（计算机系统结构专业论文）基于xscale+pxa270的心电图系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 心电图是反映心脏兴奋的电活动过程，它对心脏基本功能及其病理研究，具 有重要的参考价值。 本课题的目的是要实现一个高性能、便携性好、可扩展性强、界面友好且易 于操作的心电图仪。 本论文介绍了一种基于i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 微处理器和w i n d o w sc e5 0 操作 系统的嵌入式心电图系统。p x a 2 7 0 是基于x s c a l e 内核的低功耗嵌入式微处理器， 支持i n t e l 专用的无线s p e e d s t e p 动态电源管理技术，该技术使得p x a 2 7 0 在保证 c p u 性能的情况下，能最大限度的降低整个系统的功耗，延长了便携式产品的使 用寿命。另外，本系统的一个独特之处在于它可支持触摸屏的操作，通过外接芯 片u c b l 4 0 0 扩展出触摸屏的功能，使得本系统不仅界面友好，而且操作起来也非 常的方便。 本文着重论述了处理与显示模块的软硬件设计和实现。 论文主要有如下几部分内容： 首先，从嵌入式系统的基本概念入手，详细的分析了当今主流的嵌入式a r m 微处理器，接着对几款流行的嵌入式操作系统进行了比较。 第二部分，通过对系统硬件平台的设计目标和性能需求进行分析，确定了系 统c p u 的选型以及硬件的结构框架。系统硬件结构框架采用分离式的实现方案， 由核心c p u 模块和实现各种外设的底板组成。论文接着给出了p x a 2 7 x 系列微处 理器的特性，并对以p x a 2 7 0 微处理器为系统核心的外围扩展接口进行了设计和 制作。 第三部分，阐述了w i n d o w sc e5 0 操作系统的结构组成、特点以及软件开发 方法，简要介绍了操作系统开发平台p l a t f o r mb u i l d e r5 0 ，进而给出了操作系统移 植的一般过程，详细的为该心电图设备的操作系统进行了定制。 接下来详细介绍了本系统的应用软件设计。整个系统的实现采用了多线程机 制，论文中主要围绕多线程的实现过程进行了阐述。对线程之间的同步机制进行 了详细分析；进而介绍了采集模块和处理与显示模块之间的通信过程；给出了心 电框和心电波形的绘制方法。 最后给出了对系统的测试效果。 关键词：心电图仪；高性能；p x a 2 7 0 ：e v c ；p l a t f o r mb u i l d e r ；w i n d o w sc e5 0 分类号： a b s t r a ( 了r t h ee l e c t r o c a r d i o g r a mr e p r e s e n t sr e a c t i o no ft h eh e a r ti nt h ep r o c e s so fe l e c t r i c a l a c t i v i t y i th a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h eb a s i cf u n c t i o no ft h eh e a r ta n di t s p a t h o l o g i c a ls t u d y t h et h e s i si st oa c h i e v ea ne l e c t r o c a r d i o g r a mi n s t r u m e n tw i t hm a n yc h a r a c t e r i s t i c , s u c ha sh i g h p e r f o r m a n c e ，w e l lp o r t a b l ea n dh a n d ye x t e n s i b i l i t y t h ei n s t r u m e n ta l s o p r o v i d e sau s e r f r i e n d l yi n t e r f a c e ，s oi ti se a s yt ob eo p e r a t e d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe c g b a s e do ni n t e lx s c a l e p x a 2 7 0p r o c e s s o ra n dw i n d o w sc e5 0o s w eu t i l i z ep x a 2 7 0i nt h i ss y s t e m ，w h i c h i sa ne m b e d d e dc p ub e l o n g e dt ot h es e r i e so fx s c a l ea n ds u p p o r tf o rs p e c i a lw i r e l e s s s p e e d s t e pd y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yo f i n t e l t h et e c h n o l o g ym a k e p x a 2 7 0m a x i m i z et or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h ew h o l es y s t e mw i t hh i ：g h p e r f o r m a n c eo fc p u ，a n de x t e n d st h el i f eo ft h ep o r t a b l ep r o d u c t s i na d d i t i o n ，t h e d e v i c ec a l ls u p p o r tt o u c h - s c r e e no p e r a t i o n ，w h i c hi sau n i q u eo ft h i ss y s t e m t h es y s t e m u s e sa ne x t e r n a lc h i po fu c b l 4 0 0t