（电路与系统专业论文）嵌入式生理信息远程监护系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

嵌入式生理信息远程j l f 护系统 嵌入式生理信息远程监护系统 专业：电路与系统 姓名：李雅俊 导师：钟清华 摘要 人体生理信息的监护是医护人员更好地了解病患病情、并做出准确的诊断和 治疗的重要手段。本文进行了基于嵌入式系统的生理信息远程监护系统的研究与 实现。系统采用浏览器朋艮务器( b s ) i 作模式，主要由嵌入式生理参数监护终端、 医生端计算机、医院服务器三个部分组成。 嵌入式生理参数监护终端由嵌入式系统及多种生理信息采集模块构成，各生 理信息采集模块与嵌入式系统之间通过串口以一定的通信协议进行通信。生理信 息采集模块采集监护对象的多种生理信息，并将结果按照通信协议的规定传输到 嵌入式装置。嵌入式系统以图形界面显示采集信息，并构建嵌入式w e b 服务器。 系统的每个嵌入式生理参数监护终端既可以独立运行，又可通过i n t c m e t 与 医生端进行交流。当嵌入式生理参数监护终端连上互联网以后，医生端在任何具 备互联网接入的地方使用w e b 浏览器可以访问嵌入式w e b 服务器，通过浏览 器上的动态网页进行生理信息的远程监护。系统还利用嵌入式w e b 服务器实现 了一定的远程视频功能，实现了远程监护终端与医生端都可以进行在线交流。另 外，通过医院服务器还可以解决远程监护终端的动态p 问题。 本设计的嵌入式生理参数监护终端采用了基于a r m 9 2 0 t 内核的处理器 $ 3 c 2 4 4 0 为核心处理器，l i n u x 为实时嵌入式操作系统，利用嵌入式图形界面系 统q t o p i a 进行人机界面设计，实现了触摸屏监护界面的人机交互、生理信息采集 和存储等功能。通过移植b o a 服务器，在嵌入式生理参数监护终端实现嵌入式 w e b 服务器功能，利用h t m l 、j a v aa p p l e t 和c g i 技术开发动态网页，在动态 网页上实现了心电信号、心率以及其他各种生理信息数据的远程回放和下载等功 能。嵌入式生理信息监护终端采用了模块化的设计，分工明确，结构清晰，易于 嵌入式生理信息远程i 监护系统 日后的修改、优化和维护，同时系统体积小、功耗低、使用方便、功能强，可以 广泛应用于适合于家庭和社区医疗保健中的远程监护。 关键词：嵌入式l i n u x 系统；生理信息远程监护；q t o p i a ；远程视频 嵌入式生理信息远程临护系统 a b s t r a c t m u l ti - f u n c t10 nt e l e - m o nit o rln gs y s t e m b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s n a m e ：l iy a j u n s u p e r v i s o r ：z h o n gq i n g h u a p h y s i o l o g i c a l i n f o r m a t i o n so fh u m a nb e i n g s ，w h i c hc a nb em o n i t o r e d b y m u l t i - f u n c t i o nm o n i t o rf o rl o n gt i m e b e c a u s eo ft h eu s eo ft h e s em o n i t o r s ，p a t i e n t s c o u l dr e c e i v eam o r ea c c u r a t ed i a g n o s i sa n db e t t e rt r e a t m e n t t h i sp a p e ri n d i c a t e sa n e wt e l e - m o n i t o r i n gm e t h o db a s e do ne m b e d d e ds y s t e m t h ew h o l es y s t e m c o m p r i s e sa nm u l t i - f u n c t i o nm o n i t o rw i t hn e t w o r kp o r ta n de m b e d d e dw e bs e r v e r ，a c o m p u t e rw i t hb r o w s e ru s e db yd o c t o ra n dh o s p i t a ls e r v e r 。