心电图.doc

学位论文 1 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 心电图介绍 1 1 2 动态心电研究的意义 2 1 3 国内外现状分析 4 1 4 本论文的目的 6 第二章第二章 系统整体设计系统整体设计 7 2 1 嵌入式系统设计的特点 7 2 2 系统需求分析 8 2 3 系统体系结构设计 9 2 3 1 系统结构介绍 9 2 3 2 系统软硬件划分 9 2 4 系统硬件设计 11 2 4 1 处理器选型 11 2 4 2 存储器件选型 12 2 4 3 其它器件选型 13 2 4 3 系统硬件结构 13 2 5 系统软件设计 14 第三章第三章 动态心电信号检测系统硬件设计动态心电信号检测系统硬件设计 15 3 1 心电采集模块设计 15 3 1 1 心电信号前置放大器设计 15 3 1 2 右腿驱动电路 17 3 1 3 低通通滤波器设计 17 3 2 核心处理器模块设计 18 3 2 1 S3C44B0X 介绍 18 3 2 2 核心处理器模块设计 18 学位论文 2 3 3 ADC 模块 21 3 4 显示模块 22 3 5 数据存储模块 23 第四章第四章 动态心电检测系统的软件设计动态心电检测系统的软件设计 25 4 1 uC OS II 实时嵌入式操作介绍 14 25 4 2 uC OS II 关键结构介绍 27 4 2 1 uC OS II 中任务的介绍 27 4 2 2 uC OS II 的中断和时钟介绍 28 4 2 3 任务的同步与通信 31 4 2 4 内存的动态分配 32 4 3 uC GUI 简介 33 4 4 uC OS II 在 S3C44B0X 上的移植 16 34 4 5 驱动程序设计 40 4 6 应用程序设计 43 第五章第五章 动态心电检测相关算法设计动态心电检测相关算法设计 45 5 1 50Hz 工频陷波器设计 46 5 2 QRS 检测算法设计 51 5 3 基线漂移的抑制算法设计 52 第六章第六章 实验结果实验结果 54 6 1 50Hz 工频干扰陷波器设计实验 54 6 2 系统运行情况 56 总总 结结 57 参考文献参考文献 58 摘摘 要要 I AbstractAbstract IV 学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 1 心电图介绍心电图介绍 心电图是反映心脏兴奋的产生 传到和恢复过程中的生物电变化 心肌细胞的生物电变化是产生心电图的源泉 但是 心电图曲线与单个 细胞的膜电位曲线有明显的区别 1 图 1 1 是跨膜动作电位与相应的心 电图对照 图 1 1 跨膜动作电位与相应的心电图 心脏各部分兴奋时与心电图波形的对应关系如图 1 2 所示 图中 P 波代表左右两心房兴奋除极过程所产生的电压变化 P R 期 间代表心房开始除极传经房室结 希氏束至心室开始除极前的时间 QRS 1 4 为复极过程 除极过程 静息电位 膜电位 动作电位 相应 ECG 学位论文 2 综合波代表室间隔与左右两心室除极过程所产生的电压变化 ST 段代表 心 室除极后缓慢恢复极化过程所形成的微弱电压变化 T 波代表心室 肌迅速恢复极化过程的电压变化 U 波是在 T 波后的一个很小的正向波 代表心肌激动的 负后电位 心电图的各波都可以被记录 图 1 2 心脏各部分兴奋时与心电图波形的对应关系图 1 1 2 2 动态心电研究的意义动态心电研究的意义 据国家卫生部 2005 年统计数据显示 心脏病是人类健康的一大杀 手 在 2004 年其死亡率占疾病死亡人口在市 县分别为 18 8 和 12 54 国家疾病与发展委员会 2004 年公布的数字显示 全国心血管患者从 90 年代的 2400 万猛增至 8700 万 治疗费用更是高达千亿元以上 2 学位论文 3 心电图是心脏病诊断的主要依据 对于患者的心电采集尤为重要 心电图反映人体心脏电活动的周期性变化 对心脏电活动的研究起源于 18 世纪末和 19 世纪初 荷兰生物学家爱因多芬对此做过深入研究 于 1895 年用毛细管静电计记录到较精确而完整的心电图并按数学传统将 5 个可分开的电偏转分别命名为 P Q R S T 波 又经过英国学者 S T Lewis 等人的努力 研究解释了体表心电图与心脏传导过程的大致 关系 因此 体表心电图可以精细地反映出心房 心室激动过程中所产 生的电压改变 包括 P 波 QRS 波群 S T 段及其 T 波形态与幅度以 及激动过程的时间因素 借助心电图分析 可以无创伤地了解患者心脏 传导系统的工作状况 为患者心脏病的诊断提供了一种简便的手段 心电图临床应用已有一个多世纪的历史 在以下几个方面心电图很 有重要价值 1 急性胸痛的诊断 ST 段抬高 急性心肌梗塞 24 小时无 ST T 变化者可出院 2 心肌梗塞的诊断 可对心肌梗塞部位 面积 深度进行定性定 量诊断 3 心律失常诊断 90 的心律失常通过常规心电图即可明确诊断 只有少数心律失常需要做电生理检查确诊 4 评价药物的疗效 评价扩冠药物 抗心律失常药物的疗效效果 5 药物影响与电解质紊乱 某些药物可影响心肌的除极与复极过 程 引起 QRS ST T 改变 电解质紊乱心电图改变具有特异性 6 对室性期前收缩 室性心动过速 房性心动过速 心房扑动 