（电力电子与电力传动专业论文）多传感器信息融合的便携式智能监护终端研究.pdf

西华大学硕士学位论文 程序实现了友好的人机界面和生理信号的自动分析功能。重点研究了多源信息 融合的d s 证据理论的软件实现、心音和脉搏波的识别算法、自动诊断算法等。 本文所研究的便携式智能监护终端系统，具有操作简单，界面友好，可扩 展性和灵活性高等特点，能够实现低成本实时监护。论文对以上各项工作进行 了详细的阐述，基本达到设计要求，为进一步的研究开发奠定了良好的基础。 关键词：传感器；多传感器信息融合，i 删；p c o s i i i i 西华大学硕士学位论文 t h er e s e a r c h0 np o r t a b l ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g t e r m i n a lb a s e do nm u l t i s e n s o r t j1n l n l o r m a t l o nru s l o n m a j o ro f p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e p o s t g r a d u a t e ：g o n g y o n gz h a n gt u t o r ：w a n gp i n g w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h es o c i a ll i f ea n dt h ei n c r e a s i n go fa g i n gi nh u m a n s ， c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s eh a sb e c o m eo n eo ft h em a j o rd i s e a s e sw h i c hc a l lt h r e a t e nt h e h e a l t ho fp e o p l e ，a n de v e nl i v e s w h a t sm o r e ，s u c hk i n do fd i s e a s ej u s th a p p e n w i t h o u te x p e c t a t i o n s ot h a td i s c o v e ra n dc u r ei tn o ti nt i m ew i l lc a u s es o m et e r r i b l e c o n s e q u e n c e s a c c o r d i n g l y , i ti s i n e v i t a b l et o d e v e l o pak i n d o fm o n i t o r i n g i n s t r u m e n tw i t hp o r t a b l e ，e c o n o m i c a l ，a n dp r a c t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，f o rt h ep u r p o s eo f s e l f - d i s c o v e r i n g ，s e l f - d i a g n o s i n ga n ds e l f - n u r s i n gf o rt h ep a t i e n t st h e m s e l v e s a n d r e c e n t l y , t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e ds y s t e m st e c h n o l o g yp r o v i d e sa g o o dt e c h n i c a lc o n d i t i o nf o rs u c hs t u d i e s t h i st h e s i si n t e n d st od e s i g nap o r t a b l ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gt e r m i n a lb a s e do n m u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n ，t h r o u g ht h ec o l l e c t i n go fh e a r ts o u n ds e n s o ra n d p u l s es e n s o re t c a n dd a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i n go fh e a r ts o u n d sa n dp u l s es i g n a l s r e l a t e dw i t hc a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ew h e nt h e yp a s s i n gt h r o u g ht h em