m u l t i f u n c t i o nm o n i t o r c o n t a i n sp h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nm o d u l ea n de m b e d d e db o a r d s ，w h e nt h e m u l t i - f u n c t i o nm o n i t o ri sc o n n e c t e dw i t hi n t e m e t ，t h ed o c t o r sc a nu s et h eb r o w s e rt o v i s i tt h ee m b e d d e dw e bs e r v e ri nm u l t i - f u n c t i o nm o n i t o r , a n dt h e p h y s i o l o g i c a l i n f o r m a t i o na r es h o w no nt h ed y n a m i cw e bp a g er u n n i n gi nt h eb r o w s e r w i t h e m b e d d e dw e bs e r v e r ，s y s t e m a p p l y s r e m o t ev i d e of u n c t i o n p a t i e n t sw i t h t e l e - m o n i t o r i n gt e r m i n a la n dd o c t o rc a nv i s i tt h eh o s p i t a lw e b s e r v e rt oh a v eao n l i n e c h a t h o s p i t a ls e r v e r a l s os o l v e st h et e r m i n a lp r o b l e mo fd y n a m i ci p t h ed e v i c e sc p ui st h e $ 3 c 2 4 1 0 aw i t hac o r eo fa r m 9 2 0 t , a n dt h eo p e r a t i n g s y s t e m i sl i n u xr t o s q t o p i ai sa l le m b e d d e dg r a p h i ci n t e r f a c es u p p o r t i n g s y s t e m t h e e m b e d d e dw e bs e r v e ri sr e a l i z e d b yt r a n s p l a n t i n gb o aw e b s e r v e r h t m l ，j a v aa p p l e ta n dc g id y n a m i cw e bp a g et e c h n o l o g i e sa r eu s e dt o d e v e l o pt h ed y n a m i cm o n i t o r i n gp a g e t h i ss y s t e mc a nd i s p l a ye c gw a v e f o r m ，h e a r t i i i 嵌入式生理信息远程i 监护系统 r a t e ，r e v i e wa n dd o w n l o a dp h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n d a t ar e m o t e l y ，a n ds o o n d e s i g n e do nm o d u l a r i z a t i o nt e c h n i q u e ，t h es y s t e mi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s w i t h s p e c i f i c f u n c t i o na n dc l e a r f r a m e ，f a c i l i t a t i n g i t sf u r t h e rm o d i f i c a t i o n ， o p t i m i z a t i o na n dm a i n t e n a n c e i tc a nb ew i d e l yu s e di nf a m i l ym e d i c a lc a r eo ri nt h e c o m m u n i t y k e y w o r d s ：e m b e d e dl i n u xs y s t e m ；m u l t i f u n c t i o nm o n i t o r ；q t o p i a ；r e m o t ev i d e o i v 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：蕉揪 日期：p 7 年手月刁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 搠吹铷繇吖稚气 厂月中 慨卅阵r 月叼日 嵌入式生理信息远程监护系统 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着生活水平的不断提高和工作压力的增大，身体健康体现的越来越重要， 医疗保健的需求也越来越旺盛。