oe x p a n dt h ef u n c t i o n so fat o u c hs c r e e n ，w h i c h m a k e st h es y s t e mn o to n l yu s e r - f r i e n d l y , b u ta l s ob eo p e r a t e dc o n v e n i e n c e l y t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh a n d l i n ga n dd i s p l a y m o d u l e s t h et h e s i si ss e p a r a t e di n t of o u rp a r t st od e s c r i b et h ef e a t u r eo fo u re c gs y s t e m f i r s t l y , b e g i n n i n gw i t ht h ef e a t u r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h et h e s i sg i v e sa d e t a i l e da n a l y s i st ot o d a y sm a i n s t r e a me m b e d d e da r mp r o c e s s o r sa n dt h e nc o m p a r e s s e v e r a lp o p u l a re m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s s e c o n d l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so fo u rd e s i g ng o a l sa n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s o ft h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h es y s t e md e t e r m i n e st h ec p us e l e c t i o na n d f r a m e w o r ks t r u c t u r eo fh a r d w a r e t h es y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r eu s e st h er e a l i z a t i o no f as e p a r a t ef r a m e w o r k ，w h i c hi sc o n s i s to ft h ec o r ec p um o d u l ea n dt h eb a c k p l a n e s w h i c hi su s e dt or e a l i z eav a r i e t yo fp e r i p h e r a l s t h e nt h ep a p e rg i v e st h ef e a t u r eo f p x a 2 7 xm i c r o p r o c e s s o r , a n dt a k e sm i c r o p r o c e s s o rp x a 2 7 0a st h ec o r eu n i tt od i s c u s s t h ed e s i g na n dp l a t e m a k i n go fe x t e r n a lc i r c u i t t h i r d l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r eo fw i n d o w sc e5 0a n dg i v e si t s f e a t u r e sa n dd e v e l o p m e n tm e t h o d so fs o f t w a r e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo p e r a t i n g s y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fp l a t f o r mb u i l d e r5 0 t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e v 北京交通大学硕士学位论文 g e n e r a ld e v e l o p m e n tp r o c e s so fo p e r a t i n gs y s t e ma n dt r a n s p l a n t st h ew i n d o w sc e5 0 o sf o rt h ee c g s y s t e m f i n a l l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fe c gd e s i g no ft h e w h o l es y s t e mu t i l i z e sam u l t i - t h r e a dm e c h a n i s m t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e sa r o u n dt h e r e a l i z a t i o n p r o c e s s o f m u l t i t h r e a d i n g a n d g i v e s d e t a i l e d a n a l y s i s o ft h r e a d s y n c h r o n i z a t i o n t h e nt h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e t w e e nt h e a c q u i s i