i c r o p r o c e s s o r , a n du t i l i z i n gm u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o nt od i a g n o s et h ef u n c t i o no fh e a r t - b l o o d i nh u m a n s i tc a nu n i n t e r r u p t e d l ym o n i t o rt h ep a t i e n t sa n dc h e c kt h ec o n d i t i o no f t h e s e p a t i e n t s i n t i m e ，s h o w i n g t h er e m i t si nt h el c ds c r e e n ，a n da l a r m a u t o m a t i c a l l yw h e ns o m e t h i n gg e tw o r s e ，f o rr e c e i v i n gr a p i dc u r e t h eg e n e r a ld e s i g no ft h eh a r d w a r es n u c t u r ea n dt h es o f t w a r es y s t e mo ft h e i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gt e r m i n a li sg i v e no u t t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ei n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gt e r m i n a lu s es a m s u n g s $ 3 c 2 4 1 0 ae m b e d d e da r m 9 2 0 tm i c r o p r o c e s s o r i i i 西华大学硕士学位论文 a st h ec o n t r o l l i n gc o r e b e s i d e s ，m e m o r ym o d u l e s ( i n c l u d i n gn o rf l a s h ，s d r a m ， s d d a t am e m o 巧c a r d sa n ds oo n ) 、p o w e rm o d u l e s ，s i g n a la c q u i s i t i o na n dr e c u p e r a t e m o d u l e s ，l c dd i s p l a ym o d u l e ，a l a r mm o d u l ea l s ow i l lb ee x p a n d e d t h ed e s i g no f h a r d w a r es y s t e ma l s oi n c l u d e sak e y b o a r dc i r c u i t ，c l o c kc i r c u i t ，r e s e tc i r c u i t ，j t a g d e b u gc i r c u i te t c t h er e a l i z a t i o no f t h ev a r i o u sp a r t so ft h ed e s i g ni sg i v e nad e t a i l e d e x p o s i t i o ni nt h i st h e s i s b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h em o n i t o r i n gt e r m i n a ls o f t w a r ei sd e s i g n e d i na c c o r d a n c ew i t ht h el a y e r e ds o f t w a r es y s t e mo ft h eo p e r a t i n gs y s t e m ，m i d d l e w a r e ， a p p l i c a t i o np r o c e d u r e s ，t h r o u g ht r a n s p l a n t i n ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 心o s i i t h i sm a k e si te a s i e rt om m n t a i na n du p g r a d es o f t w a r e t h es o f t w a r eo ft h ei n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gt e r m i n a l sa r ed i s c u s s e di nd e t a i li nt h i st h e s i s t h i sd e s i g