随着我国迈入老年化国家的行列，人口老龄化问 题日益严重，老年病、慢性病等在医疗服务中占的比重逐渐上升，对这些类型疾 病的监控和早期发现越来越重要。但我国目前的医疗资源主要集中在城市的大中 型医院，有限的医疗资源与患者需求之间的矛盾更加突出，特别是行动不便的老 年人群和远离城市而又交通不便的经济欠发达地区的患者无法得到及时有效的 护理治疗。【l 】在这种情况下，社区医疗、家庭远程医疗监护逐渐在人们的生活中 发挥了重要的作用。 家庭远程医疗监护是一种新型的医疗模式，它的出现使现有的医院功能得以 延伸到基层和家庭，它不仅提供方便舒适的生活环境，还承担了健康教育、慢性 病监测、老年生活照顾和保健等责任，具有非常广阔的市场潜力。家庭远程医疗 监护系统融合了远程医疗和智能住宅的思想，可以在舒适的家庭环境中实现对使 用者健康状况远程监护。系统以便携式、智能化、安全可靠又具有远程监护功能 的小型医疗装置为主，通过网络由社区、家庭向医院监护中心传送生理数据，医 院回送诊断结果及治疗方案，实现病人在无拘束状态下的监护，对提高病人的康 复率、减轻国家和病人的经济负担有着积极的意义。 1 2 嵌入式生理信息远程监护系统的研究现状 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。我国于2 0 世纪 8 0 年代后期开始少量引进和研制监护仪。【2 】进入9 0 年代，随着传感技术和电子 技术的发展，监护的生理参数不断增多，由过去的单一参数监护发展为多生理参 数监护，如由单一的心电监护、血压监护、血氧饱和度监护，逐步发展成为集心 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 析等参数为一体的监护仪，在医院临床的诊断中发挥着积极的作用【3 1 。 基于p c 机的生理参数监护仪【体积比较大，且价格昂贵，它们主要被应用在 医院的各病房和科室，用作对住院病人的监护。随着现代医疗水平和数字信息通 嵌入式生理信息远程监护系统 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。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，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。 随着i n t e m e t 的发展，国内外提出了多种基于i n t e r n e t 的生理参数远程监护系 统【4 1 ，但他们多采用c s 模式进行单向数据传输，监护仪将采集的生理参数上传 到服务器，医生再从服务器下载生理参数进行分析与诊断。这种模式既不能对患 者的生理信息进行实时监护，也不能进行医患间的实时交流。在便携式的移动监 护设备上，许多国家一直都致力于该领域的研究。国外已有类似的产品出现，能 够实时地进行视频、音频和生命参数的传输【5 l 。国内虽有心电信号远程监护仪等 的研究，但是大多停留在单一的生理参数采集数据，通过电话线或i n t e r a c t 传送 数据，不具备音视频采集、处理与传输，且在本地监护与数据分析上的功能相对 较弱，难以普及推广【6 】。 本文设计的基于嵌入式系统的生理参数远程监护系统，它采用基于b s 结 构，实现的主要功能是让医生通过w e b 浏览器就可以直接查看在家中的病人的 生理信息，并且医生和病人都可以登录到医院服务器进行在线交流，可在社区和 家庭环境下对病人的多种生理参数进行远程实时监护。 1 3 论文主要研究内容 本文基于$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式硬件平台和l i n u x 实时嵌入式操作系统设计并实现 嵌入式生理信息远程监护系统。该系统开发了基于q t o p i a 图形界面的嵌入式端 软件以实现现场医疗监护，在嵌入式系统上移植了w e b 服务器以实现远程监护。 当系统接入互联网后，医生端在任何具备互联网接入的地方使用w e b 浏览器访 问嵌入式w e b 服务器，即可通过浏览器上的动态网页进行生理信息的远程监护 与诊断。同时，系统将多种生理参数的远程监护和音视频图片的采集与传输有机 结合起来，可让医生做出更准确的分析与诊断。 因此，本文的主要工作如下： ( 1 ) 在$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式装置上实现多生理参数监护终端。 ( 2 ) 完成系统软件平台的设计与构建，包括移植l i n u x 内核、q t o p i a 图形 2 嵌入式生理信息远程监护系统 界等。 ( 3 ) 开发基于q t o p i a 图形界面的嵌入式端软件实现现场监护，实现了对生 理信息进行采集显示、存储、基本设置等。 ( 4 ) 实现嵌入式w e b 服务器功能：研究b s 结构和嵌入式w e b 服务器的工 作原理，在嵌入式l i n u x 操作系统下实现嵌入式w e b 服务器功能。 ( 5 ) 研究并实现动态监护网页：在静态网页的基础上实现动态监护网页， 即在浏览器端的网页上实现心电信号的实时监护。 ( 6 ) 实现视频的采集与传输，并且利用a p p l e t 技术，实现远程视频监护 ( 7 ) 完成医院服务器的设计，解决嵌入式w e b 服务器的动态p 问题。 2 1 系统体系结构 嵌入式生理信息远程监护系统 第二章系统总体设计 本系统采用的是b s 体系结构，实现的主要功能是让医生通过w e b 浏览器 可以直接查看在家中的病人的生理信息，并且所有的医生和病人都可以登录到医 院服务器进行在线交流。 系统主要由嵌入式远程多生理参数监护终端、医生端计算机、医院服务器三 个部分组成。嵌入式远程多生理参数监护终端由各种生理参数采集模块与嵌入式 系统板组成，他们之间通过串口进行通信。生理信息采集模块负责采集病人的生 理信息，嵌入式系统板以图形界面显示测量的生理信息，并构建嵌入式w e b 服 务器，这样监护终端既可独立用作监护仪，又可通过i n t e r n e t 与医生端进行通信。 当监护仪接入互联网后，医生可在任何具备互联网接入的地方使用w e b 浏览器 访问嵌入式w e b 服务器，即可通过浏览器上的动态网页进行生理信息的远程监 护与诊断。同时嵌入式w e b 服务器可以实现远程视频功能，监护终端与医生端 都可以登陆医院的w e b 服务器，进行在线交流。系统通过医院服务器还可解决 多参监护仪端的动态d 问题。 终端 ：- 图2 1 家庭远程医疗监护系统结构 4 一 嵌入式生理信息远程监护系统 2 2 嵌入式生理参数监护终端 嵌入式生理参数监护终端采用以嵌入式系统为核心的模块化设计方案，系统 的硬件结构如图2 2 所示。 图2 2 嵌入式多生理参数监护终端 系统前端由心电采集模块、体温采集模块、呼吸波采集模块、血氧采集模块、 呼吸末采集等生理参数模块组成，这些模块负责采集人体各种原始生理信号，经 过调理数字化后按照规定的通信协议发送给嵌入式系统。为了增强医生与患者之 间的交互性，本系统加入了音视频互动模块，实现了医生与患者的实时交流。所 有的这些信息都通过局域网进行通信。 2 2 1 嵌入式系统 本设计的嵌入式系统由$ 3 c 2 4 4 0 微处理器构成。s 3 c 2 4 4 0 a 是韩国三星过公 司生产的一款a r m 9 微处理器，其主频为4 0 0 m h z ，最高主频可达5 3 3 m h z 。如图 2 3 所示。 嵌入式生理信息远程监护系统 图2 3 嵌入式系统 嵌入式系统是本设计的核心，该部分已$ 3 c 2 4 4 0 为微处理器，扩展6 4 m s d r a m 和6 4 mn a n df l a s h ，为系统提供足够量的存储器。接出3 路u a r t 串口， 经过复用之后与每个前端采集模块想链接。系统配备2 4 0 x 3 2 0 带触摸屏3 5 彩色 l c d 显示器和语音接口，为医生与患者之间的交互提供了条件。为了实现网络 功能，在$ 3 c 2 4 4 0 的数据总线上外扩了一个d m 9 0 0 0 网络接口，提供了与本地局 域网1 0 0 m 速度的互联。 2 2 2 生理信息采集模块 常用的生理信息参数有心电、血压、体温、血氧饱和度、呼吸波等。这些生 理参数的监护与检测对慢性病患者和老年人的健康以及心血管疾病的防治有着 极其重要的临床意义。下面以心电e c g 模块为例，研究生理信息采集模块的设 计。 心电图在心血管疾病的临床诊断中有非常重要的作用。通常采用的心电图按 照导联数分有单导联、三导联、五导联以及十二导联等等；按照精度分常用的有 8 位和1 2 位精度等等。单导联、精度低的心电图常用于进行心电监控以及心率 测量。1 2 位高精度的心电图由于可以反映出心电的细微变化，被更加广泛地应 用于临床诊断、心电分析等地方。 由于心电幅度只有m v 量级，需要放大上千倍才能被观察到，并且人体的内 阻比较大，因此一个高阻抗、高增益的放大器是准确获取心电信号的关键。而周 围环境中充满了各种各样的电磁干扰，会严重影响微弱的e c g 信号，而其中最 为严重的是市电电源的5 0 h z 的干扰。如何避免这些干扰也是心电放大器设计所 必须考虑的问题。此外，进行高精度的a d 转换也是关键的步骤，特别是对于 6 嵌入武生理信息远程j i ：i 护系统 1 2 b i t 的e c g 放大器。在一些便携式应用中，功耗也是需要考虑的因素。e c g 放 大器通常由缓冲级、匹配电阻网络、放大、滤波、电平位移以及模数转换等几级 构成。 电极采集到的心电信号首先进入缓冲级。缓冲级可以提高整个放大电路的输 入阻抗，降低输出阻抗，这样就可以在后面的匹配电阻网络中得到幅值较高的信 号。匹配电阻网络通常采用威尔逊电中心端网络，它通过特定的电阻网络获得威 尔逊电中心端作为整个e c g 系统的参考点。电路见图2 4 。 图2 4e c g 电路 放大级包括一级用i n a 3 3 3 仪表放大器构成的初级差分放大和o p a 3 3 3 构成 的主放大级。由于体表液体与电极之间可能形成原电池，致使电极之间存在固定 的电位差，因此第一级差分放大的增益不能太高，否则容易饱和。通常这一级增 益选5 左右。第二级采用反相放大电路，增益可以高达2 0 0 倍，这样整个电路放 大倍数可以达到1 0 0 0 倍。