连接，无握手信号，通过$ 3 c 2 4 1 0 内部的串口o 控制器进行控制。 触摸屏模块：触摸屏直接与$ 3 c 2 4 1 0 连接，由c p u 直接控制。 1 8 交叉开发再联机调试的方法。具体流程如下：先在建立好交叉编译环境( 包括 交叉编译连接工具，整队目标平台的c 语言函数库等) 的通用p c 机上编程。然 后通过交叉编译工具编译连接声称目标平台上可以运行的二进制代码，最后将 代码下载到目标平台上。下载后的目标代码可以被目标板上的操作系统运行， 执行预先定义的任务。建立起交叉编译环境的计算机称为宿主机，运行嵌入式 操作系统的计算机称为目标板。 4 2 宿主机端开发环境的建立 在运行嵌入式l i n u x 应用开发设计之前，首先需要安装有特定操作系统的 p c 机作为宿主机。对于嵌入式l i n u x ，宿主机的操作系统一般要求为r e d h a t l i n u x ，在本课题中用的版本为9 0 。嵌入式开发通常要求宿主机配置网络、支持 n f s 服务、支持t a p 服务器等等。对于r e d h a t 9 0 ，它默认打开了防火墙，对于 外来访问会全部拒绝，这意味着其他网络设备就根本不可能访问它，即开发 板无法使用n f s 服务等。所以再安装完成之后应该关闭防火墙并去掉i p c h i a n s 和i p t a b l c s 两项服务。在调试的过程中需要用到串口和以太网口，作为目标板的 仿真终端输出调试信息或下载镜像到目标板。附宿主机端m i n i e o m 的设置和n f s 服务的设置。 第二要在宿主机上安装交叉编译工具链 我们这里安装的是3 4 1 版本的工具链，步骤如下： # m k d i r m r l o c