ni m p l e m e n t st h e h a r d w a r ed r i v e rm o d u l e s ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n da p p l i c a t i o n s t h ew h o l e a p p l i c a t i o ni sd i v i d e di n t os i xt a s k si nt e r m so f t h ef u n c t i o n ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y a n dr e a l - t i m eo ft h es y s t e m ，t h r o u g hs c h e d u l i n gb yt h eo p e r a t i n gs y s t e mc o r e a p p l i c a t i o n sa c h i e v eaf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dt h ef u n c t i o no fa u t o m a t i c a n a l y s i so ft h ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l s ，a n df o c u so nt h em u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o n f u s i o no ft h ed - se v i d e n c 宅t h e o r ys o f t w a r e ，p h o n o c a r d i o g r a ma n dp u l s ew a v e r e c o 鲥z i n ga l g o r i t h m ，a n da u t o m a t i c a ld i a g n o s i sa l g o r i t h m t h ep o r t a b l e i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gt e r m i n a ls y s t e mh a sf r i e n d l yi n t e r f a c e ， e a s i l y - o p e r a t e d ，s c a l a b l ea n dh i g h l yf l e x i b l e ，a n dc a na c h i e v el o w c o s ta n dr e a l t i m e c a r e t h e p a p e rd e s c r i b e st h e a b o v ea l li n d e t a i l s ，r e a c h e st h eb a s i cd e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t k e y s ：s e n s o r ；m u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n ；a r m ；“c o s i i i v 西华大学硕士学位论文 申明 本人申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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：森冷 导师签名： 7 i 矽年多月仁日 矽年多月日 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密d 适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：? 2 ；勃 日期：川。乡乒 i + 指导教师签名： 日期：柳夕多 西华大学硕士学位论文 1 绪论 随着生活水平的不断提高，人们对健康保健和常规检查越来越重视。而当 今心血管疾病已成为威胁人类健康和生命的主要疾病之一。心血管疾病主要包 括冠心病、高血压、中风和外周血管病，它具有发病率高( 老年人发病率接近 4 5 ) ，死亡威胁大( 死亡率4 0 ) 的特点。据世界卫生组织统计，全球每年约 l7 0 0 万人死于心血管疾病，这一数字到2 0 2 0 年预计会增加5 0 ，而且死亡人 数的8 0 分布在低中等收入国家，。故该类疾病被公认为世界“头号杀手。根据 国家疾病检测系统的报告资料显示，同样在我国心血管疾病位居死亡率首位， 是现代社会中老年人口健康的最大威胁。很多心脏病人是由于未及时发现病变 延误了治疗而最终导致死亡，因此尽早地发现心血管疾病征兆，及时地了解心 脏状况，对疾病的预防和及时诊治具有重要的意义。近年来嵌入式系统技术的 飞速发展也为展开这类研究提供了良好的技术条件，多传感器信息融合技术为 心血管疾病的诊断提供了依据，它避免了传统的医生诊断的主观性和时间局限 性，可实时诊断心血管病人的病情，为及时救治赢得了宝贵的时间【l j 。 