旁道等的定位诊断 射频消融术成功率高 学位论文 4 7 检出 Q T 期间延长综合征 Brugada 综合征等 8 住院病人纪录心电图常规检查 9 体检 一年一度的医疗体检 10 评估起搏器的功能 11 PTCA 冠状动脉旁路移植术后进行心电图负荷试验 评价治 疗效果和判断有无再狭窄 ECG 的测量有两种种基本方法 第一种方法是通常采用的病人在 静卧状态下进行 用若干个 ECG 导联的电位差来纪录病人的心电 除 非是对病人进行强制长期监护 多为危重病人 否则这种方法很难得 到预期的心电图 第二种方法是病人在活动状态下进行 适合长期心电 监护 通常这种方法得到的心电图称为动态心电图 3 对各类偶发性 一过性和隐性心律失常 无痛性 无症状 心肌局 部缺血等很多心脏病 一旦症状消失心电图就显示与正常无异 要及时 准确 定量地掌握患者的第一手资料 仅靠患者到医院做一次或几次检 查和定性不定量的口述是很难实现的 对发病时的动态心电采集比较困 难 普通检测难以满足对心脏病的预防和及时治疗的要求 在这种情况 下动态心电监护的研发越来越被科技人员所重视 1945 年 美国生理学 家 Norman J Holter 研制了遥测心电图 RECG 装置 1965 年 第一台 商业化动态心电监护仪 Holter Monitor 或简称 Holter 问世了 Holter 可以记录病人在正常生活 工作 活动条件下的心电变化 捕捉到初期 的潜在的心脏病的心电信号 成为检出心律失常 心肌缺血的重要而有 效的诊断方法 也使得心脏病的早期诊断成为可能 1 1 3 3 国内外现状分析国内外现状分析 动态心电监护技术在上世纪三十年代就开始出现 1945 年 美国 学位论文 5 生理学家 Norman J Holter 博士研制了遥测心电图 RECG 设备 1957 年 他将磁带记录器和接受部分结合在一起 并研制了一个能以 60 倍于记录速度的磁带回放装置 1961 年 Holter 又将 RECG 的发射 器和接受器合并 终于研制出了用磁带作为 ECG 存储器的心电记录仪 1961 年美国 Delmar 最先推出 Holter 系统 并应用于临床 直到 1965 年 第一台真正的商业化动态心电监护仪 Holter Monitor 或简称 Holter 才问世 近几年来 日 美等发达国家普遍开始利用动态心电 仪进行心律变异分析 已经取得了大量经验 我国自 1978 年 4 月引进动态心电图以来 国内大 中 小城镇医 院先后开展了动态心电图工作 科研人员在家庭监护仪的研究上进行了 大量的工作 近几十年来的深入研究积累了大量的经验 对新设备的研 发也取得了很大的进展 但国内的监护系统多以上位机和下位机结构为 主 由单片机为核心的下位机主要实现心电信号数据采集功能 上位机 主要是以 PC 机进行数据处理 两者间有专用的通信接口联接 随着芯 片技术的进步 高速的微处理器已经可以代替 PC 进行数据处理 但人 机界面 功耗 存储器容量 系统灵活性等方面都有待提高 现有的动态心电监护仪 HOLTER 虽然可以满足临床医疗上对动 态心电采集的要求 但其无法适应普通家庭长期监护和预防心脏病的需 要 主要原因如下 1 价格昂贵 不适合家庭购买 2 操作专业性强 要求使用人员有较强的专业技术 操作比较复杂 3 数据处理不便 信息处理实时性差 长时间的监护数据需要有专门 的系统 软件 和人员处理 不利于家庭使用时对数据的分析和管 理 4 系统扩展性较差 各种接口多为专业医疗设备设计 为普通家庭用 学位论文 6 户预留的接口较少 扩展不灵活 5 软件系统可裁减性差 对于不同人群检测的侧重点无法调整 1 1 4 4 本论文的目的本论文的目的 本设计克服了传统 Holter 系统的价格昂贵 操作复杂 存储器容量 固定和软件配置不够灵活等缺点 为了满足家庭心电监护和分析的需要 设计了一台使用方便 价格低廉而又功能实用的家用心电监护仪 这样 的设备将使心脏病的预防和早期诊断进入普通家庭 使心脏病的治疗更 加及时 将成为家庭医疗保健中不可或缺的部分 学位论文 7 第二章第二章 系统整体设计系统整体设计 本系统是一个典型的嵌入式系统在医学中的应用实例 因此 在设 计过程中充分的体现了嵌入式系统设计的特点 遵循了嵌入式系统设计 工程的流程规范 2 2 1 1 嵌入式系统设计的特点嵌入式系统设计的特点 嵌入式系统设计的主要任务是定义系统的功能 决定系统的架构 并将功能映射到架构 这里的架构既包括软件系统架构也包括营建系统 架构 嵌入式系统的设计方法跟一般的硬件设计 软件开发的方法不同 是采用硬件和软件协同设计的方法 开发过程不仅涉及软件领域的知识 还涉及硬件领域的综合知识等 4 与通常的系统设计相比 嵌入式系统的设计具有以下几个特点 1 软 硬件协同并行开发 软 硬件协同并行开发就是在整个设计的生命周期 软件和硬件的设 计一直是保持并行的 在设计过程中两者交织在一起 互相支持 互相 提供开发的平台 而不是传统方法中的相互独立进行 在设计流程的开 始就将系统所要实现的功能划分到用硬件或软件实现 然后独立设计 最后再进行集成 系统是否满足需求只有在集成后进行测试才能知道 所以传统的设计方法进行复杂系统的设计时 常常难以达到设计要求和 实现优化设计 2 嵌入式系统通常是面向特定应用的系统 学位论文 8 嵌入式 CPU 