t i o nm o d u l ea n dp r o c e s s i n ga n dd i s p l a ym o d u l e i nt h ee n d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ed r a w i n gm e t h o do fe c gw a v e f o r ma n dg r i d a tt h ee n do ft h ep a p e r , w es h o wt h et e s tr e s u l to ft h ee c g s y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r o c a r d i o g r a p h ；h i g h - p e r f o r m a n c e ；p x a 2 7 0 ；e v c ； p l a t f o r mb u i l d e r ；w i n d o w sc e5 0 c l a s s n o ： 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， 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： 簇忍皂 签字日期：口g 年月岁e l 导师签名： 签字日期： 北京交通大学硕士学位论文 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已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月 日 致谢 两年的时间转瞬即逝，在论文完成之际，我衷心的感谢那些关心我、支持我、 鼓励我的老师、师长、同学、朋友以及亲人们! 本论文的工作是在我的导师周洪利老师的悉心指导下完成的，周老师严谨的 治学态度、活跃的思维方式、科学的工作方法以及精益求精的科研精神深深地感 染着我，使我受益很多。在两年的研究生学习期间，周老师在生活上也给予了我 诸多的关心和帮助，在此衷心感谢两年来周老师对我的关心和指导。 实验室的陈连坤老师在我的平时学习和工作中也给予了许多的帮助，在此表 示衷心的感谢。 在课题的研究及撰写论文期间，涂晓强同学对我的研究工作给予了热情帮助。 崔晓琳同学负责系统的采集模块开发，在开发研究中，我们共同探讨问题，互相 学习，共同进步。在此也向他们表达我的感激之情。 另外感谢我的父母，感谢他们对我无微不至的关心和支持。感谢我的舅舅， 感谢他一直以来对我的帮助。感谢所有的亲人朋友! 正是在大家的帮助与支持下，我才能顺利地完成本论文。再次感谢大家! 综述 1 1 心电图仪发展现状 1 综述 当前，心脏病己成为严重威胁人类健康的疾病之一，由于不合理的生活习惯 及繁重的工作压力，心脏病发病率逐年上升，并正在呈现年轻化的发展趋势。据 统计，世界上平均每年约几百万人死于此类疾病，在我国，因心脑血管疾病死亡 的人数已经接近总死亡人数的一半，很多病人是由于未及时发现病变，延误了治 疗而最终导致死亡。因此，尽早的发现心血管类疾病征兆，及时地了解心脏病状 况，对疾病的预防和及时诊治能起到关键作用。 心电图能够反应心脏的活动过程，通过对心电图的分析研究可以对心脏的相 关疾病做出预测和诊断。 心电图仪是记录心电图的专用仪器。从1 9 0 3 年e i n t h o v e n 发明第一台弦线式 心电图仪到现在，心电图仪已经过了百年的发展历程，其技术也逐渐地趋于完善【1 1 。 目前，世界上各大医疗器械厂商都在。t l , 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心电仪产品，例如中国迈瑞电子的b e n e v i e wt 5 病人 监护仪和p m 9 0 0 0e x p r e s s 便携式多参数监护仪。 图1 1 和图1 2 为两款心电图设备，分别是飞利浦公司的p a g ew r i t e rt r i mi i i 和迈瑞电子的p m 9 0 0 0 便携式心电仪。我们可以从图上看出，它们各自都有一些 特性： t r i mi i i , t , 电仪： 液晶屏幕较小，可折叠； 真正的数字字母键盘，可以快速输入病人信息； 支持多种卡式存储器，实现了信息的共享； 按钮较多、操作复杂； p m 9 0 0 0 心电仪： 液晶屏幕比较大，同时显示的导联数能达到1 2 导联； 可监护的参数多，按钮较少； 可通过网络与中央监护系统连接： 带有手柄方便移动，需安装电池； 另外，两者有一些相同的特点，比如都自带有打印机，可打印心电图：它们 的价格都较昂贵。 北京交通人学硕士学位论文 图1 1 p h i l i p st r i mi i i 图1 2 迈瑞电子p m 9 0 0 0 通过上述两款心电仪各自特性的分析和比较，可以得出，现代心电图设备具 有以下几点发展趋势： 数字化：计算机技术的深入应用使得心电图设备朝苻数字信息化的方向发 展【2 】。 o 无线遥测：使用该技术能够取消人体与心电图设备的物理连接，采用无线 技术进行数据传送，被测人的活动更加自由。 实用化：人性化的界面设计，更直观的显示心电信息。 智能化：不仅可以对心电数据进行处理，还可以进行病理判断、控制给药 量、编制病历、检查并控制全系统的协调等工作。 网络化管理：随着i n t e r n e t 的发展，心电图设备可以在网络的平台卜进行 信息的共享和管理。 小型化：虽然功能在逐渐强大，但心电图设备体积在逐渐便小，更加便于 携带。 嚣r黔歉震鬈萨 综述 1 2 课题目标 随着人们生活质量的提高，百姓的生活已经从温饱型向健康型过渡，追求健 康成为一种新的生活方式。人们的保健模式也正从生病后才开始治疗、调节，转 化成平时的健康预测和疾病预防。 对于心血管类的突发性疾病，更是应该积极的预防，平时就要经常性的做检 查，争取尽早发现异常、及早进行治疗。可喜的是，日趋完善的社区医疗保健体 系为人们提供了良好的疾病预防条件和便利。 然而，不同于大型医院，社区保健机构经济条件不是十分雄厚、购买能力较 弱，无法承担市场上那些昂贵的心电仪设备；另外，社区保健医疗机构主要负责 社区内居民的日常保健和疾病预防，看病的人数相对于大医院要少很多，所以如 果我们的心电图设备能够把病人的检测数据保存下来的话，那么医生可以对不同 阶段的数据进行分析和对比，能更好的为病人的病情发展做出判断。 