（生物医学工程专业论文）嵌入式技术在便携式多参数监护仪开发中的应用.pdf

中国医科大学研究生学位论文独创性声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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，也不包含 为获得我校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 表示谢意。 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。 论文作者签名：墓笙 日期： 厮绷2 细 中国医科大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国医科大学有关保护知识产权的规定，即：研究 生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属中国医科大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为中国医科 大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为中国医科大学。学 校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。学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密 内容除外) ，以采用影印、缩印或其他手段保存论文。 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 茛华 中文论著摘要 嵌入式技术在便携式多参数监护仪开发中的应用 多参数监护仪能够同时监测人体多项生理参数，可以为临床诊断和治疗提供 重要的参考依据。伴随信息技术和生命科学技术等高速发展，医院及医院外很多 领域对便携式监护设备都有着极大的需求。目前监护设备却因成本高、体积大等 难于大幅度推广。 新兴的嵌入式系统开发将先进的计算机技术与具体的应用对象紧密结合，其 软硬件的高效设计使得能够在相同的资源条件下实现系统更高的性能，非常适合 于对成本、性能、体积、功耗等有严格要求的场合。 因此，嵌入式系统的优势完全满足了便携式多参数监护仪的发展要求，本文 采用嵌入式系统开发技术，设计实现了监护仪多路数据采集、存储、显示等后端 功能。采用a r m s y s 2 4 1 0 开发系统，设计了系统开发平台；实现了模数转换部分 在w i n d o w sc e5 0 操作系统下的流接口驱动程序；设计了相应上层应用程序的具 体实现流程；最终成功实现生理信号的模数转换，并可进行实时波形显示和存储。 分别在本系统和p c 机下对存储的数据进行波形回放，证明了所采集和存储数据 的有效性。针对开发中出现的主要问题，给出具体分析和相应解决方案。 根据国内监护仪发展使用现状和嵌入式系统的软硬件特点，选用高速、低价、 高性价比的$ 3 c 2 4 1 0 微处理器作为系统硬件部分的核心，将w i n d o w sc e5 0 操作 系统作为系统软件部分的核心。基于w i n d o w sc e5 0 定制用于我们系统开发的操 作系统，将生成的内核映像文件通过p c 机与开发板的u s b 通信和串口通信移植 到删s y s 2 4 1 0 开发板并成功运行。 为节省资源，采用$ 3 c 2 4 1 0 微处理器片p w m 定时器和模数转换器，实现监 护仪中的模数转换功能。依据w i n d o w sc e5 0 操作系统下流接口驱动的工作机制 和对中断的处理方式，在p l a t f o r mb u i l d e r 中开发了模数转换的底层驱动程序。设 计用p w m 定时器的中断频率控制采样率，在驱动中设置与硬件工作相关的寄存 器和一些全局状态变量，创建中断服务线程以处理p w m 定时器中断，在其中进 行模数转换后数据的读取，并启动下次a d 转换。 在e v c 集成开发环境中编制上层应用程序，经操作系统与所开发的底层驱动 进行通信。通过加载卸载打开关闭驱动程序，控制a d 的驱动程序；通过设置 p w m 定时器工作参数、启动或停止定时器等，控制模数转换的采样率及其过程。 对转换出的数据进行实时波形显示，可随时将转换结果存储为数据文件并进行回 放。 将开发的底层驱动和上层应用程序下载到实验开发板上，考虑到系统显示屏 大小限制，我们同时采集心电信号、脉搏信号和正弦( 三角) 信号三路信号，将 p w m 定时器中断频率设置为9 0 0 h z ( 目前最高可达到1 6 6 0 h z ) ，经过软硬件部分 的反复调试，得到良好的实时显示波形和回放波形。三路信号模数转换后所存储 的数据文件也可在p c 机上成功读取和显示波形，为进一步的分析处理奠定了良 好的基础。由此证明，我们所开发的底层驱动和应用程序完全可以用于对监护仪 后端数据分析处理功能的进一步开发。 在文章最后，对我们到目前为止的所做的工作以及所存在的问题做了分析和 总结，并对以后的工作内容和研究方向进行了展望。 关键词 便携式多参数监护仪；$ 3 c 2 4 1 0 ；w i n d o w sc e5 0 ；嵌入式系统 2 英文论著摘要 a p p l i c a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y i nd e v e l o p m e n t o fp o r t a b l em u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r m u l t i p a r a m e t e rp h y s i o l o g i c a lm o n i t o rc a np r o v i d es i g n i f i c a n tp a r a m e t e re v i d e n c e f o rc l i n i c a ld i a g n o s i si nt h ew a yt h a tm o n i t o rm u l t i p l ep h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e