与通用型的最大不同就是 嵌入式 CPU 大多工作在为特定 用户群设计的系统中 它通常都具有低功耗 体积小 高集成度等特点 能够把通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于 嵌入式系统设计趋于小型化 同时跟网络的耦合也越来越紧密 3 实时嵌入式操作系统 RTOS 的多样性 实时操作系统不象台式机操作系统那样 只有某一家公司独大 现在可 用的实时操作系统很多 如 VxWorks QNX uC OS RT Linux WinCE 等等 可以根据自己的需要进行适当的选择 4 通常可用系统资源比台式机少很多 5 嵌入式系统设计需要交叉开发环境 与台式机不同 嵌入式系统的开发通常无法在自身的环境下进行 而要 在通用的计算机 宿主机 上利用良好的开发环境和多样的调试 仿真 手段进行开发 然后再下载固化到目标机上运行 6 嵌入式系统软件的实时性要求 嵌入式系统的特点之一就是系统通常对实时性有要求 除了考虑实 时操作系统的性能之外 实时性还有赖于系统本身的结构设计 算法设 计和代码的质量以及优化程度 无疑 这些因素必然会增加软件的开发 难度 正是由于上述特点 嵌入式系统的设计与通常的硬件设计和单纯的 软件设计有很大的不同 动态记录器系统设计就采用了适合于嵌入式系 统的软 硬件协同设计 5 开发流程如图 2 1 2 2 2 2 系统需求分析系统需求分析 针对第一章中阐述的设计目标 提出系统需求为 1 以 300HZ 的采样频率采集 可设置是否压缩 3 通道心电图 学位论文 9 2 能够记录长时间心电数据 10 小时以上 3 实时显示心电波形和各种基本信息及其标注等 4 具有数据管理功能 5 实时分析 N 种心律失常 心律不齐 心动过速等 6 告警功能 7 提供适当的人机交互操作界面 需求分析及规格说明 系统架构设计 硬件设计软件设计 系统集成 系统测试 图 2 1 嵌入式系统开发流程 2 2 3 3 系统体系结构设计系统体系结构设计 2 2 3 3 1 1 系统结构介绍系统结构介绍 按照系统需求分析提出的要求 系统结构中要包括采集部分 处理 部分 输入输出 以及数据处理和存储单元 如图 2 2 所示 学位论文 10 2 2 3 3 2 2 系统软硬件划分系统软硬件划分 根据动态心电记录器的功能需求 把动态心电记录器系统分为五个主要 任务 即人机交互界面管理任务 数据采集任务 心电数据处理任务 心电 电极滤波器A D 转换器数字滤波 电源 系统 心电数据 分析处理 心电数据存储 心电波形显示 输 入 设 备 图 2 2 系统结构 数据存储任务 系统控制任务 人机交互界面提供心电波形的实时显示 和数据信息的显示以及系统设定 基本操作等 数据采集完成部分滤波 工作和信号幅度调整 产生适合于 A D 转换的信号 心电数据处理是系 统的核心 首先完成 A D 转换 然后进行数字滤波和心电特征信息提取 心电数据存储提供最少 24 小时数据存储功能及其导出等 系统控制任 务主要是协调协调各个部分的工作 而且考虑到软件设计的复杂性 系 统采用嵌入式实时操作系统作为系统软件的基础 各个功能的软硬件分工如下 1 人机交互界面 为了提供心电波形显示和心电特征信息显示 系统选择了图形液晶 显示器 为方便用户对系统进行设定和控制操作 系统提供了触摸屏 由于单独应用触摸屏无法对系统进行复位 重启等功能 因此 还必须 提供复位按键 软件上为控制液晶显示和触摸屏 在系统软件中要具有 图形用户接口 GUI 学位论文 11 2 数据采集 心电采集前端部分主要是滤波和放大电路 基本不需要软件干预 但滤波功能中存在软件滤波和硬件滤波的选择问题 详细讨论见第 X 章 50Hz 工频干扰陷波器设计实验 3 心电数据处理 心电数据处理是整个系统的核心部分 其中包含信号的滤波 信号 特征提取等处理 由于只采集和处理 3 通道的心电数据 用 ARM7 处理 器就可以完成 无需 DSP 或 FPGA 等器件的辅助 主要是软件实现的工 作 4 存储任务 要求系统有文件管理功能 可以使用已有的 FAT EXT 等格式 也 可采用自己编写的简单数据结构来处理数据存储任务 5 系统控制 这部分主要是用微处理器实现 2 2 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 2 2 4 4 1 1 处理器选型处理器选型 目前动态心电记录器中使用的微处理器有很多种选择 如普通 89X51 单片机 MSC1212 单片机 ARM 系列微处理器和 DSP 等 在选型时 虽然 CPU 的计算能力可以比较准确的估计 但是由于实际使用中的算法 不同 而且通常只能根据现有的资料推测 所以估计结果与最终体现出 来的结果会有很大的差距 6 本系统采用 10 位 A D 采样 而且需要软件算法滤波及其控制图形 液晶显示器件 同时要求对数据进行存储和其他特征提取等处理 所以 学位论文 12 使用普通的 89X51 和 MS1212 等没有乘法功能的 8 位单片机很难完成任 务 对于 DSP 处理器来说 无论数据处理还是系统的整体控制都没有问 题 但涉及到图形液晶驱动部分比较复杂 因为通常 DSP 芯片上都不会 提供 LCD 驱动功能 而且由于系统软件设计建立在通用嵌入式实时操作 系统基础上 这样有可能无法真正发挥 DSP 处理器的高速运算结构特点 