结合当前心电图仪的发展趋势，以及社区医疗保健体系的需求，我们希望开 发一款具有以下功能的心电图仪： 较高的性能。从心电图系统的功能上看，它要负责进行实时的数据传输、 滤波和波形绘制，以及人机界面的交互等操作，这些工作对系统微处理器 的处理能力提出了比较高的要求； 较大的存储容量。心电图仪要能对病人的心电数据进行保存，在成本一定 的前提下，存储容量越大越好； 联网功能。可以通过网络与中央监护系统连接，组成网络监护系统； 便携性。体积小、便于携带的心电图仪对于医生的单人出诊、户外心脏功 能测试具有重大意义，便携性也是心电图仪的一个发展趋势； 界面友好简单。使用较大的液晶屏显示并且采用触摸屏的操作方式。不像 市场上的心电仪面板上有很多的按键、而且给每个按键赋予固定的功能， 触摸屏这种类似于菜单式的操作方式，去掉了面板上的按键，不仅节省了 空间，而且操作更加灵活； 蓝牙打印。通过蓝牙无线传输将心电波形打印出来。 3 北京交通大学硕+ 学位论文 1 3 本论文的工作和结构 本论文描述的心电图仪采用了前端采集和后端处理的方式实现。其中前端的 数据采集平台是采用了基于c 8 0 5 1 f 3 6 2 微控制器的独立系统，由其他同学完成。 本文专注于对心电图仪后端数据处理及显示模块的设计与实现。该模块需要实现 的主要功能有： ( 1 ) 与采集模块交互，心电仪后端为主控模块，它控制采集端的上电、采集 和传送心电数据： ( 2 ) 对心电信号滤波，虽然在采集模块中也会对信号进行滤波，但是由于心 电信号对于测量系统之外的干扰十分敏感，因此我们在后端也可以再进行一次滤 波操作，从而得到更加有效的心电信号； ( 3 ) 心电图的显示，心电图仪的一大功能即测量过程中实时的显示心电信号 波形；也可以波形再现的方式查看存储好的心电数据。 论文的组织结构内容如下t 第一章，综述。阐述了心电图仪的发展现状，提出了课题研究目标和实现目 标的基本方案。 第二章，嵌入式系统概述。从介绍嵌入式系统的基本概念入手，详细的介绍 了当今主流的嵌入式a r m 微处理器和嵌入式操作系统。 第三章，心电图仪处理系统硬件实现。选定了系统所需的硬件平台、介绍了 p x a 2 7 x 系列微处理器的特性，分析了系统采用的p x a 2 7 0 e p 核心模块，并以它为 中心，扩展出本系统的外围接口。 第四章，心电图仪操作系统的移植，介绍了w i n d o w sc e5 0 操作系统的结构 和特点，主要对w i n d o w sc e5 0 操作系统进行了定制，以适合本系统的设计。 第五章，心电图仪系统软件设计，基于e m b e d d e dv i s u a lc + + 4 0 平台开发出 系统的应用程序。 第六章，总结，验证系统的硬件架构j 并对下一步目标进行展望。 4 嵌入式系统概述 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可剪裁的专用计算机系统，它的显著特点是体积小、功耗低，功能强【3 1 。嵌入 式处理器是它的核心，嵌入式操作系统是它的最重要组成部分。本章论述了嵌入 式系统的结构和特点，重点介绍了目前在嵌入式领域所使用的主流a r m 微处理器 和几种常用的操作系统。 2 1 嵌入式系统的结构与特点 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成硬件和软件两个部分： 硬件部分包括嵌入式处理器控制器、存储器及外设器件和i o 端口、图 形控制器等。 软件部分包括操作系统软件( o s ) 和应用程序编程，事实上，多数嵌入式设 备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，这也是嵌入式系统和w i n d o w s 系统的 最大区别。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程 与硬件的交互作用。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个 特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务，并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 ( 2 1 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构己模块 化，而为了避免在软件模块之问出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保 护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，能最迅速地扩展出满足应用的最高性能的嵌入式微 处理器，例如p x a 2 7 0 内核处理器通过扩充外部接口，形成网络控制器、u a r t 控制器、u s b 控制器和多媒体应用等。 ( 4 ) 嵌入式微处理器功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算机和通 信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w ，甚至弘w 级。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统( 包括硬软件系统) 的重要组成部分。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基 本特点，能够有效管理复杂的系统资源，并且把硬件虚拟化。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统还具有以下特点： 5 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 面向应用，可裁减和移植。系统功能可根据需求裁减、调整和生成，以满 足最终产品的设计要求，可进一步缩小编码体积，有效的运行。 ( 2 ) 实时性强，软件要求固态存储，以提高速度。 ( 3 ) 编码体积小，适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行。 ( 4 ) 高可靠性，嵌入式系统可无需人工干预独立运行，并处理各类事件和故障。 ( 5 ) 专用性强，嵌入式操作系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行 系统的移植。 2 2 主流的嵌入式a r m 微处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心。同时，嵌入式微处理器有许多种流行的 处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。在这里 我们将主要介绍基于a r m 核的嵌入式微处理器。 a r m 公司自1 9 9 1 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断取得突破。其设计的芯核具有功耗低、高性价比等显 著优点，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成功，目前已经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产品市场，在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位【4 】。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m l 0 e 系列、 s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 等多个系列，除了具有a r m 体系 结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个系列 提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e c u r c o r e 系列专门为安全 要求较高的应用而设计。s t r o n g a r m 和x s c a l e 是i n t e l 推出的应用型处理器。以 下将详细介绍各种处理器的特点及其应用领域。 a r m 7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求比较严格的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便； 极低的功耗，适合对功耗要求严格的应用，如便携式产品； 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构； 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集； 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等； 指令系统与a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 e 系列兼容，便于用户的产品升级换 代； 6 嵌入式系统概述 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和调 制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 a r m 9 微处理器系列 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下 特点： 提供1 1 m i p s l 订h z 5 级流水线结构： 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 支持3 2 位的高糊b a 总线接口； 全性能m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等主流嵌入式操作系 统； m p u 支持实时操作系统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力。 a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。它包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和 a r m 9 4 0 t 三种类型。 s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的3 2 位r i s c 技术 的安全解决方案，因此，它除了具有a r m 体系结构的低功耗、高性能的特点外， 还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。s e c u r c o r e 系列微处理器 在系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全： 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测； 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。 s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用 系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。它包含 s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l1 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类 型。 a r m i o e 微处理器系列 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 7 北京交通大学硕士学位论文 构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时， a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。 