1 1 本课题的研究意义 心血管病由于其突发性，病人一旦在睡眠、外出、独自在家等无人看护状 态下发病，往往丧失主动呼救报警能力，难以得到及时救治，由此很容易导致 病人残疾或死亡。据统计，全世界每年有1 7 0 0 多万人因心脑血管疾病而死亡， 占总死亡人数的2 5 。多传感器信息融合的智能监护终端的研究为心血管疾病 的诊断提供了依据，它避免了传统的医生诊断的主观性和时间局限性，是为了 实现对病人的2 4 小时不问断安全监护而提出的一种新型系统，该系统能实时诊 断心血管病人的病情，在病情突变时自动报警，以方便迅速救治。 西华大学硕士学位论文 1 2 国内外现状和发展趋势 1 2 1 国内外现状 对于心血管疾病的监护，目前己提出的主要手段有临床医用监测系统、便 携式心电参数监测终端和远程心电监护系统三大类。 临床监测系统一般用于对住院病人的监测，早在2 0 世纪三、四十年代，美 国理学博士n o r m a nj h o l t e r 就开始从事生物信号的遥测技术，并于1 9 6 1 年成功 研制出世界上第一台动态心电监护系统，并开始应用于临床。此后他又进行了 一些改进，于1 9 6 5 年推出世界上第一台商业化h o l t e r 系统，使得d g c 技术成 为检出定量心律失常、心肌缺血等心脏疾病的重要而有效的方法，也使心脏病 的早期诊断和治疗成为可能，并很快在发达国家得到普及。随后h o l t e r 技术开 始围绕着分析速度、准确度、诊断范围三个方面迅速发展。我国在七十年代末 开始引进这项技术，并从大型医疗机构逐步向中小医院普及，成为临床上心血 管疾病诊断领域安全、实用、高效及准确的检测手段。六十年代，美国及其他 一些发达国家开始建立冠心病监护病房( c o r o n a r yc a r eu n i t ，c c u ) 和加强护 理病房( i n t e n s i v ec a r eu n i t ，i c u ) ，对病人进行长时间连续监测和分析，有效 地提高了工作效率和护理质量，大大降低了危重病人的死亡率。但是，对于处 于复杂环境、数量庞大的院外患者，h o l t e r 、c c u 和i c u 等却无法解决问题， 且设备体积和重量较大，测量参数较多，由护理人员按时记录，再经医生诊酬引。 便携式监测终端目前已有的系统包括心率监测终端、呼吸监测终端等，它 们多是根据某一监测参数的变化来提供声音报警，这些便携终端由于监测参数 单一，误报率高，能投入实用的很少，难以得到普及。 远程心电监护系统，该系统通过佩戴在病人身上的传感器实时监测生理参 数，利用无线或有线通信技术实现远程医疗和监护，但其必须要有医生进行诊 断，不具有智能诊断和报警功能。在国外，目前研究的远程心电监护报警系统 一般有两种类型：( 1 ) 心电b p 机系统。b p 机系统的家庭端一般包括一个类似 b p 机大小的心电图监护记录单元和通信单元。监护记录单元的功能是对佩带者 的心电图进行监护。当发现心电异常或佩带者感到不适时按下按钮可记录下6 秒到2 4 0 秒的心电图，然后使用者将监护记录单元放在通信单元上，将记录的 2 西华大学硕士学位论文 心电图通过接口转换经电话线送往医院。位于医院或诊所的中心端一般为一台 计算机，能完成一对一的心电图接收、显示、归档等管理功能。传输方式基本 为声祸合方式，即将0 5 h z - - 1 0 0 h z 的心电图经过频率调制到语音频段后再通过 电话话筒送出，在医院中心经过反变换恢复心电图数据。目前市场上的心电图 远程监护大多为这类系统，包括以色列的s h a h a l 医疗服务公司的电话传输心 电图监护系统、c a r d g u a r d 公司的c a r d g u a r d 系列心电监护系统、t i e 公司的 a e r o t e l 电话传输心电图等系统、美国的h e a r t f a x 、h e a r t m i r r o r 、h e a r t v i e w 系 列心电监护产品、瑞典的c a l i b e rt r i g g e rm o n i t o r 系统和国内珠海中立电子公司 生产的院外心脏病集群监护系统、“护心神”电话传输心脏监护系统；( 2 ) 心电 长时间实时监护系统，如清华大学研制的家庭心电恤压监护网系统。该系统的 家庭端单元由一个便携式心电检测仪和一台智能心电实时监护仪器构成。检测 仪以无线电方式发送的心电图由智能心电监护仪接收并对接收的心电图进行实 时处理。当异常心电图超过报警阈值时自动拨号将当时的心电图通过调制解调 器实时送往医酣川。 1 2 2 发展趋势 从发表论文和专利成果来看，目前国内外的主要研究趋势和内容包括：基 于蓝牙技术的家庭成员监护系统，通过布设在室内的传感器网络，对家庭成员 进行无线安全监护；基于无线传感器网络的病人监护系统，通过非接触传感器 监护病人身体状态；可植入人体的微型化传感器监测终端，利用无线技术和微 型化技术，实现病人的无负担工作生活等等。目前的技术趋势是以监护终端尽 量不影响病人的日常生活为目的，实现微型化和智能化，并对病人提供可靠的 看护。 本课题设计的监护终端为无创伤心血管功能检测诊断系统，系统通过心音 传感器、脉搏传感器等采集与心血管系统疾病相关的心音、脉搏波等信号，经 过计算机的多传感器信息融合分析获取心血管系统的血流动力流变学参数，利 用智能化的信息融合方法诊断人体的心血管功能是否正常。 