由于信号中混有各种干扰噪声会影响e c g 的有用信号， 因此需要对这些噪声进行滤波。噪声来源主要有两类，一类是各种电子设备辐射 出的高频噪声，一种是市电的5 0 h z 噪声，通常后者影响更明显。对这些噪声的 滤波需要用到低通滤波器和5 0 h z 带阻滤波器。e c g 的低通滤波器通常情况下截 至频率选择在1 0 0 h z 以下，少数情况下会用到更高的频率。低通滤波和放大可 7 嵌入式生理信息远程监护系统 在同一级运放中实现。带阻滤波器对最终信号的质量尤为重要，由于带阻滤波器 的特性参数对元器件的精度很敏感，因此在这一级的设计中需要用到精密的阻容 原件，还常常需要多级级联来获得较好的效果。 为了获得测量信息的多种化。各生理信息采集模块要求以串口的方式接入嵌 入式装置。为此各生理信息采集模块均需采用基于微处理器控制。但需规定它们 与嵌入式装置通信的数据格式。各种应用模块采用规定的数据格式后，监测的生 理信息可以根据需要增减。嵌入式装置能通过通信识别接入的模块特性。 在此我们定义心电板发送的数据，以l 字节数据头加若干字节数据为一组， 成组发送。其中数据头为2 5 1 - 2 5 4 ，数据字节为0 - 2 5 0 。 数据头 数据字节 2 5 1 心电波i , i i ，i i i ，a v r ，a v l ，a v f , c 2 5 2 没有数据字节 2 5 3 呼吸波 2 5 4 - 1 2 。璋：+ 呼吸率+ 探头状态+ 体温1 整数+ 体温l 小数+ 体温2 整数+ 体温 2 小数 2 3 系统软件设计 2 3 1 系统软件结构 嵌入式l i n t t x 操作系统上运行的应用程序主要分为三个部分：q t 程序、嵌 入式w e b 服务器、动态网页部分等。动态网页部分由在服务器端后台运行的c g i 程序、在浏览器上显示的w 曲页面及网页上嵌入的j a v a a p p l e t 应用程序等组成， 如图2 5 所示： 8 嵌入式生理信息远程i 监护系统 浏览器 w e bp a s e i j a v aa p p l e t - j 嵌入式w e b 服务器 n c g i 程序 i q t 嵌入式l i n u x 操作系统 图2 5 系统总体结构图 q t 程序是液晶屏监护程序，主要负责设计液晶屏上的人机交互界面，采集、 存储心电信号并在液晶屏上显示波形、心率、呼吸率及体温等。 嵌入式w e b 服务器负责浏览器与服务器端后台程序间的w e b 通信，实现了 浏览器端网页的显示，c g i 程序与j a v aa p p l e t 程序间的远程数据通信等功能。 w e bp a g e 包括保存在w e b 服务器端的监护主页、用户登录页面、用户基本设置 页面等。当浏览器向服务器请求某个页面时，服务器会找到相应的w e bp a g e 返 回给浏览器进行显示。 j a v aa p p l e t 通过w e b 网页下载到客户端电脑上，在浏览器上运行。它负责 从服务器端的c g i 程序处接收视频、心电、呼吸率及体温等数据，并将结果显 示在浏览器上。 服务器端运行的c g i 程序通过嵌入式w e b 服务器与浏览器进行交互，实现 动态网页监护功能，主要包括： 1 ) 在嵌入式生理参数监护仪上采集到视频、心电、呼吸率及体温等数据后， 将数据及分析结果通过嵌入式w e b 服务器传输程浏览器端的j a v aa p p l e t 程序， 实现了远程实时监护功能： 2 ) 在网页上进行病人基本信息设置，将设置结果保存在服务器端； 3 ) 将w 曲服务器上保存的病人基本信息显示在浏览器端的网页上。 2 3 2 交叉开发环境的建立 建立开发环境是嵌入式系统开发的基础。嵌入式系统常采用的一种典型开发 9 嵌入式生理信息远程监护系统 模式是：宿主机目标机( h o s t t a r g e t ) 模式。 操作系统的裁剪和应用软件的编码都是在通用的计算机或工作站上完成的， 我们称这样的台式机为宿主机( 其操作系统大多为w i n d o w s 系列，l i n u x 或 s o l a r i e s 等) ；而待开发的硬件平台通常被称为目标机，目标机上的软硬件均是可 以裁剪，也可以配置的。这种开发模式首先在宿主机上建立一个交叉开发环境， 完成目标机软件功能，然后通过串口或者以网络将交叉编译生成的目标代码传输 并装载到目标机上，并在监控程序或者操作系统的支持下利用交叉调试器进行分 析和调试，最后目标机在特定环境下脱离宿主机单独运行自己的系统。 本次采用安装r h e l 5 的p c 机作为宿主机，并通过串口、u s b 和以太网与 多参监护系统目标板进行通信。宿主机采用g n u 的跨平台开发工具链，交叉编 译器为a r m - l i n u x - g c c3 4 1 。 宿主机上的c p u 结构体系和目标机上的c p u 结构体系是不同的，为了实现 裁剪后的嵌入式操作系统和应用软件能在目标机上“跑”起来，移植它们之前，必 须在宿主机上建立新的编译环境，进行和目标机c p u 相匹配的编译，这种编译 方式称为交叉编译。新建立的编译环境我们称之为交叉编译环境。交叉编译环境 下的编译工具在宿主机上配置编译实现，它们必须是针对目标机c p u 体系的编 译工具。