a r m l 0 e 系列微处理器的主要特点如下： 支持d s p 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合： 6 级整数流水线，指令执行效率更高； 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集； 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 支持v f p l 0 浮点处理协处理器； 全性能m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等主流嵌入式操作系 统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力： 主频最高可达4 0 0 m i p s ： 内嵌并行读写操作部件。 a r m l 0 e 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、通信和信息系统等领域。它包含a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和 a r m l 0 2 6 目s 三种类型。 s t r o n g a r m 微处理器系列 i n t e ls t r o n g a r ms a - 1 1 0 0 以及i n t e ls t r o n g a r ms a - 1 1 1 0 处理器是采用 a r m 体系结构，高度集成的3 2 位r i s c 微处理器。融合y i n t e l 公司的设计和处理技 术以及a r m 体系结构的电源效率，采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构、同时采用 具有i n t e l 技术优点的体系结构。i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类 电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 x s e a l e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价 比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在数字移动 电话、个人数字助理和网络产品等场合。x s c a l e 处理器是i n t e l 目前主要推广的一款 a r m 微处理器。 2 3 主流的嵌入式操作系统介绍 嵌入式系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，国际上就有一些i t 组织、 公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现出一些著名 的嵌入式操作系统【5 】【6 1 。 1 ) w i n d o w sc e 8 嵌入式系统概述 w i n d o w sc e 是一个具有抢占式多任务功能、并具有强大通信能力的嵌入式操 作系统。适用于快速构建新一代内存少、体积小的智能设备。例如工业控制器、 手持式设备、智能电话、机顶盒和零售点设备等。w i n d o w sc e 能被广泛的应用到 各种嵌入式的产品中，与其是一个紧凑、高效而且可升级有着直接的关系。从手 持电脑到专门的工业控制器和消费用电子产品，随处可见w i n d o w sc e 的靓影。 w i n d o w sc e 己经通过了其自身的能力证明，它能够满足3 2 位嵌入式程序开发的需 求。同样重要的是，w i n d o w sc e 使嵌入式系统的设计者得以充分利用m i c r o s o f t 的 3 2 位基于w i n d o w s 的开发工具的全部函数一a p i 。在最终用户端，w i n d o w sc e 优点 在于便携性、提供对微处理器的选择以及非强行的电源管理功能。内置的标准通 信能力使w i n d o w sc e h p 够访问i n t e r n e t 并收发e m a i l 或浏览w e b 。w i n d o w sc e 特有 的与桌面w i n d o w s 类似的用户界面也使最终用户易于使用。 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统，是 美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种实时操作系统。它支持多种处理器， 如x 8 6 ，i 9 6 0 ，s u ns p a r e ，m o t o r o l am c 6 8 x x x ，m i p sr x 0 0 0 ，p o w e rp c 等等。 v x w o r k s 支持各种工业标准，包括p o s i x 、a n s i c 和t c 咖网络协议。v x w o r k s 和u n i x 不兼容，大多数的v x w o r k s a p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。 操作系统的可靠性是用户首先要考虑的问题。而稳定、可靠一直是v x w o r k s 的一个突出优点。v x w o r k s 的实时性做得非常好，其系统本身的开销很小，进程 调度、进程间通信、中断处理等系统公用程序精练而有效，它们造成的延迟很短。 v x w o r k s 提供的多任务机制中对任务的控制采用了优先级抢占( p r e e m p t i v ep r i o r i t y s c h e d u l i n g ) 和轮转调度( r o u n d r o b i ns c h e d u l i n g ) 机制，也充分保证了可靠的实 时性，使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余 地。它还具有可裁剪性，由于它的高度灵活性，用户可以很容易地对这一操作系 统进行定制或作适当开发，来满足自己的实际应用需要。 