现在 ARM 系列处理器因其卓越的性能和显著的优点 已成为高性 能 低功耗 低成本嵌入式处理器的代名词 三星公司的 ARM7TDMI 系 列的 S3C44B0X 芯片作为目前最流行的一款 ARM7 系列处理器 其主要优 点有 7 1 S3C44B0X 带有部分 DSP 指令 这些指令对于数字信号处理这样需要 大量数学运算的应用非常有利 2 执行速度可以达到 0 9MIPS MHz 几乎都是单周期指令 3 可寻址空间的增加 使得编程时可以根据速度的要求进行更合理优 化 4 S3C44B0X 内部集成了很多外设 如 LCD 控制器 A D 转换器等 可 以降低系统成本 降低系统开发难度 5 各种相关的资料 资源非常丰富易得 使系统的整体设计风险降低 设计周期缩短 综上所述 本系统应用 S3C44B0X 作为核心处理器 来实现系统整 体协调控制及数据处理功能 2 2 4 4 2 2 存储器件选型存储器件选型 动态心电记录器需要有一个能够长时间记录心电数据的存储器 要 求最少记录 24 小时的数据 现在常用 FLASH 型的存储方式 Flash 学位论文 13 Memory 是一种非易失性存储器 根据结构的不同可以分成 NAND Flash 和 NOR Flash 两种 通常大容量数据存储使用 NAND Flash 型 如果在 系统中使用固定的存储芯片则对于系统的升级 存储器容量的扩大都比 较受限 因此本设计中采用可方便扩展的外接存储器方案 外存储器种类很多 考虑便携性和功耗等方面的性能 可以选择标 准存储卡 Compact Flash CF 卡 或安全数据卡 Secure Digital Card SD 卡 等 CF 卡可以工作在 PC 卡 ATA I O 模式 PC 卡 ATA 存储 模式和实 IDE 模式 3 种模式下 实 IDE 模式与 IDE 接口完全兼容 而且 CF 规范支持各种相同规格的 I O 设备 非常便于系统扩展 SD 卡可以 工作在 SPI 模式和 SD 模式 接口灵活 但 SD 卡多用于数字媒体的存储 因此 在本设计中选择了 CF 卡的实 IDE 模式作为系统心电数据存储器 2 2 4 4 3 3 其它器件选型其它器件选型 液晶显示器选用 K3247H FL 彩色 LCD 显示器 这款显示器采用日本 西铁城 2 8 寸彩色液晶屏 点阵数为 320X240 最大显示 4096 色 带 LED 背光 8 位 TTL 接口 带 4 线电阻式触摸屏 可以由 S3C44B0X 直 接驱动 Boot Flash 选用 AMD 公司的 AM29LV160D 芯片 16M 存储容 量 SDRAM 使用三星公司的 K4S281632F 芯片 2M 容量 采集前端中 的放大器采用了 TLC071 和仪表放大器 INA118 2 2 4 4 3 3 系统硬件结构系统硬件结构 由上述分析过程可以得到系统的基本结构 在基本结构的基础上应 用模块化设计思想 并且考虑可重构原则和兼容性原则设计系统框图如 图 2 3 所示 学位论文 14 图 2 3 系统结构框图 2 2 5 5 系统软件设计系统软件设计 本文研究的检测系统软件结构复杂 如果采用传统的编程方式则编 程和调试的难度将会很大 而且运行稳定性无法保证 因而这里采用了 嵌入式操作系统 uC OS II 实现多任务的管理等工作 同时为实现人机界 面的要求 系统应用了 uC GUI 作为系统的图形用户界面接口 学位论文 15 第三章第三章 动态心电信号检测系统硬件设计动态心电信号检测系统硬件设计 3 3 1 1 心电采集模块设计心电采集模块设计 心电信号是由于心肌在激动过程中产生的生物电流从心脏向身体的 各个方向传导而产生的体表电信号 心电信号是非常微弱低频信号 其 幅值约为 0 5mV 4mV 频率在 0 05Hz 200Hz 的范围内 在心电信号的检 测中通常都伴有强干扰 噪声 这些干扰 噪声 主要是极化电压 50Hz 工频干扰 肌电干扰 运动 如呼吸和病人运动 产生的基线变化和基 线漂移 其中 极化电压幅值约为几毫伏至几百毫伏不等 国家标准中规定 极化电压最大为 300mV 远远大于心电信号 在测量过程中 这个电压 在缓慢变化 表现为频率很低的噪声信号 因此在通常情况下前级增益 不能过大以免饱和 这就限制了前置放大器共模抑制比的提高 为消除 极化电压的影响 通常使用时间常数不小于 3 2s 的 RC 电路构成高通滤 波器 人为运动是瞬时的 但非阶跃 基线改变 由电极移动中电极与皮肤 阻抗改变所引起 人为运动造成的基线干扰可认为是类似周期正弦信号 其峰值幅度和持续时间是变化的 幅值通常为几十毫伏 8 学位论文 16 3 3 1 1 1 1 心电信号前置放大器设计心电信号前置放大器设计 针对上述心电信号的特点 对心电信号的检测的前置放大器的设计 提出了以下要求 1 要有较高的增益 2 高输入阻抗 以上 M2 3 高共模抑制比 以上 dB80 4 低噪声 低漂移以及合适的通频带宽度和动态范围 具体实现电路如图 3 1 前级采用运放Al和A2组成并联型差动放大器 在运算放大器为理想 的情况下 并联型差动放大器的输入阻抗为无穷大 共模抑制比也为无 穷大 C1 C2与R6 R7构成的阻容耦合电路可以提高后级仪表放大器的 增益和共模抑制比 仪表放大器INA128的增益可由R8来调节 系统中根 据心电信号放大的要求 