只有这样，它对源代码编译生成的可执行映像，才会被目标机的c p u 识别。交叉开发环境的建立可以有两种选择，一种是采用已经编译好的开发环境， 只需要解开到安装的位置，另一种就是下载源码、编译和建立开发环境。本文采 用前一种方式。 从网站上下载到已经编译好的开发环境c r o s s 3 4 1 t a r b z 2 ，在适当的安装位 置解压即可，然后当需要使用的时候，应该指出编译器的安装位置。 步骤如下： b a s h $ s u 变为超级用户 p a s s w o r d ： b a s h # c d u s r l o c a l b a s h # m k d i ra r m 建立a r m 目录 b a s h # c da r l n b a s h # t a ri x v fc r o s s 一3 4 i t a r b z 2 解开 1 0 嵌入式生理信息远程舱护系统 这样开发环境已经建立在u s r l o c a l a r m 3 4 1 b i n 下面。 在后面讲到的嵌入式l i n u x 内核定制、嵌入式l i n u x 文件系统定制、图形用 户界面移植、上层应用程序的编译等都是在交叉开发环境中进行的，只有这样才 能使在宿主机上开发的软件在目标机上正确运行。 嵌入式生理信息远程髓护系统 第三章嵌入式系统端软件设计与实现 嵌入式系统端主要完成对生理信息的采集以及在液晶显示器上以图形界面 显示心电波形、呼吸波、呼吸率、体温等，并且其负责运行嵌入式w e b 服务器， 这样每一台监护仪既可以独立进行监护，又可以通过i n t e m e t 与医生端进行通信。 而u s b 摄像头模块则负责u s b 摄像头的驱动以及图片的采集传输。 3 1 嵌入式系统平台的构建 3 1 1 启动装载程序( b o o t l o a d e r ) b o o t l o a d e r 的作用主要是以下几个【7 】【8 】： 1 ) 初始化处理器：b o o t l o a d e r 初始化处理器中的一些配置寄存器； 2 ) 初始化必要的硬件设备：b o o t l o a d e r 初始化板上的必要硬件，如内存的初 始化，中断控制器的初始化，从主机下载系统映像到硬件板上的设备也是由它来 初始化； 3 ) 下载系统映像：b o o t l o a d e r 指定内核映像和文件系统映像的下载位置，并 将下载的映像文件写入到b o o t l o a d e r 指定的f l a s h 位置中； 4 ) 初始化操作系统并准备执行：b o o t l o a d e r 在嵌入式系统中一般是最先获得 运行的代码，它将l i n u x 内核加载到合适的位置，然后将控制权交给l i n u x 。在 加载l i n u x 之前，b o o t l o a d e r 先做一些系统初始化的工作，如正确设置好内存 ( s d 洲) ，初始化c p u ，使其在将控制权交给l i n u x 时处于预期的模式( 关 中断，内核模式) 。 在将l i n u x 加载到合适的位置时，包括下面几种方式： 1 ) 从f l a s h 中直接运行 在内存较小的硬件平台上，l i n u x 可以放在r o m 或f l a s h 上直接运行，这样 只需直接跳转到l i n u x 入口即可。 2 1 从f l a s h 中加载到内存中运行 一般情况下，系统有较大内存时，我们将l i n u x 复制到r a m 中运行，因为 代码在r a m 中运行的速度高于在r o m 中。 3 ) 通过网络接口或者串e l 加载到内存中运行 1 2 嵌入式生理信息远程；临护系统 这种方式是用在开发的过程中，通过在b o o t l o a d e r 中加入网络加载或串口加 载的支持，避免了每次到要把内核、文件系统等烧录到f l a s h 中才能运行。 本文采用的方式是：开发的过程中，通过在b o o t l o a d e r 里加入网络加载程序， 利用t r i p 下载内核和文件系统到s d r a m 中进行运行：开发完毕，将b o o t l o a d e r 、 内核映像、文件系统映像烧写到f l a s h 中，需要运行嵌入式系统时，由b o o t l o a d 首先对内核、文件系统进行解压缩，然后将其拷贝到s d r a m 的指定位置，再跳 转到l i n u x 入口，将控制权交给l i n u x 启动操作系统。 3 1 2 嵌入式l i n u x 内核的定制 严格来说，l i n u x 就是一个内核，它同编辑器、编译器、窗口管理器等组合 在一起成为操作系统。目前，由于这些附加软件的不同导致了多种发行版的盛行， 但实际上所有发行版的内核是相同的，都是针对适合大部分桌面计算机系统使用 而设计的，由于硬件的多样性迫使其支持各种常见设备，满足用户的特定要求， 如支持多种文件系统，这大大的增加了内核的规模，降低了执行效率。而对于一 个成熟的嵌入式系统来说，其硬件往往非常固定，并且由于嵌入式系统的特殊性 对操作系统的大小要求严格，所以需要对l i n u x 内核进行裁减，去掉其不需要的 功能模块。