r sa tt h e s a m et i m e i t sd i f f i c u l tt ob ee x t e n d e dg r e a t l yb e c a u s eo ft h eh i i 曲c o s ta n dl a r g e v o l u m e ，e v e nt h o u g hal a r g en e e df r o mm u l t i p l ef i e l d sb e s i d e sh o s p i t a la p p e a r sa l o n g w i t ht h e t h er a p i d l yi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , l i f es c i e n c et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，a n ds oo n t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mc o m b i n e st h ea d v a n c e dc o m p u t a t i o n a l t e c h n i q u e sw i t ht h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nc l o s e l y i ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o n 、析t l l s t r i c tr e q u i r e m e n to nc o s t ，p e r f o r m a n c e ，v o l u m ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n , b e c a u s et h e 1 1 i 曲- e f f i c i e n c yd e s i g n o fi t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n a b l eah i g h e rs y s t e m p e r f o r m a n c eu n d e r t h es a m er e s o u l c e s i ts h o w st h a tt h ea d v a n t a g eo fe m b e d d e ds y s t e mc o m p l e t e l ym e e t st h ed e m a n do f t h ed e v e l o p m e n to fp o r t a b l em u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r t h e r e f o r e ，w ed e s i g n e da n d r e a l i z e dt h eb a s i cr u n i o no fb a c kp a r to ft h em o n i t o r , m a k i n gu s eo ft h ee m b e d d e d s y s t e md e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y b a s e do na r m s y s 2 4 10d e v e l o p m e n tb o a r da n dp c ， w eb u i l tt h ep l a t f o r mf o ro u rd e v e l o p m e n t w er e a l i z e dt h es t r e a m d r i v e rf o ra d p a r t i nw i n d o w sc e5 0 ，a n dp r o p o s e dt h ed e t a i l e df l o wo fu p p e ra p p l i c a t i o np r o g r a m i m p l e m e n t a t i o no fa n o l o g t o - d i g i t a l c o n v e r s i o nf o rp h y s i o l o g i c a lp a r a m e t e rw a s f i n i s h e dp e r f e c t l y t h ec o n v e r t e dd a t ac o u l db ed i s p l a y e di nr e a lt i m e ，b ep l a y e db a c k l a t e r , a n dc o u l da l s ob er e a da n dd i s p l a y e do np c ，w h i c hp r o v e dt h ev a l i d i t yo fo u r s a v e dd a t a a l s o ，t h e a n a l y s e s a n dt h es o l u t i o n st ot h em a i n p r o b l e m s i nt h e d e v e l o p m e n ta r ep r e s e n t e di n t h et h e s i s f i r s t l y ，b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i cm o n i t o r , w ec h o s et h e 3 c o s t e f f e c t i v e $ 3 c 2 4 1 0m i c r o p r o c e s s o r 、杭t l ll o wp r i c ea n dh i 曲s p e e da st h em a j o rc h i p o ft h es y s t e mh a r d w a r e ，t o o kt h ew i n d o w