将整个电路的放大倍数设定为20倍左右 Rl接 右腿驱动电路 电路的共模抑制比为 2 1 21 2 2 1 1 21 CMRA A A A A CMRCMRCMR d c d c d 式中 分别为第一级和第二级的共模抑制比 为差模增益 21 CMRCMR cd AA 和共模增益 学位论文 17 图 3 1 前置放大电路 上述电路利用了仪器放大器的共模抑制比与增益的关系 结合阻容 辆合电路 共模驱动技术 达到了心电信号采集前置放大器的设计要求 9 3 3 1 1 2 2 右腿驱动电路右腿驱动电路 右腿驱动电路电路原理图如下 图 3 2 右腿驱动电路 其中 Rl 连接到前置放大电路的 Rl 端 RLDRV 连接右腿驱动电极 学位论文 18 3 1 3 低通通滤波器设计低通通滤波器设计 由于心电的频率在 150Hz 以下 因此低通滤波器的截止频率设计为 150Hz 图 3 3 巴特沃思二阶低通滤波器电路图 运放 U1A 与相应的电阻电容组成一个巴特沃思低通滤波器 低通巴 特沃思斯滤波器是接近理想型的低通滤波器 具有较平坦的带通特性 它的振幅响应是 n c K jH 2 1 3 1 信号从运放的同相端输入 故滤波器的输入阻抗很大 输出阻抗很 小 运放 U1A 和电阻电容组成电压控制的电压源 称为压控电压源 LPF 优点是电路性能较稳定 增益容易调节 10 电极检测到的信号经 过低通滤波器后得到微弱的心电信号 滤除了混杂在心电中的各种高频 信号 经过电压跟随器后送给处理器进行后续处理 学位论文 19 3 3 2 2 核心处理器模块设计核心处理器模块设计 3 3 2 2 1 1 S3C44B0XS3C44B0X 介绍介绍 S3C44B0X 是 Samsung 公司推出的高性价比 高性能的 RISC 处理器 其核心是 ARM 公司设计的 16 32 位 ARM7TDMI RISC 处理器 66MHZ 芯 片上提供了丰富的外设 包括 8KB cache 内部 SRAM LCD 控制器 带 自动握手的 2 通道 UART 4 通道 DMA 系统管理器 片选逻辑 FP EDO SDRAM 控制器 5 个带有 PWM 功能的定时器 I O 端口 RTC WDT 8 通道 10 位 ADC IIS 总线接口 IIC 总线接口 同步 SIO 接 口和 PLL 倍频器等 具有 EmbeddedICE 模块 支持 JTAG 等嵌入式系统调 试方式 S3C44B0X 通过提供全面的 通用的片上外设 大大减少了系统电路 中除处理器以外的元器件配置 从而最小化系统成本 3 3 2 2 2 2 核心处理器模块设计核心处理器模块设计 核心处理器模块由 S3C44B0X 处理器 FLASH 和 SRAM 及晶体振荡器 等元件构成 由于 S3C44B0X 处理器片上没有集成 FLASH 或其他类型 的 ROM 器件 因此必须外扩存储器 为实现片外存储器的管理 S3C44B0X 提供了一套非常完善的存储器管理和控制功能 芯片复位后 存储器的地址分配如下 1 特殊功能寄存器位于 0X01C0000 0X02000000 的 4MB 空间内 2 Bank0 Bank5 的起始地址和空间大小都是固定的 系统启动时将 从地址 0X00000000 处开始运行 3 Bank6 的起始地址是固定的 空间可配置为 2 4 8 16 32MB 学位论文 20 4 Bank7 的空间和大小与 Bank6 一样是可变的 也可配置为 2 4 8 16 32MB 详细分配情况见图 3 4 图 3 4 存储器分配 从兼容性考虑 系统的 NORFLASH 使用 AM29LV160 作为主程序 存储器 其电路连接同样支持 HY29LV160 等 NORFLASH 芯片 SDRAM 采用 Samsung 公司的 K4S281632F 芯片 容量为 16M CF 卡作 为扩展存储器 具有容量大 功耗低 接口灵活并且在 TRUE IDE 模式 下与 PC 硬盘接口兼容 11 系统地址空间分配如图 3 5 学位论文 21 图 3 5 系统地址空间分配 AM29LV160 FLASH ROM 与 S3C44B0X 的电路连接如图 3 6 所示 图 3 6 Boot Flash 连接原理图 学位论文 22 图 3 7 SRAM 连接原理图 K4S281632F 芯片与 S3C44B0X 的连接电路如图 3 7 所示 ARM 处 理器外部晶振为 10MHZ 通过处理器内部的 PLL 倍频到 40MHZ 作为系 统时钟频率 3 3 3 3 ADCADC 模块模块 S3C44BOX 内部具有一个逐次逼近型 8 路 10 位 ADC 内部结构包 括 AMUX COMP PSR SAR 和 ADCDAT 这个 ADC 还提供了可编 程选择的睡眠模式 以节省功耗 其主要特性如下 1 分辨率 10 位 2 微分线性度误差 1 LSB 3 积分线性度误差 2 LSB 4 最大转换速率 100 kHz 5 输入电压范围 0 2 5V 需要说明的是 虽然 S3C44B0X 的 ADC 最大转换速率可达到 100KHZ 但是由于这个 ADC 不具有采样保持功能 所以为了得到精确 的转换数据 在不加采样保持电路的情况下 输入信号带宽不应该超过 100HZ 12 国际上普遍认同的心电信号频率范围是 0 5 100HZ 根据采样定理 系统的采样率应高于 