下面对本论文内核裁减过程进行详细叙述。【9 】【1 0 】 1 ) 配置内核前的必要设置。 主要在内核原码中设置m a k e f i l e 文件，主要设置两个地方a r c h 和 c r o s s c ：o m p i l e ， a r c h ：= a r m ；表示目标板为a n i l c r o s sc o m p i l e = 交叉编译工具的地址；设置交叉编译工具的地址 2 ) 配置l i n u x 内核。 在本论文中，使用l i n u x 自带的配置工具，无需修改源代码即可以实现内核 的裁减。在l i n u x 源代码树下，用m a k em e n u e o n f i g ( 菜单界面) 进入配置界面。 在内核配置中，一般有四种选择：y ( 选种) 、n ( 不选) 、m ( 模块) 和数字， 用户可以根据裁剪需要进行设置，最后配置完毕，选择是否对配置结果进行保存。 图形配置界面如图。 嗽九 g 竹息i 程护系境 图3 - 1 内核编译示意图 3 ) 内核编译 对内核进行配置后，需要对其重新编译才可生效，下面列出内核编译过程中 主要用到的命令及其作用。 m a k e c l e a n 清除咀前构核所产生的所有目标文件、模块文件、核心及一些临时文件，不 产生任何文件。 m a k e d e p 寻找依存关系。产生两个文件d e p e n d 和h d e p c n d 。其中h d e p e n d 表示每个h 文件都包含其他哪些嵌入式文件。而d e p e n d 文件有多个，在每个会产生目标文 件( - o ) 文件的目录下均有，它表示每个目标文件都依赖哪些嵌入式文件( h ) 。 n l a k e 构核。通过各目录下的m a k e f i l e 文件进行。会在各个目录下产生很多目标文 件。若核心代码没有错误，将产生文件v mj i n u x ，这就是所构的核。 4 性成内核映像 嵌入式生理信息远程监护系统 所用到的命令是：m a k ez l m a k e 或者m a k eb z i m a g e 。后者用于对更大的核心产生 映像文件。 3 1 3 嵌入式l i n u x 文件系统定制 l i n u x 启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上 挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文 件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。 不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需 求等有不同的应用场合。在嵌入式l i n u x 应用中，主要的存储设备为r a m ( d r a m ， s d r a m ) 和r o m ( 常采用f l a s h 存储器) ，常用的基于存储设备的文件系统类型 包括：j f f s 2 ，y a 凰，c r a m f s ，r o m f s ，r a m d i s k ，r a m f s t m p f s 等。 ( 1 ) y a f f s 文件系统简介 y a f f s 类似于j f f s j f f s 2 ，是专门为n a n d 闪存设计的嵌入式文件系统； 适用于大容量的存储设备。它是日志结构的文件系统，提供了损耗平衡和掉电保 护，可以有效地避免意外掉电对文件系统一致性和完整性的影响。y a f f s 文件 系统是按层次结构设计的，分为文件系统管理层接口、y a f f s 内部实现层和 n a n d 接口层，这样就简化了其与系统的接口设计，可以方便地集成到系统中 去。与j f f s 相比，它减少了一些功能，因此速度更快，占用内存更少。 y a f f s 充分考虑了n a n d 闪存的特点，根据n a n d 闪存以页面为单位存取 的特点，将文件组织成固定大小的数据段。利用n a n d 闪存提供的每个页面1 6 字节的备用空间来存放e c c ( e r r o rc o r r e c t i o nc o d e ) 和文件系统的组织信息，不仅 能够实现错误检测和坏块处理，也能够提高文件系统的加载速度。y a f f s 采用 一种多策略混合的垃圾回收算法，结合了贪心策略的高效性和随机选择的平均 性，达到了兼顾损耗平均和系统开销的目的。 ( 2 ) y a f f s 根文件系统映像的制作 制作y a f f s 文件系统映象需要使用m k y a f f s i m a g e 工具程序。 在此，我们以制作测试用的r o o t _ d e f a u l t i m g 文件系统映象为例，来介绍y a f f s 文件系统映象的制作。 