3 西华大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要研究内容及特点 本课题研究的主要内容如下： l 、以目前主流的a r m 内核的嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 为核心，外围扩 展嵌入式模块，构建便携式智能监护终端的硬件平台。主要包括传感器的选择、 信号采集及调理模块设计、存储模块设计、人机接口模块设计、报警模块设计 等。 2 、在硬件平台上移植嵌入式操作系统p c o s i i ，并在该操作系统基础上完 成中间件层和应用程序层软件设计。 中间件层软件主要是与硬件相关的驱动程序和通信协议，驱动程序主要完 成硬件初始化等操作，并为上层应用程序提供接口。包括a d 转换驱动程序、 s d 卡驱动程序、人机接口驱动程序等。 应用程序层软件主要基于多源信息融合的智能化病人常态与病态判断方法 研究，研究在常态与生病状态下病人的生理参数的不同变化，通过智能化多源 信息融合方法，识别病人是否发病。涉及多源信息融合的d s 证据理论的软件 实现、心音和脉搏波的识别算法、自动诊断算法等。 相比现有的监护系统，本课题研究的智能监护终端的主要特点有： ( 1 ) 应用目前流行的嵌入式系统设计方法，移植嵌入式实时操作系统 p c o s i i 到嵌入式微处理器，将系统的关键功能划分为几个任务，由g c o s i i 操作系统内核调度，实现了多任务并行执行，使系统具有较高的可靠性和实时 性。 ( 2 ) 采用多传感器信息融合技术，提高心血管疾病监护诊断的准确率，使 得这一系统进入家庭、实现对病人的2 4 小时无人监护成为可能。 ( 3 ) 参数读取和智能监护功能，现有的病人监护系统仍需要有护理人员读 取和记录病人参数，由医生进行病情诊断，在没有医生时，无法判断病人身体 状态是否正常，本系统一方面提供参数读取功能，另一方面提供了智能监护功 能，能够根据多种传感器收集的信号判断病人是否发病，并及时提供报警，以 免延误救治时机。 ( 4 ) 提供病理信息的存储功能，存储一定时期内身体状态数据，一方面作 为自动诊断时的病史依据，另一方面可以提供给医生作为救治参考，以免误诊。 4 西华大学硕士学位论文 2 多传感器信息融合的便携式智能监护终端的整体设计 根据现有监护系统的特点及发展趋势，我们提出的多传感器信息融合的便 携式智能监护终端可实现对病人心音、脉搏等状态参数的实时监护，在l c d 上 显示生理参数值所采集的生理参数，利用多源信息融合方法，诊断病人是否发 病，在病人出现生理异常时，可蜂鸣报警，使病人能够得到及时救治。 根据所设计的监护系统要求，智能监护终端主要应具备以下功能： ( 1 ) 具备信号采集及调理功能，用于完成与需要的生理参数监护模块进行 数据通信。 ( 2 ) 具有良好的液晶显示界面，简单易操作的按键输入功能及报警接口， 完成人机交互及报警功能。 ( 3 ) 较高的智能性，有较强的数据处理功能，能实现比较先进的数据处理 算法，能够完成常见心血管疾病的识别判断功能，出现异常能够及时报警。 ( 4 ) 提供病理信息的存储功能，存储一定时期内身体状态数据，一方面在 自动诊断时作为诊断时的病史依据，另一方面可以提供给医生作为救治参考。 2 1 硬件整体方案设计 鉴于智能终端的功能，按照模块化的设计思想，其硬件部分应包括主控制 器模块、存储模块设计、信号采集及调理模块、人机接口模块、报警模块、时 钟及复位电路模块和j t a g 电路调试模块。主控制器模块是整个智能终端的核 心，主要负责控制各模块协调工作及数据的处理。其硬件方案如图2 1 所示。 5 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 ，1h a r d w a r eh o l i s t i cs c h e m e 图2 1 硬件整体方案 2 2 系统软件体系设计 在嵌入式系统中，按层次划分一般可划分为底层硬件设备、设备驱动及协 议( 可能基于操作系统) 、应用程序三层。高层只需要调用底层提供的接口函数， 而不需要知道实现的细节，就可以实现相应的功能。这种软件体系结构的划分， 对复杂的嵌入式系统软件的实现、测试、维护及升级，提供了很大的方便，并 且提高了程序的可移植性。系统软件体系结构如图2 2 所示。 应用程序( 任务) 设备驱动及协议 底层硬件设备 f i 9 2 。2s o f t w a r es y s t e m 图2 2 软件体系 6 嵌 入 式 操 作 系 统 o 西华大学硕士学位论文 3 多传感器信息融合的便携式智能监护终端硬件设计 3 1 主控制器选择 出于对本监护终端要可随身携带且在不同环境中连续长时间的工作，同时 要满足病人使用方便的考虑，在增强系统功能、降低功耗、价格因数、减少体 积及重量等方面都有特定需求，从而对主控制器性能提出更高的要求，经综合 对比考虑，本课题中智能监护终端系统选择s a m s u n g 公司的a r m 9 2 0 t 内核的 s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器为主控制器【4 】【5 1 。