200HZ 本系统采用 300HZ 的采样频率 为达到这 个目的 在系统中应用了采样保持芯片 LF398 电路连接如下 学位论文 23 图 3 9 LF398 电路图 3 3 4 4 显示模块显示模块 动态心电检测系统要求提供直观的心电信号波形和相关信息的实时 显示 并具有良好的人机交互界面 因此在系统中应用了液晶显示器来 完成心电波形 相关参数 分析结果 系统菜单和告警等功能 S3C 44 BO X内置LCD控制器可以支持规格为每象素2位 4级灰度 或 每象素4位 16级灰度 的黑白LCD 也可以支持每象素8位 256色 的彩色 LCD屏 LCD控制器可以通过编程支持不同LCD屏的要求 如行列象素 数 数据宽度 接口时序和刷新频率等 LCD控制器的主要工作是将定 位在系统存储器中的显示缓冲区内的LCD图像数据传送给外部LCD驱动 器中 其主要特性如下 1 支持彩色 256色 灰度 4级或16级 1黑白LCD屏 2 支持4位双扫描 4位单扫描和8位单扫描模式的3种显示类型LCD 3 支持多种屏幕大小 典型如 320X240 640X 480 1024X4096等 4 支持复合虚拟显示屏 支持硬件方式的水平垂直滚动 最大虚拟屏大 小 彩色 模式 可为4096X1024 2048X2048 1024X4096等 5 采用系统存储器作为显示缓冲区存储器 6 可用DMA操作来支持图像数据的获取 7 支持低功耗SL IDEL模式 上述这些特点使得S3C44BOX可以非常方便进行LCD扩展 根据系 统的要求设计中选择了K3247H FL彩色LCD显示器 这款显示器采用日 本西铁城2 8寸彩色液晶屏 点阵数为320X240 最大显示4096色 带 LED背光 8位TTL接口 带4线电阻式触摸屏 可以由S3C44B0X直接驱 动 13 与S3C44BOX的接口如图3 10所示 学位论文 24 图 3 10LCD 驱动电路 3 3 5 5 数据存储模块数据存储模块 本动态心电检测系统的数据存储模块选用现在已经广泛应用在各个 领域的 CF 卡存储器件 CF 卡在很小的体积内集成了控制装置 Flash Memory 阵列和读 写缓冲区 控制装置同时起到了协议转换的作用 对 Flash Memory 的读 写转化为对 ATA 协议控制器的访问 CF 卡对于缓冲 区的设计使用了一种双缓冲结构 在外部设备和 CF 卡通信的同时 使 CF 卡的片内 MCU 可对 Flash Memory 阵列进行读 写 这种设计可以增 加 CF 卡的数据读 写的可靠性 同时提高数据通信的速率 CF 卡有 3 种基本模式 PC ATA 卡 I O 模式 PC ATA 卡存储体模式和 True IDE 模式 其中的 True IDE 模式与大多数磁盘驱动器兼容 本设计 中就 采用了这种模式 CF 卡与 ARM 芯片的接口连接电路如图 3 11 所示 学位论文 25 图 3 11CF 卡与 ARM 芯片的连接图 学位论文 26 第四章第四章 动态心电检测系统的软件设计动态心电检测系统的软件设计 4 14 1 uC OS IIuC OS II 实时嵌入式操作介绍实时嵌入式操作介绍 14 uC OS II 是由 Jean J Labrosse 于 1992 年编写的一个嵌入式多任务实 时操作系统 最早这个系统叫做 uC OS 后来经过 10 余年的应用和修改 在 1999 年推出 uC OS II 并在 2000 年得到了美国联邦航空管理局对用 于商用飞机的 符合 RTCA DO178B 标准的认证 具有足够的稳定性和 安全性 uC OS II 实际上是一个实时操作系统内核 只包含了任务调度 任 务管理 时间管理 内存管理和任务之间的通信与同步等基本功能 没 有提供输入 输出管理 文件系统以及网络服务之类的额外功能 但 uC OS II 主要应用 C 语言编写 所以用户只要做很少的工作就可以将它 移植到自己的处理器上 并可以灵活的添加所需的功能 uC OS II 的文 件结构如图 4 1 所示 uC OS II 属于可剥夺型内核 即它总是执行处于就绪条件下优先级 最高的任务 为了简化系统的设计 uC OS II 规定所有认为的优先级必 须不同 任务的优先级同时也唯一地标识了该任务 uC OS II 最多可管 理 64 个任务 这些任务通常都是一个无限循环的函数 uC OS II 提供了 任务赶李的各种函数 包括创建任务 删除任务 赶变任务的优先级 挂起和恢复任务等 uC OS II 的特点归纳如下 1 可移植性好 uC OS II 的代码中 除了与微处理器硬件相关的部分是使用汇编语言 其他绝大部分是使用移植性很好的 ANSI C 编写的 因此将 uC OS II 移 学位论文 27 植到 uC OS II 与处理器无关的代码 OS CORE C OS Q C OS FLAG C OS SEM C OS MBOX C OS TASK C OS MEM C uCOS II C OS MUTEX C uCOS II H uC OS II 与应用程 序相关的代码 OS CFG H INCLUDES H 用户应用程序 uC OS II 与处理器相关的代码 OS CPU H OS CPU A ASM OS CPU C C 软 件 硬 件 CPU 图 4 1 uC OS II 的文件结构 其他处理器上比较容易 