sc e5 0e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m 勰t h e c o r eo ft h es y s t e ms o f t w a r e r o o t e df r o mw i n d o w sc e5 0 ，w ec u s t o m e do p e r a t i o n s y s t e mw h i c hw o u l dw o r k o nt h eb o a r d t h r o u g hu s ba n ds e r i a lc o m m u n i t i o nb e t w e e n p ca n dt h eb o a r d ，w es e n tt h ek e r n e lr u n t i m ei m a g ef i l et ot h eb o a r d ，a n di tc o u l dw o r k w e l l s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep w m t i m e ra n dt h e10 一b i t a n o l o g t o - d i g i t a lc o n v e r s i o no nt h e $ 3 c 2 4 10c h i p ，t h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo ft h e s t r e a m - i n t e r f a c ed r i v e r ，a n dt h ei n t e r r u p th a n d l i n gm o d eu n d e rw i n d o w sc e5 0 ，w e r e a l i z e dt h es t r e a m - i n t e r f a c ed r i v e rf o rt h ea d p a r ti nt h em o n i t o r , w h o s es a m p l er a t e w a sc o n t r o l l e db yt h ei n t e r r u p tf r e q u e n c yo ft h ep w mt i m e r w ed e v e l o p e dt h ed r i v e r i np l a t f o r mb u i l d e r t h e r ew e r es o m et a s k si nt h ed r i v e r , s u c ha s ，s e tr e l a t i v er e g i s t e r s a b o u tt h eh a r d w a r ea n ds o m eg l o b a lv a r i a b l e s ，c r e a t e di s tt od e a l 谢mp w m i n t e r r u p t ， a n ds oo n i nt h ep w mi s t ，w er e a dt h ea n o l o g t o - d i g i t a lc o n v e r s i o nd a t aa n ds t a r t e d t h en e x t a d t h i r d l y , w ed e v e l o p e dt h eu p p e ra p p l i c a t i o ni n t h ee v c t oc o n t r o lt h ea d t h r o u g h t h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h eo s ，s u c h 嬲，l o a d u n l o a d o p e n c l o s et h ed r i v e r ，s e t p a r a m e t e rt oc o n t r o lt h eo u t p u tf r e q u e n c yo ft h ep w mt i m e r , g e tt h ec u r r e n to u t p u t f r e q u e n c yo ft i m e r , s t a r to rs t o pt i m e r , a n ds oo n w ec a nd i s p l a yt h ew a v e f o r mi n r e a l t i m e ，s a v et h ec o n v e r s i o nd a t ai nt i m e ，a n dp l a yb a c kt h es a v e dd a t a t h e n ，w o r k i n g 、 ，i t l l9 0 0h zp w m t i m e ri n t e r r u p tf r e q u e n c y ( u pt o16 6 0 h zs of a r ) ， w ec o n d u c t e de x p e r i m e n t st h r o u g ho u rd r i v e ra n du p p e ra p p l i c a t i o nt oc o l l e c t e l e c t r o c a r d i o s i g n a l ，p u l s e ，a n ds i n ew a v e ( o rp y r a m i d a lw a v e ) a tt h es a l l l et i m e g o o d w a v e f o r m sc o u l db ed i s p l a y e da n dp l a y e db a c kp e r f e c t l ya f t e rd e b u g g i n gh a r d w a r da n d s o r w a r dt i m ea f t e rt i m e t h es a v e dd a t af i l ec o u l db er e a da n dd i s p l a y e do np c s u c