选择原则如下： 1 、主控制器的速度 本课题所设计的监护终端，需要对信号进行及时的转换处理，以及要实现 多个数据处理、存储等任务，所以对处理器的速度有较高的要求。$ 3 c 2 4 1 0 a 的 工作频率高达2 0 3 m h z ，它还采用了a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 新型总线结构，外部总线频率高达1 0 0 ，1 3 3 m h z ，这样的频率可以 满足上述的要求。 2 、接口 ( 1 ) l c d 接口 在进行数据采集同时，为更好的发挥监护功能，需为病人提供良好的人机 接口界面；同时出于对设备体积和重量等的考虑，处理器最好自带l c d 控制器， 以方便进行l c d 显示器的扩展。$ 3 c 2 4 1 0 a 自带l c d 控制器( 最大支持4 k 色 s t n 和2 5 6 色1 f t ) ，1 通道l c d 专用d m a ，所以符合l c d 接口的要求。 ( 2 ) i o 口 $ 3 c 2 4 1 0 a 有1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源，完全可以满足病人 通过按键与监护终端交互及进行异常报警等功能所需的i 0 口。 ( 3 ) a d 接口 s 3 c 2 4 1 0 a 具有1 个8 通道的1 0 位模数转换器( a d c ) ，有采样保持功能， 输入电压范围o 3 3 v 在2 5 m h z 的转换时钟下，最大的转换速率可达 5 0 0 k b p s 。心音和脉搏波信号可以选择其中的两个通道输入，完成数据的采集 和转换。 3 、存储要求 7 西华大学硕士学位论文 作为系统的灵魂，监护终端必须有信号采集、信号分析处理、存储读取和 监控等程序来实现各项具体功能和整个系统的协调，因此须需大量的程序存储 和运行空间；同时要对2 4 小时不间断监护的数据进行记录，所以需要大量的数 据存储空间。因而所选微处理器要有足够的程序和数据存储空间和接口来进行 存储扩展。s 3 c 2 4 lo a 带有外部存储器控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) 。所 以我们可以扩展程序存储器来存放系统的启动代码和智能监护应用程序；而扩 展的s d r a m 可以使程序代码在其中运行，以提高系统的运行速度，同时，系 统及用户堆栈、运行数据也都放在r a m 中，以供快速的读、写；大量的监护 数据可以存放在扩展的s d 卡中，而$ 3 c 2 4 1 0 a 微控制器内嵌了s d m m c s d i o 主机控制器，只需要在微控制器外部外接少量器件就可以读写s d m m c 卡。 4 、编程语言及指令系统 s 3 c 2 4 1 0 a 指令丰富，指令功能强，可以使系统有较高的数据处理能力，缩 短数据处理算法的执行时间，有利于实现终端系统的智能性。能够支持高级语 言编程( 如c c + + 语言) ，可以给程序设计带来极大的方便，提高程序的可移植 性，降低系统软件开发难度，缩短系统开发周期。 5 、操作系统 在$ 3 c 2 4 1 0 a 微控制器上可以移植操作系统，提高整个系统的稳定性和可 靠性。 6 、功耗 该监护终端由病人随身佩戴，而病人随时可能变换工作环境和地点，从这 一点上来讲，本监护终端属于移动设备，因此难以进行交流供电，只能采用电 池供电；由于要对病人进行2 4 小时连续不间断的监护，通常不能中途断电，因 而要满足长时间供电要求。要同时满足这些要求，必需降低系统的功耗，因而 选用的处理器必需是低功耗的。$ 3 c 2 4 1 0 a 采用了a r m 9 2 0 t 内核，0 1 8 p m 工 艺的c m o s 标准宏单元和存储器单元，它的低功耗、精简和出色的全静态设计 特别适用于对功耗敏感的应用。 8 西华大学硕士学位论文 3 2 存储器模块设计 本系统要实现信号采集及调理、智能监护、存储和产生异常报警等功能， 必须通过相关的软件来完成，因此需要大量的程序存储和运行、数据存储空间。 但$ 3 c 2 4 1 0 a 片内仅有1 6 k bi - c a c h e 、1 6 k bd c a c h e 和4 k bs r a m ，所以需进 行外部存储扩展。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的存储器管理器提供访问外部存储器的所有控制信号：2 7 位地 址信号、3 2 位数据信号、8 个片选信号、以及读写控制信号等。 $ 3 c 2 4 1 0 a 的存储空间分成8 组，最大容量是1 g b ，b a n k o - - b a n k 5 为固定 1 2 8 m b ，b a n k 6 和b a n k 7 的容量可编程改变，可以是2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、 1 2 8 m b ，并且b a n k 7 的开始地址与b a n k 6 的结束地址相连接，但是二者的容量 必须相等。 b a n k 0 可以作为引导r o m ，其数据线宽只能是1 6 位和3 2 位，复位时由o m 0 、 o m l 引脚确定：其它存储器的数据线宽可以是8 位、1 6 位和3 2 位h 。 