v x w o r k s 以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航 空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中。然而其价格昂贵，通常需花 费2 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，所以软件的开发和维护成本都非常高。支 持的硬件数量也是有限的。 3 ) l i n u x l i n u x 是9 0 年代以来逐渐成熟的一个开放源代码的操作系统。p c 机上的l i n u x 版本在全球数以百万计爱好者的合力开发下，得到了非常迅速的发展。9 0 年代末 9 北京交通大学硕士学位论文 u c l i n u x 和r t l i n u x 等相继推出，在嵌入式领域得到了广泛的关注。相对来说，l i n u x 的图形界面还相对较弱，但近年l i n u x 的图形界面发展也很快，出现了m i n i g u i 等 l i n u x 专用的图形用户接口。虽然l i n u x 是一个源代码完全开发的操作系统，不需要 支付昂贵的开发费用而可以免费获得，但在嵌入式系统上运行l i n u x 的缺点是l i n u x 体系提供实时性能需要添加实时软件模块。由于这些实时软件模块是在内核空间 运行的，因此代码错误可能会破坏操作系统从而影响整个系统的可靠性，这给开 发人员带来了很大的难度，对于实时应用将是一个非常严重的弱点。 4 ) , c o s i i u c o s 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用 于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 。它是在原版本【c o s 的 基础上做了重大改进与升级上推出的，主要特点如下： ( 1 ) 公开源代码，能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上； ( 2 ) 可移植性高，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其他微处理 器上； ( 3 ) 可裁剪性强，有选择的使用需要的系统服务，以减少斗所需的存储空间： ( 4 ) 完全抢占式的实时内核，总是先运行就绪条件下优先级最高的任务： ( 5 ) 多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间 片轮转调度法； ( 5 ) 可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务 的多少； 但是，由于g c o s i i 仅是一个实时内核，其对各种外设和硬件平台的支持不 够完善，所以商业上很少使用, u c o s i i 操作系统。 1 0 心电图仪处理系统硬件实现 3 心电图仪处理系统硬件实现 3 1 硬件平台总体设计 硬件平台是嵌入式系统软件得以实现的物理基础，硬件平台的性能、可扩展 性以及可靠性在整个系统开发的过程中都起着决定性的作用。 3 1 1 硬件平台设计目标和性能需求 本心电图仪设备主要包括两个部分：前端采集部分和后端处理部分。图3 1 给 出了本系统的总体结构图。 镁 到 lc 8 ( 1 5 1 f ? 6 2 一一心电数据处理 人 卜 p x a 2 7 0 核心i - i 心电数据的显示 体 路卜a d 一 茎 一u a i h ， 控制广 的 + 、 1 0 ny 个 - i 用户界面的交互 电 极 l 前端数据采集l j 爨鬻蹉 + 、。、 图3 1 硬件设计结构原理图 其中，心电数据采集系统以c 8 0 5 1 f 3 2 0 微控制器为核心，当采集到数据以后， 通过串行电缆传送给后端处理系统。后端处理系统要保证数据的不丢失，而且为 了达到实时处理显示的目的，后端处理系统要具备较强的计算和分析能力。 本文对后端的数据处理及控制系统提出了以下一些性能要求： ( 1 ) 前端心电采集系统以2 5 0 次秒、5 0 0 次秒和1 0 0 0 次秒的速率对心电信 号进行采集，采集精度为8 1 0 位，最大需要采样8 通道，最小需要采集2 通道， 这样每秒的采样数据为： 最低时：2 5 0 8 2 8 = 5 0 0 b y t e s ； 最高时：1 0 0 0 x l o 8 8 = l o o o o b y t e s - - 9 8 k b s ； 可以看出，每秒钟采样的数据大小范围为5 0 0 b y t e 一1 0 0 0 0 b y t e ，为了保证前端 与后端的数据不丢失，两个系统之间必须采用波特率为1 1 5 2 0 0 b p s 的串e l 速率进行 通信，它理论上最高速率可以达到1 4 影s ，这样才能够满足要求。 ( 2 ) 处理系统需要对接收到的心电数据进行滤波操作。滤波算法分以下两步 进行： 北京交通大学硕士学位论文 第一步消除基线漂移。 第二步去除5 0 h z 工频干扰。 对于采集系统采集的数据需要进行a 0 4 数量级的加法和除法操作，而且滤波结 束后还要把心电波形输出到液晶屏上。这些操作对c p u 的计算能力都有较高的要 求。 ( 3 ) 系统要求能够响应用户的触摸屏操作，以增加系统的操作友好性，所以 要求系统支持图形界面操作。 ( 4 ) 由于系统有多个任务要求同时运行，所以必须采用支持多任务的微处理 器和嵌入式操作系统。 ( 5 ) 同时为了具有良好的可扩展性，要求处理器能够支持多种外设接口。 3 1 2 硬件平台的选型 综上分析，本系统要实现的功能较多、计算量较大、处理速度要求较高，而 且需要支持操作系统，因此本心电仪的后端处理系统决定选择性能强大的3 2 位 a r m 微处理器来实现。目前市场上流行的a r m 微处理器众多，通过性能、价格 及支持外设接口程度上的对比，本系统决定采用英特尔公司的x s c a l ep x a 2 7 0 微 处理器来设训7 。 下图是p x a 2 7 0 微处理器支持的接口示意图1 8 l 。 l a nu s i mg p i o隙a u 二e ls d 庙皿c p c m c l a c a 匣r a l c da c 9 7 u s