把m k y a f f s i m a g e t g z 文件拷贝到某个目录，进入该目录，然后执行以下 嵌入式生理信息远程箍护系统 命令： # t a rx v z fm k y a f f s i m a g e t g z c u s r s b i n 这将把制作工具m k y a f f s i m a g e 安装到系统的可执行路径u s r s b i n 拷i ) - i r o o t _ d e f a u l t t g z 到某一个目录，进入该目录，然后执行以下解压命令： # t a rx v z f r o o t _ d e f a u l t t g z c s c n u 该命令将把r o o td e f a u l t 文件系统目录解压至l j s c n u 目录。 把您自己制作的应用程序或者其他文件放入文件系统，立l i h e l l o 例子程序： # c pe x a m p l e s h e l l o h e l l or o o t d e f a u l t s b i n 使用r n k y a f f s i m a g e 制作y a f f s 文件系统映象： # m k y a f f s i m a g er o o t d e f a u l tr o o t _ d e f a u l t l i m g 3 1 4 图形用户界面的选择、分析、移植 随着硬件条件和用户需求的提高，嵌入式系统对图形用户界面( g l ) 的要 求也越来越迫切。于是，一批面向嵌入式系统的g i j i 应运而生。 面向嵌入式系统的g u i 与标准l i n u x 系统的g u i 是不同的。嵌入式系统由 于硬件条件等的限制，要求应用程序的g u 具有轻型、占用资源少、高性能、 高可靠性、可配置等特点；标准l i n u x 系统一般提供基于xw i n d o w 的 i e g n o m e 作为用户界面，这些g u i 对于嵌入式系统来说都太庞大了。目前 面向嵌入式系统的g u i 开发中发展比较成熟的有：m i c r o w i n c o w s 、q t e m b e d d e d 、 m i n i g u i 。 ( 1 ) 几种典型的嵌入式g u i 比较： a m i c r o w i n d o w s 是一个著名的开放式源码的嵌入式g u i 软件，目的是把现 代图形视窗环境引入到运行l i n u x 的小型设备和平台上。该体系结构允许设计者 轻松加入各种显示设备、鼠标、触摸屏等。l i n u x 2 2 以上版本的内核代码允许用 户将图形显存作为帧缓存进行存取，这样当用户对显示设备进行写入控制时可以 避免对内存映射区进行操作，因此用户可以在不了解底层图形硬件或没有使用过 xw i n d o w 的情况下进行图形程序的开发，这就是为什么现在在嵌入式系统中广 泛使用m i c r o w i n d o w s 的原因。m i c r o w i n d o w s 的可移植性非常好，基本上用c 语 言实现，只有某些关键代码使用汇编以提高速度。m i c r o w i n d o w s 也有一些通用 的窗口控件，但其图形引擎存在许多问题，可以归纳如下： 1 6 嵌入武生理信息远程监护系统 1 ) 无任何硬件加速能力； 2 ) 图形引擎中存在许多低效算法，如在圆弧图函数的逐点判断剪切的问题。 3 ) 由于该项目缺乏一个强有力的核心代码维护团队，2 0 0 3 m i c r o w i n d o w s 推出 版本0 9 0 后，该项目的发展开始陷于停滞状态。 b m i n i g l 是采用l g p l 条款发布的纯自由软件。自1 9 9 8 年以来，该项目 得到不断的发展，已经非常成熟和稳定，在许多实际产品和项目中得到了广泛的 应用。m i n i g u i 是一个面向嵌入式或实时系统的轻量级图形用户界面支持系统。 它主要运行在l i n u x 平台上，也可以运行于任何p o s i x 兼容平台上，是基于 s v g a l i b 及l i n u x t h r e a d 库的多窗口支持系统，采用类w i n 3 2 的a p i 接口。 m i n i g u i 的突出特点是：高效、可靠、小巧、可定制、可移植性好。目前，m “g u i 在含有m m u 单元的a r m 系列c p u ( s t r o n g a r m 、x s c a l e 等) 上，以及p o w e r p c 、 m i p s 系列c p u ( 比如e p 7 3 1 2 、v r 4 1 8 1 等) 上都已经成功移植运行。 c q t e m b e d d e d 是t r o l l t e c h 新开发的用十嵌入式l i n u x 的图形用户界面系统。 t r o l l t e c h 最初创建q t 作为跨平台的开发工具用于l i n u x 台式机。它支持各种有 u n i x 特点的系统以及m i c r o s o f tw i n d o w sok d e 是最流行的l i n u x 桌面环境之 一，就是用q t 编写的。 q t e m b e d d e d 是基于q t 的嵌入式g u i 和应用程序开发的工具包，它可运行 多种嵌入式设备上，主要运行在嵌入式l i n u x 系统上，并且需要c + + 编译器的 支持，并为嵌入式应用程序提供q t 的标准a p i 。 q