只要改写几个文件的相关内容即可 2 可裁减性好 uC OS II 中使用了很多条件编译 可以根据应用的需要进行适当的 裁减 以便适应系统对代码空间和数据空间的要求 3 实时性好 uC OS II 是完全可剥夺型的实时内核 总是运行就绪条件下优先级 最高的任务 这种设计为系统提供了优良的实时调度功能 4 支持多任务 uC OS II 可管理 64 个任务 用户应用程序可使用最多 56 个任务 学位论文 28 5 运行时间可确定性好 绝大多数 uC OS II 的函数调用核服务的执行时间具有确定性 也就 是说 uC OS II 系统服务时间与用户应用程序任务数目的多少无关 在 任何情况下用户都能预测到 uC OS II 的函数调用核服务执行时间 6 稳定性与可靠性好 在 2000 年 7 月 uC OS II 在一个航空项目中得到了美国联邦航空管 理局对商用飞机的符合 RTCA DO 178B 标准的认证 它的每一种功能 甚至每行代码都经过了考验和测试 稳定性和可靠性是值得信赖的 正是基于上述特点 本设计中在众多的 RTOS 中选择了 uC OS II 作 为系统的软件核心 4 4 2 2 uC OS IIuC OS II 关键结构介绍关键结构介绍 4 4 2 2 1 1 uC OS IIuC OS II 中任务的介绍中任务的介绍 uC OS II 操作系统内核的主要工作就是对任务进行管理和调度 uC OS II 的任务从应用程序设计的角度来看 就是一个线程 就是一个 用来解决用户问题的 C 语言函数和与之相关联的一些数据结构构成的一 个实体 uC OS II 的任务有两种 用户任务和系统任务 由于在嵌入式系统中通常只有一个 CPU 所以在一个具体时刻只能 允许一个任务占用 CPU 根据任务是否占用 CPU 以及是否处于被中断 等待等情况 任务在 uC OS II 中可能处于下列 5 种状态之一 1 睡眠状态 任务只是以代码的形式驻留在程序空间 ROM 或 RAM 还没有交给操作系统管理时的情况 或者说 任务在没有被分配任务 控制块或被剥夺了任务控制块时的状态叫做任务的睡眠状态 2 就绪状态 如果系统为任务分配了任务控制块且在任务就绪表中进行 学位论文 29 了就绪登记 则任务就具备了运行的充分条件 这时任务的状态叫做 就绪状态 3 运行状态 处于就绪状态的任务如果经调度器判断获得了 CPU 的使 用权 则任务就进入运行状态 任何时刻只能有一个任务处于运行状 态 就绪任务只有当所有优先级高于本任务的任务都转入等待状态时 才能进入运行状态 4 等待状态 正在运行的任务 需要等待一段时间或需要等待一个事件 发生再继续运行时 该任务就把 CPU 的使用权让给其他任务而本身 进入等待状态 5 中断服务状态 一个正在运行的任务一旦响应中断申请 就会中止运 行而去执行中断服务程序 这时任务的状态就是中断服务状态 任务在不同状态之间的转换情况以及相关 OS 指令如下图 图 4 2 任务状态转换图 学位论文 30 4 4 2 2 2 2 uC OS IIuC OS II 的中断和时钟介绍的中断和时钟介绍 uC OS II 中的在运行过程中 响应内部或外部异步事件的请求中止 当前任务 而去处理异步事件所要求的任务的过程叫做中断 响应中断 请求而运行的程序叫做中断服务子程序 ISR 中断服务子程序的入口 地址叫做中断向量 uC OS II 系统响应中断的过程是 系统接受到中断请求后 如果这 时 CPU 处于中断允许状态 系统就会中止正在运行的当前任务 而按照 中断向量的指向转到中断服务子程序 当中断服务子程序的运行结束后 系统将会根据情况返回到被中止的任务继续运行 或者转向运行另一个 具有更高优先级别的就绪任务 15 uC OS II 响应中断的过程如下图所示 图 4 3uC OS II 响应中断的过程 在 uC OS II 中 通常用一个任务来完成异步事件的处理工作 而在 中断服务程序中只是通过向任务发送消息的方法去激活这个任务 学位论文 31 与中断响应过程相对应 中断服务子程序调用的流程图如 4 4 图 uC OS II 系统中 任何操作都要提供一个周期性的信号源 以供系 统处理诸如延时 超时等与时间有关的事件 这个周期性的信号源就是 时钟 时钟节拍率越高 系统响应事件的时间就相对越快但系统的额外 负荷也就越重 时钟节拍的实际频率取决于用户应用程序的精度 任务 系统启动后做的第一件事就是初始化定时器中断 时钟就像系统的心脏 一样重要 上面提到中断子程序返回后不一定回到被中止的程序 而是进行一次任 务调度 这是因为 uC OS II 是可剥夺型的实时多任务操作系统内核 优 先 图 4 4 中断服务子程序调用的流程图 级最高的任务一旦准备就绪 就立即拥有 CPU 的使用权 并开始运行 uC OS II 中不支持时间片轮转法 每个任务的优先级要求必须不同而且 学位论文 32 是唯一的 所以任务调度程序的工作就是 查找准备就绪的最高优先级 的任务并进行上下文切换 用函数 OSSched void 进行任务调度 任务调 度函数的伪代码如下 void OSSched void 关中断 如果 不是中断嵌套并且系统可以被调度 确定优先级最高的任务 如果 最高优先级的任务不是当前的任务 调用 OSCtxSw 开中断 上面的这个函数称为任务调度的前导函数 它先判断要进行任务切 换的条件 