c e s s f u l l y t h e r e f o r e ，o u rd r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m m ec o u l db eu s e di nt h e f u t u r ed e v e l o p m e n tf o rd a t aa n a l y s ea n d p r o c e s si nt h em o n i t o r t h ep a p e re n d s 、 ，i t ha n a l y s e sa n dc o n c l u s i o n sa b o u tw h a tw e v ed o n es of a ra n d 4 t h ee x i s t i n gp r o b l e m s ，a n dt h er e s e a r c hd i r e c t i o no ft h ef u t u r ew o r ki sp r o s p e c t e d k e y w o r d s p o r t a b l em u l t i p a r a m e t e rm o n i t o r ；$ 3 c 2 4 1 0 ；w i n d o w sc e5 o ；e m b e d d e ds y s t e m 5 论文 第一章绪论 帚一早瑁化 1 1 课题背景及其研究意义 随着生命科学技术、信息技术、网络技术的高速发展，家庭、社区、野外救 助现场等更多领域有了对医疗监护设备的大量需求，但却面临着由于监护设备成 本高、体积大不便于移动等原因而难于推广的矛盾。因此，开发出体积小、智能 化程度高、稳定性好的便携式多参数医疗监护设备就成为一种迫切的需要。 在数字信息技术高速发展的当今社会，嵌入式技术已渗透到了社会的方方面 面，如：工业控制领域、智能交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、p o s 网 络及电子商务、环境工程与自然、机器人领域等，各种嵌入式产品不断推陈出新， 与人们的生活联系日益紧密。由于嵌入式系统有着体积小、功能集中、可靠性高 等优点，2 0 世纪9 0 年代以来，嵌入式系统己广泛应用于医学仪器领域，如：c t 、 磁共振、加速器等大型设备；彩超、经颅多普勒、动态心电、脑电、心电等电诊 设备；全自动生化分析系统及免疫测试系统等检验设备，以及病房c c u 病人信息 监控系统、心脏起搏器、手术室的呼吸麻醉监护系统和i c u 、药剂控制及配药系 统等，成为现代医学电子仪器的研究热点及发展方向【1 1 。今后，随着嵌入式技术 的进一步发展，它还将以更大的速度应用于更广泛的领域，发挥其面向应用、软 硬件可剪裁、功能强大的优势，推动社会各领域的快速发展。 基于便携式多参数监护仪向病房外更广领域推广的迫切性以及嵌入式系统体 积小、功能强大、成本低等的优势，本文选用了高速、低价、高性价比的a r m 9 核$ 3 c 2 4 10 a 微处理器作为主控芯片，以w i n d o w sc e 嵌入式操作系统作为软件 开发平台，为实现能够向家庭、社区等更多领域推广的便携式多参数监护设备， 进行了嵌入式技术应用方面的开发。 1 2 便携式多参数监护仪概述 医用监护仪用于监测分析人体的生理机能参数，为临床诊断和治疗等提供重 7 要的参考指标和客观依据，是现代医疗中一种不可缺少的重要设备。 1 2 1 我国监护仪现状 我国医疗监护仪的使用，起始于对心血管疾病的监护，目前已经广泛地应用 于心脑血管、呼吸、妇产、新生儿、麻醉手术及睡眠等监护。由单一学科发展到 多病种、多科室、多学科的应用，同时也由大医院拓展到中小医院，已经或正在 由特殊使用变成常规手段，并正以很快的速度扩展其使用范围。 我国于2 0 世纪8 0 年代后期才开始少量引进和研制监护仪1 2 ，因此，监护仪 技术起步较晚。进入9 0 年代，随着传感技术和电子技术的发展，监护参数不断增 多，由过去的单一参数监护发展为多参数监护。比如，由单一的心电监护、血压 监护、血氧饱和度监护，逐步发展成为包括心电、呼吸、血压、血氧饱和度、体 温、呼吸末二氧化碳、心输出量及麻醉气体分析等在内的多参数监护仪，这些设 备正在医院临床的诊断中发挥着积极的作用。目前国内市场上有很多厂商出售监 护仪的o e m 模块，监护仪厂家可以采用成熟的o e m 模块产品来加强产品的竞争 力，所以，近几年国内监护仪厂家得到迅速发展。尽管我国的监护仪技术取得了 长足的发展，但是必须清醒地认识到，我国监护仪产品的总体水平与国际水平相 比仍有一定差距，因此必须进一步提升监护仪领域的技术水平，自主创新，使当 前监护仪的应用进一步推广和普及，产品质量和功能进一步增强。 监护仪的发展很大一部分体现在监护功能越来越全面，操作越来越人性化。 多参数监护仪能同时监测人体多项体征参数，如：心电信号、心率、血氧饱和度、 血压、呼吸率、体温等，实现对各参数的监督、异常报警、信息存储和传输等， 是一种监护人体生理信息的重要设备，更能满足普通临床科室的需要，因此，较 单一参数的监护仪更受欢迎。 目前普遍采用的基于p c 机平台多参数监护仪，价格昂贵，体积庞大，不便 于移动；虽然也有人研究了微型便携式多参数监护仪，但它们大多采用低档单片 机实现【4 】，只能进行简单控制，在数据实时分析处理和多任务处理方面很难实现， 人机交互能力也不够强大，不适于大范围推广。 虽然当前监护仪研发生产领域有了比较大的发展，但是我们必须看到，当今 的监护仪一般都是体积比较大，而且价格昂贵，它们主要被应用在医院的各病房 8 和科室，用作对病人的监护。随着现代医疗水平和数字信息通信技术的提高，在 病房以外如家庭、社区、野外等领域对监护仪的需求越来越大，这就需要监护仪 在体积、功能、成本等方面能有针对性地改善和发展，以满足在病房外进行监护 的需求。 1 2 2 监护仪构成及工作原理 监护仪应用的领域不同，功能各异t 3 1 ，但是一般说来，其整体构成基本都是 相同的，如图1 1 所示。 图1 1 ，监护仪的构成 ( 1 ) 生物信号检测部分 通过用于非电生物信息测量的传感器或者提取生物电信息的传感元件生物电 测量电极，把反映人体状态的生理信息如：心电、脑电、肌电、心音、血压、脉 搏、血流、呼吸和体温等提取出来，转化为可以处理的电信号，供后级处理。 ( 2 ) 模拟信号调理部分 由于人体生物电信号具有信号弱、频率低等特点，而且处于严重的噪声背景 之中，所以需要将提取的信号进行放大、滤波、运算、恢复信号特征、抑制伪迹 与干扰等，对有用的信号中感兴趣的部分，实现采样、调制、解调和阻抗匹配等。 ( 3 ) 模数转换 将处理好的信号进行模数转换，以使计算机系统能够接收数字数据，从而进 行后续的处理、分析、存储等。 ( 4 ) 计算机系统 由p c 机或者由某种核心控制芯片或处理芯片控制的计算机系统，对接收的 数字信号按一定算法进行运算、处理、分析，如基线漂移的处理、信号的数字平 滑滤波、信号周期、幅度的计算等，将计算结果进行显示、存储，对异常数据进 行报警等。 9 1 3 论文的主要研究内容 要实现监护仪的大面积推广，就必须在功能强大的基础上做到体积小、成本 低、环境适应能力好、稳定性高等。而当前嵌入式技术的高速发展，使我们研制 小体积、低成本、便携、同时功能更强大的监护仪成为可能。 应用嵌入式技术后，高性能嵌入式处理器芯片、嵌入式操作系统以及功能强 大的应用软件，可以使监护仪朝着多功能、智能化、微型化的方向发展，仪器的 稳定性会进一步提高，数据处理也会更快速精确，仪器整体功能将更加强大。 因此，本文结合嵌入式系统的优势，对监护仪中模数转换部分和计算机系统 部分对数据的存储显示等功能的实现进行了应用开发，具体工作如下： ( 1 ) 平台搭建 针对成本和性能的需求，经过对各种嵌入式系统软硬件平台的特点分析，选 择w i n d o w sc e5 0 嵌入式操作系统和$ 3 c 2 4 1 0 微处理器分别作为系统软硬件部分 的核心。 以a r m s y s 2 4 1 0 开发板为硬件平台，结合其b s p 定制生成了运行于开发平 台的w i n d o w sc e5 0 操作系统，结合p c 机上的p b 和e v c 集成开发环境，构建 了开发环境。 ( 2 ) 驱动开发 根据w i n d o w sc e5 0 下流接口驱动程序的工作机制及其中断处理过程，结合 $ 3 c 2 4 1 0 片上硬件资源的特点和工作原理，在p l a t f o r mb u i l d e r 中开发了p w m 定 时器定时驱动模数转换的流接口驱动程序。 ( 3 ) 上层应用程序开发 结合所开发的驱动，在e v c 中进行了相应上层应用程序的开发，包括对驱动 程序的操作，对采集到的数据的实时波形显示，及时对转换的数据进行存储，以 便于进行后期处理分析，并可对存储的数据进行波形回放。 最终，我们存储下来的的a d 转换后的数据文件可以成功在p c 机v c + + 6 0 中进行读取数据并显示，说明我们得到的数据是有效的，并可用于p c 机上的进 一步分析处理。 1 0 第二章嵌入式系统 本章根据开发的需求，针对嵌入式技术在此次开发中的应用，从嵌入式系统 的组成、特点的角度，分析了此次开发的系统的体系结构。 2 1 嵌入式系统概述 本文利用嵌入式技术对监护仪中后端功能作以相应开发，因而在此首先对嵌 入式系统作一介绍。 2 1 1 嵌入式系统的概念 目前，对嵌入式系统的定义多种多样，并没有一种完全统一的说法。 英国电气工程师协会( i e e e ) 将嵌入式系统定义为“控制、监视或者辅助设 备、机器和车间运行的装置 ( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o n o fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。 按照历史性、本质性及普遍性要求，嵌入式系统应定义为：嵌入到对象体系 中的专用计算机系统【5 1 。它一般不以独立的设备或者装置的形式出现，而是将自 己隐藏( 嵌入) 在各种设备和装置的内部，根据主体设备或者装置的需要，发挥 其运算、处理、存储和控制的作用【6 1 。 另外，一个比较普遍的对嵌入式系统的定义是：嵌入式系统( e m b e d d e d s y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于对功能、 可靠性、成本、体积及功耗等有严格要求的专用计算机系统【刀。 随着后p c 时代的到来，手机、m p 3 、p d a 、车载g p s 系统、固定电话甚至 电冰箱微波炉，以及医院中使用的c t 、磁共振、彩超等等，人们日常生活中越来 越多的产品采用嵌入式系统。而且，随着相关技术的发展，嵌入式技术必将与更 多的应用领域结合，以更加迅猛的速度发展。 2 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般指非p c 系统，但它与普通的计算机系统一样，也是由硬件 和软件两大部分组成的【8 l 。 ( 1 ) 嵌入式系统的硬件 硬件部分是嵌入式系统的物理基础，它提供软件运行的平台和通信接口，包 括核心处理器、外围电路和外围设备三部分。其中，嵌入式处理器是嵌入式系统 硬件的核心部件，负责控制整个嵌入式系统的执行。 ( 2 ) 嵌入式系统的软件 软件部分负责控制系统的运行和行为。它包括嵌入式操作系统( 一般要求实 时多任务操作系统) 和应用程序。其中，操作系统是连接计算机硬件和应用程序 的系统程序，它使计算机硬件便于使用，并高效组织和正确地使用计算机的资源。 2 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统不但和一般的p c 系统不同，而且针对不同的具体应用而设计的 嵌入式系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单，而且在兼容性方 面要求不高，但是在体积、成本方面限制较多。 嵌入式系统和通用型计算机系统相比具有以下特点【9 】： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的，所以其设计开发须要考虑特定环境和 系统的要求。 ( 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与各个行业的 具体应用相结合后的产物。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，力 争在相同的资源条件下实现更高的性能。 ( 4 ) 嵌入式系统与具体应用和行业特点有机地结合，因此其升级换代也是和具 体产品同步进行的，因而嵌入式系统产品一旦进入市场，会具有较长的生命周期。 ( 5 ) 为提高系统的执行速度和系统可靠性，嵌入式系统软件一般都是固化在存 储器芯片或单片机中，而不是存储在； b d n 的磁盘等载体中。 ( 6 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，设计完成后，用户通常不能对其中 的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 2 2 2 嵌入式系统的硬件平台 2 2 1 嵌入式处理器的分类 正如我们前面提到的，嵌入式系统硬件平台的核心部件是各种类型的嵌入式 处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种数量已经超过1 0 0 0 多种，流 行的体系结构有3 0 几个系列。一般可以将嵌入式处理器分为4 类【1 0 】，即： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器装配 在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功 能上与标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面 一般都做了各种增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重 量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线 接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式 微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机，如 s t d b u s 、p c i 0 4 等。嵌入式微处理器目前主要有a r m 系列、p o w e r p c 、6 8 0 0 0 、 m i p s 、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 4 0 0 等。其中a r m 系列和p o w e r p c 系列目前得到 的应用最广泛。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 微控制器又称为单片机，将整个计算机系统集成到一块芯片中。微控制器一 般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总 线逻辑、定时器计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h r a m 、e e p r o m 等各种必要功能和外设。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最 大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制 器的片上外设资源比较丰富，适合于控制。目前微控制器的品种和数量最多，比 较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s 2 5 1 、m c 6 8 h c 0 5 等，另外还有 许多半通用系列，如支持u s b 接口的8 x c 9 3 0 9 3 1 等。目前，m c u 占嵌入式系统 约7 0 的市场份额。另外，也值得注意，近年来提供x 8 6 微处理器的著名厂商 1 3 a m d 公司，将a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器称为m i c r o c o n t r o l l e r ，f r e e s c a l e 公司把以p o w e r p c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 也列入单片机行列。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面d s p 算 法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两个发展来源：一是 d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，如i n t e l 公司的m c s 2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的是t i 公司的t m 3 2 0 系列和f r e e s c a l e 公司的d s p 5 6 0 0 0 系 列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，在一 个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是片上系统。各种通用处 理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为 v l s i 设计中的一种标准的器件，用标准的v h d l 等语言描述，存储在器件库中。 用户只须定义出整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制造 样品。这样除了各别无法集成的器件外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块 或几块芯片中去，从而使得应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、 提高可靠性非常有利。s o c 可以分为通用和专用两类。通用系列包括 i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 公司的t r i c o r e ，f r e e s c a l e 的m c o r e ，某些a r m 系列器件，e c h e l o n 和f r e e s c a l e 公司联合研制的n e u r o n 芯片等。