3 2 1 程序存储器扩展一n o rf l a s h 本系统扩展了一片s s t 3 9 v f l 6 0 1 作为系统外部r o m ，存放系统的启动代 码和智能监护应用程序。s s t 3 9 v f l 6 0 1 是由s s t 公司推出的容量为1 m b x l 6 的 c m o s 多用途f l a s hr o m 。读写操作采用单一电源：2 7 3 6 v ，可擦写1 0 0 0 0 0 个周期，数据可保存1 0 0 年，能进行写结束的检测。符合j e d e c 标准，采用标 准总线与c p u 接口，与c o m s 电平的f o 接口兼容。具有可靠性好，功耗低、 读取快速等特点。 l 、系统接口 s s t 3 9 v f l 6 0 1 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的接口如图3 1 所示，它并被分配到b a n k 0 存 储块空间，即使用n g c s 0 作为片选信号，这样就可以使用此芯片来启动引导程 序运行。 9 西华大学硕士学位论文 胬踟6 a j f f i 9 3 1t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f s s t 3 9 v f l 6 0 1 a n d $ 3 c 2 4 1 0 a 图3 1s s t 3 9 v f l 6 0 1 与$ 3 c 2 4 1 0 a 接口电路 s s t 3 9 v f l 6 0 1 是1 6 位宽度的存储器，每进行一次读操作可取得2 字节数 据，对于$ 3 c 2 4 1 0 a 来说相应于半字对齐，操作地址最小的变化值为 0 】【0 0 0 0 0 0 0 2 。因此将$ 3 c 2 4 1 0 a 的a d d r i 引脚与s s t 3 9 7 1 6 0 l 的a 0 引脚连 接，忽略$ 3 c 2 4 1 0 a 的a d d r 0 引脚，其他地址依次递增连接即可。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 的n r s t 引脚与系统复位信号n r e s e t 相连接，当系统复位 时，s s t 3 9 v f l 6 0 l 同时被复位，然后返回到默认的读模式状态。与s s t 3 9 v f l 6 0 1 的n w p 引脚相连的是两个电阻，分别为r 5 、r 6 ，当允许写f l a s h 时选用r 5 ( 使 n w p 为1 ) ，若要禁止写f l a s h 则选用r 6 ( 使n w p 为o ) 【。丌。 2 、相关寄存器设置 s 3 c 2 4 l o a 的b s w c o n 寄存器第1 、2 位对应b a n k o 的总线宽度，是只读 的，其值直接取自于o m l 0 引脚的电平状态，不可修改。s s t 3 9 v f l 6 0 1 是1 6 位宽度的存储器，所以o m 1 ：o = 0 1 。对照s s t 3 9 v f l 6 0 的读时序，可通过对 b a n k 0 的b a n k c o n 0 寄存器相关位设置来进行操作时序修改。这些操作可在 1 0 西华大学硕士学位论文 系统初始化程序中通过汇编语言完成。 3 、n o rf l a s h 的读写操作及编程1 6 】 ( 1 ) 读操作 系统启动时就可自动进入读状态。s s t 3 9 v f l 6 0 1 的读操作是由c e 和o e 信 号线控制的。当两者为低时就可以从其输出口读取数据。因此，处理器只需提 供地址并配合读操作和片选信号，就可返回在那里保存的数据，无需额外的编 程。 ( 2 ) 写操作 将程序或数据写入到f l a s h 的过程叫编程或烧写。这一过程稍微麻烦一些。 因为在每个存储位置被重写之前先要进行擦除。擦除s s t 3 9 v f l 6 0 1 允许三种擦 除方式：扇区块整片擦除。扇区是统一的2 k x l 6 b i t 大小，块则为3 2 k x l 6 b i t 。 扇区操作通过执行6 字节的指令序列来进行，包括扇区擦除指令( 3 0 h ) 和扇区 地址( s a ) 。块的操作也是通过6 字节的指令序列来进行，包括块擦除指令( 5 0 h ) 和块地址( b a ) 。扇区或块地址在w e 信号的第6 个下降沿处锁存，指令字节( 3 0 h 或5 0 h ) 在一w e 信号的第6 个上升沿处锁存。之后，就开始内部擦除操作，可以 采用d a t a p o l l i n g 或t o g g l eb i t 的方法来判定擦除操作是否完成。整片擦除过程 与上面类似，仅擦除指令( 1 0 h ) 和字节序列最后地址( 5 5 5 5 h ) 不同。扇区擦 除操作流程如图3 2 所示。 写入写操作主要是以字来进行。写入之前，所在扇区如有数据，则必须先 进行充分地擦除。写操作分3 步进行：第l 步，写入“软件数据保护 的3 字 节：第2 步，写入要写入的地址和数据；第三步，内部写入处理阶段，在此阶 段，任何指令将被忽略【6 】。写操作流程如图3 3 所示。 f l a s h 的编程通常有离线编程和在线编程两种方式。离线编程需将f l a s h 从 线路板上拆下来，放到专用编程器上来进行，因而不是很方便。在线编程则无 需拆除，在采用主从交叉开发模式的系统中，允许目标c p u 控制编程器，通过 j a t g 接口来进行编程。