如果条件允许进行任务调度 则调用 OSCtxSw 函数 OSCtxSw 是真正实现任务调度的函数 OSCtxSw 函数先将当前任务 的 CPU 现场保存到该任务的堆栈中 然后获得最高优先级任务的堆栈指 针 并从堆栈中恢复此任务的 CPU 现场 使之继续执行 这时该函数就 完成了一次任务切换 4 4 2 2 3 3 任务的同步与通信任务的同步与通信 uC OS II 是一个多任务操作系统 应用程序中的各个任务必须通过 彼此之间的有效合作 才能完成一项大规模的工作 因为这些任务在运 学位论文 33 行时 经常需要互相无冲突地访问同一个共享资源 或者需要互相支持 和依赖 甚至有时还要互相加以必要的制约 才能保证任务的顺利运行 uC OS II 中 任务或中断服务子程序可通过事件控制块 ECB 向另外 的任务发信号 这种信号被称作事件 通常包括 1 信号量 为了使任务可以顺利地访问共享资源 而设立一个表示该共 享资源被占用情况的标志 任务通过查询这个标志来了解资源被占用 的情况 以便决定如何运行 2 消息邮箱 在多任务操作系统中 常常需要在任务之间通过传递一个 数据 消息 的方式来进行通信 为此 在内存中创建一个存储空间 作为该数据的缓冲区即消息缓冲区 用来传递消息缓冲区指针的数据 结构就是消息邮箱或邮箱 3 消息队列 可以用来传递多个消息的数据结构叫做消息队列 通常 系统中的任务需要与多个事件进行同步 这就需要有多个信 号量的组合来最后决定任务的行为 为此 uC OS II 定义了信号量集来 解决这个问题 信号量集是一种可以对多个输入的逻辑信号进行基本逻 辑运算的组合逻辑 信号量集是由保存信号量集中所有信号的标志组和 任务链表组成 4 4 2 2 4 4 内存的动态分配内存的动态分配 由于自身的特点 嵌入式系统对内存的分配有很高的要求 不仅要 求能够合理 有效地对内存进行管理和分配 还要求动态分配和释放内 存的执行时间是确定的 因此 uC OS II 针对 ANSI C 中内存动态分配 函数的不足 对 malloc 和 free 两个函数进行了改进 使他们可以对大 小固定的内存块进行操作 从而使函数 malloc 和 free 的执行时间成为 可确定的 达到了实时操作系统对内存动态分配的要求 学位论文 34 uC OS II 是一款优秀的实时多任务操作系统 应用 uC OS II 可以使 得系统应用程序设计和扩展变得容易 而且在不需要大的改动的情况下 就可以增加新的功能 通过将应用程序分解成若干个独立的任务 uC OS II 可以使应用程序的设计和实现过程大为简化 而且作为可剥夺 型的内核 所有对时间要求苛刻的事件都得到了尽可能快速 有效的处 理 通过有效的服务 如信号量 邮箱 队列 内存动态分配等 uC OS II 使系统资源得到了良好的利用 4 4 3 3 uC GUIuC GUI 简介简介 本系统中提供了图形用户接口 GUI 功能 嵌入式系统由于其应 用的特点决定了系统中应用的 GUI 与通常 PC 机上使用的 GUI 系统有很 大的区别 嵌入式系统一般不希望建立在庞大累赘的 非常消耗系统资 源的操作系统和 GUI 上 嵌入式系统对 GUI 的基本要求包括轻型 占用 资源少 高性能 高可靠性以及可配置 在一些界面功能要求简单的系统中 可以通过自行编写一些函数集 来进行图形 文字的显示 但是 对于界面功能要求较高的应用中往往 采用专业的 GUI 来完成 本系统采用了 uC GUI 来提供人机交互界面功 能 uC GUI 是专为嵌入式系统应用提供的图形用户界面软件包 它适用 于采用图形点阵式 LCD 作为显示设备的任何嵌入式应用 它能够提供高 效的 与核心处理器和 LCD 控制器无关的图形用户界面服务 在多任务 环境内应用也非常简单 uC GUI 的设计是模块化的 在不同的模块中又包含不同的层次 在 底层 LCD 驱动 层中 包括了所有直接对 LCD 的操作 对这一层的 函数进行适当的修改就可以使 uC GUI 适合于各种 LCD 和 LCD 控制器 学位论文 35 uC GUI 采用 100 的 ANSI C 语言编写 移植性也非常好 uC GUI 的功能特性如下 1 图形库特性 1 支持不同色彩深度的位图 2 具有位图转换器 3 快速绘制基本图形 点 线 圆等 4 具有多种绘制模式 2 字体特性 1 自带各种字体 2 新字体可以通过简单的方法进行链接加入 3 最后生成的可执行文件实际只链接了用到的字体 4 字体大小可以调整 5 带有字体转换器 3 字符串 数值输出函数特性 1 函数可以将数值以 10 2 16 进制显示 2 函数可以对上述进制的数值进行编辑 4 视窗管理器特性 1 具有完整的视窗管理功能 2 窗口可以被移动和调整 3 支持回调函数 4 窗口使用的 RAM 很少 每个窗口 20 字节 另外 uC GUI 支持鼠标和触摸屏 4 4 4 4 uC OS IIuC OS II 在在 S3C44B0XS3C44B0X 上的移植上的移植 16 uC OS II 并不是为了某一款处理器而设计的操作系统 为了能在确 学位论文 36 定的处理器上运行 必须进行相应的移植工作 所谓移植 就是使一个实时内核能在某个微处理器或微控制器上运 行 为了方便移植 大部分的 uC OS II 代码是用 C 语言编写的 但仍有 一些与处理器相关的代码用汇编语言编写 uC OS