专用s o c 一般专用于某个或某类系 统中，不为一般用户所知。 嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，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。如，比较流行的嵌入式处理器架构有： a r m s t r o n g a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，x 8 6 ，6 8 k c o l df i r e 等。a r m 、x 8 6 、6 8 0 0 0 系列等3 2 位嵌入式芯片逐步占领嵌入式系统应用领域市场，而a r m 也因其高性 1 4 价比极具应用前景。 2 2 2 嵌入式微处理器的特点 嵌入式微处理器通常具有以下特点： ( 1 ) 具有支持多任务运行的能力，响应中断时间短，以满足系统实时性需求； ( 2 ) 具有较强的存储区保护功能，有助于嵌入式系统的软件模块化实现； ( 3 ) 具有可扩展的处理器结构，以便硬件厂商能迅速地开发出满足用户应用需 求的最佳性能的嵌入式微处理器； ( 4 ) 具有低功耗的特点，通常为m w 或u w 级，适应在便携式移动设备中应 用。 2 3 嵌入式系统的软件平台 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 统极为重要的组成部分，是其软件平台的核心【l l 】。 2 3 1 嵌入式操作系统的分类 1 、从应用角度分类 嵌入式操作系统从应用的角度可以分为： ( 1 ) 通用型嵌入式操作系统 当通用型嵌入式操作系统应用到实际的嵌入式环境中时，一般都要经过重新 定制的过程，以适应具体环境的要求。常见的通用型嵌入式操作系统有l i n u x 、 v x w o r k s 、w i n d o w sc e 等。 ( 2 ) 专用性嵌入式操作系统 专用性嵌入式操作系统是针对应用较为广泛、环境变化相对较小的嵌入式系 统环境专门设计的操作系统，所以在具体应用时，可以不经剪裁而直接应用，或 经过较少的设置就可以应用。常用的专用型嵌入式操作系统有s m a r tp h o n e 、p o c k e t p c 、s y m b i a n 等。 2 、按实时性分类 嵌入式操作系统按照实时性可以分为两类： 1 5 ( 1 ) 实时嵌入式操作系统 实时嵌入式操作系统主要面向控制、通信等领域。如w i n d r i v e r 公司的 v x w o r k s 、q n x 系统软件公司的q n x 等。 ( 2 ) 非实时嵌入式操作系统 非实时嵌入式操作系统主要面向消费类电子产品，包括个人数字助理( p d a ) 、 移动电话、机顶盒、电子书、w e b p h o n e 等。如微软面向手机应用的s m a r t p h o n e 操作系统。 目前从市场占有率来说，国内在嵌入式领域主要使用的操作系统有v x w o r k s ， w i n d o w sc e ，e m b e d d e dl i n u x 及p a l mo s 。 2 3 2 嵌入式操作系统的特点 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、图形界面及标准化浏览器等，它具有通用操作系统的基本特点， 如： ( 1 ) 能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理机调度、存储管理、 设备管理、中断处理等操作系统任务； ( 2 ) 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； ( 3 ) 能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。 但是与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时性、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。 ( 1 ) 可定制性 因为嵌入式系统环境的要求，嵌入式操作系统一般需要提供可添加或可剪裁 的内核及其他功能，能够让用户根据需要自行进行配置。 ( 2 ) 可移植性 因为目前的嵌入式处理器种类很多，所以嵌入式操作系统要支持尽可能多的 处理器，这样才能使用户具有硬件选择的灵活性。为了做到操作系统的可移植性， 操作系统在硬件支持方面通常采用硬件抽象层( h a l ) 和板级支持包( b s p ) 的 结构设计方法。 1 6 ( 3 ) 实时性 这是嵌入式系统环境的现实要求，不满足一定的实时性，嵌入式操作系统就 无法应用到一些环境中。 ( 4 ) 低资源占有性 这也是嵌入式系统的要求。相对其他计算机而言，嵌入式设备一般都配置少 量的r a m 、频率较低的微处理器、很小的永久存储空间甚至没有。系统资源少的 特点决定了嵌入式操作系统必须尽可能地减小资源占有率。 2 4 课题选用的软硬件平台 2 4 1s 3 c 2 4 10 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，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。如，比较流行的嵌入式处理器架构有： a r m s t r o n g a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，x 8 6 ，6 8 k c o l df i r e 等。本课题选用三星公 司的$ 3 c 2 4 1 0 a 嵌入式微处理器作为系统的处理器，它是一款由s a m s u n g 半导体 公司为手持设备等相关应用设计的、采用了五级流水线和哈佛结构、低功耗、高 集成度、基于a r m 9 2 0 t 内核1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，采用2 7 2 脚f b g a 封装，主要面向手持设备，以及高性能、低功耗的应用【1 2 】。$ 3 c 2 4 1 0