本设计采用在线编程方式，在主机上运行专用烧写软件， 并通过$ 3 c 2 4 10 a 的j t a g 接口来将程序写入f l a s h 。 西华大学硕十学位论文 地 址：5 5 5 5 h 输入数据：x x a a h 0 地址：2 a a a h 输入数据：x x 5 5 h 0 地 址：5 5 5 5 h 输入数据：x x 8 0 h j 地址：5 5 5 5 h 输入数据：x x a a h 地址：2 a a a hl 输入数据：x x 5 5 h 上 地址：s a h 输入数据：x x 3 0 h 0 等待时间 上 扇区擦除f f f f h f i 9 3 2s e c t o re r a s eo f s s t 3 9 v f l 6 0 1 图3 2s s t 3 9 v f l 6 0 l 扇区擦除操作 3 2 2s d r a m 扩展 地址：5 5 5 5 h 输入数据：x x a a h 上 地址：2 a a a h 输入数据：x x 5 5 h j 地 址：5 5 5 5 h 输入数据：x x a o h 1 l 送出写入地址和数据 上 等待内容写入结束 ， 、 ( 写入结束 ) f i 9 3 3w r i t eo p e r a t i o no fs s t 3 9 v f l 6 0 1 图3 3s s t 3 9 v f l 6 0 l 写操作 随机存取存储器( r a n d o ma c c e s sm e m o r yr a m ) 是易失性的存储器；在掉 电以后数据即消失，不能够长久保存。但与r o m 器件不同的是，它的随机读 写速度非常快，写入数据之前也不需要进行擦除，这些特性使它成为嵌入式系 1 2 西华大学硕士学位论文 统中必不可少的存储设备之一。在完成系统的初始化之后，程序代码一般应在 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度；同时，系统及用户堆栈、运行数据 也都放在r a m 中，以供快速的读、写。$ 3 c 2 4 1 0 a 本身就提供了与s d r a m 进 行接口的解决方案，因此不需要通过编程来实现它们所需的接口时序，而只需 对与存储器控制器相关的寄存器进行适当配置即可。 本系统采用h y n i x 公司的h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 作为系统s d r a m 。根据系统的需 要，用户可构建1 6 位或3 2 位的s d r a m 存储器系统，在本系统中，考虑系统 的实际需要和系统的成本，我们构建了一个1 6 位的s d r a m 系统，即只选用了 一片h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 ，图3 4 给出了h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的连接电路。 。亨h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 f i 9 3 4t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0a n d $ 3 c 2 4 1 0 a 图3 4h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 与$ 3 c 2 4 1 0 a 的接口电路 h y 5 7 v 6 5 1 6 2 0 的b a o 、b a l 引脚是s d a m 内部b a n k 选择地址线，也就代 1 3 西华大学硕士学位论文 表了s d r a m 内存地址的最高位。 3 2 3 数据存储器的扩展 系统一要存储传感器送来的大量生理参数，二要存储系统处理完后的数据。 由于存在心音、脉搏等多种信号，所以数据量是很大的，因此，应该扩展数据 存储器。作为目前的非易失闪存技术，s d 卡是一种大容量、性价比高、体积小、 访问接口简单的存储器。做为便携式设备的存储载体，它还具有低功耗、非易 失性、保存数据无需消耗能量等特点。s d 卡接口向下兼容m m c ( m u t l i m e d i a c a r d 多媒体卡) 卡，访问s d 卡的s d 协议或s p i 协议及部分命令也适用于m m c 卡。s 3 c 2 4 1 0 a 微控制器内嵌了m m c s d s d i o 主机控制器，只需要在微控制 器外部外接少量器件就可以读写s d m m c 卡，而且s 3 c 2 4 l o a 已经提供了s d 主机控制器接口，因此设计s d 卡驱动电路时，只需要将这些接口相应的接到 s d 卡卡座就可以了，电路图如图3 5 所示，s d a l 隗o s d 触队3 、s d c m d 信号 线都使用一个电阻上拉至3 3 v ，是为了使本电路同时兼容s d 卡和m m c 卡。 结合以上因数，对比了市场上各种非易失性存储器后，决定采用s d 卡作为数 据存储器。 e i n t l 8 信号线用于检测s d 卡是否插入，当卡未完全插入时，n c d s d 为 高电平；当卡完全插入卡座时，c a r di n