（生物医学工程专业论文）监护终端的多任务设计.pdf

a b s t r a c t a san e wp a t t e r no fm e d i c a lt r e a t m e n tt h a tc a np r o v i d ec o m m u n i t yr e s i d e n t sw i t hc o n v e n i e n t ， e c o n o m i c a la n de f f e c t i v em e d i c a ls e r v i c e ，t h ec o m m u n i t ys e r v i c es y s t e mo fm e d i c a lt r e a t m e n th a s b e e nd e v e l o p e dg r a d u a l l y h o w e v e r , t h e r ea r en os u i t a b l ed e v i c e sa n de q u i p m e n t s n o w , t e l e m e d i c i n e t e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e sc o m p u t e rt e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o nd e v i c e sa n d i n t e r n e tt e c h n i q u e ，h a sb e e np a i di m p o r t a n c ea n dr e c o g n i z e db yi n c r e a s i n gs p e c i a l i s t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e sat e r m i n a lo fe c gm o n i t o rs y s t e mb a s e do nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，w h i c hi sd e s i g n e df o rt h ec o m m u n i t ym e d i c a lt r e a t m e n ts y s t e m t h em a i nf u n c t i o no f t h e s y s t e mi st og a t h e r , t op r o c e s sa n dt os t o r ee c gs i g n a l s w h e nt h e r ea r ea b n o r m a le c gs i g n a l s ， t h es y s t e mw i l lt r a n s m i tt h ed a t at ot h es e r v i e ec e n t e ra n dr e a l i z et h el o n g - - d i s t a n c er e a l - t i m e m o n i t o rt ot h ep a t i e n t s t h em o n i t o rt e r m i n a lc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ，t h ed s ps y s t e mt h a tg a t h e r sa n dp r o c e s s e st h e d a t a ，t h em a i nc o n t r o l l e rs y s t e mt h a ts t o r e sa n dd i s p l a y st h ed a t aa n dt h ew i r e l e s st r a n s m i t t e r s y s t e mt h a tt r a n s m i t st h ee c gs i g n a l st ot h es e r v i c ec e n t e lt h es y s t e mh a sk e y b o a r da n dl c d ， w h i c hf a c i l i t a t e st h ec o s t u m e r w h e nd s pd e t e c t st h ea b n o r m a le c gs i g n a l s ，t h es y s t e mw i l l a l a r ma n dc o m m u n i c a t ew i t hs e r v i c ec e n t e rb vm o b i l en e t w o r k , w h i c hm a k e st h ep a t i e n t st ob e a s s i s t e db yt h ed o c t o r sa ss o o na sp o s s i b l e t h em a i nc o n t r o l l e rs y s t e mi st h ec o r ep a r to ft h em o n i t o rt e r m i n a l t h ep a p e rr e s e a r c ht h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h em a i nc o n t r o l l e rs y s t e mi sm a d eu pw i t hs o m ec i r c u i t s i ti s d i v i d e di n t om u l t i t a s k sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tc i r c u i t s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f r e a l - t i m e ，t h em a i nc o n t r o l l e rs y s t e mi sm a n a g e db yt h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s 1 1 k e yw o r d s ：c o m m u n i t ym e d i c i n e ；t e l e m e d i c i n e ；e c gm o n i t o r ；r a b b i t 2 0 0 0 ； g c o s i i 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己经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘芏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：名扛金? 磊签字日期：埘年，月t f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂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：磊参如 签字日期：玉，耐哞月，日 导师签名 签字日期：2 睥，月厂日 第一章绪论 1 - 1 社区卫生服务 第一章绪论 由于人口老龄化进程加快、医疗费用过快增长、疾病谱转变等诸多原因。世 界卫生组织在总结英国等欧洲国家的经验后，于七十年代末提出“社区卫生服务” 这一医疗卫生服务发展的新方向，认为居民8 0 以上的健康问题可以在基层解 决；社区卫生服务是改善全人类健康，特别是改善发展中国家贫困人群健康的一 项根本措施。 社区卫生服务是社区建设的重要组成部分。它可以合理利用社区资源，以人 的健康为中心、家庭为单位、社区为范围、需求为导向，以老年人、妇女、儿童、 慢性病人、残疾人为重点，解决社区主要卫生问题；它以满足广大群众对医疗卫 生服务的基本需求为目的，融预防、医疗、保健、康复、健康教育等为一体，是 一种有效、经济、方便、综合、连续的基层卫生服务【1 】。社区医疗服务近三十年 来在世界范围内发展迅速，世界各国不论是发达国家还是发展中国家都在大力推 广社区卫生服务。 我国近年来也在大力发展社区卫生服务。1 9 9 7 年，中共中央国务院在 关 于卫生改革与发展的决定中作出了“改革城市卫生服务体系，积极发展社区卫 生服务，逐步形成功能合理、方便群众的卫生服务网络”的重要决策。在国家政 策的指导下，我国社区卫生服务获得了较快的发展，为社区居民解决了治病防病 等系列问题，受到社会的欢迎 2 1 。 发展社区医疗面对的主要问题是如何保证医疗质量和如何实现享受专家级 医疗服务的平等权利。 1 2 远程医疗 远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 是指医学专家利用电子通信以及多媒体等手段实现 远距离医学检测、监护、诊断、治疗、急救、保健以及远距离教育和咨询等服务 的技术。它是计算机技术、通信技术与医学技术结合的产物 3 1 。 随着社会的信息化，人们的生活方式已发生了根本性的变化，医疗保健的观 念和方式也随之发生了改变。利用多媒体、计算机及网络等技术及先进的通信设 第一章绪论 各进行远距离医疗服务，已成为国内外医疗卫生系统和电子行业十分关注的重大 科技课题。远程医疗可以使边远、贫困山区的更多人享受各种医学资源( 教育资 源、专家资源、技术设备资源、医学科技成果信息资源等) 。现在利用远程医疗 已经可以进行远程会诊、远程手术、远程监护、远程助产、远程护理、战伤救护、 专业讲座等方面服务【4 j 嘲。 随着国内医疗体制改革和住房制度改革的进行，社区卫生服务医疗模式正 蓬勃兴起。过去病人看病时不管大病小病都要上医院，令医院不堪重负：另一方 面病人去医院看病花费太高，也不太方便。通过远程医疗技术和社区卫生医疗服 务相结合，患者可以在社区甚至家里咀较低的费用就可以得到同样的服务，而医 院也能集中其设备优势和专业优势，重点进行疑难病症及重病症的诊断与治疗。 然而，就整体而言，我国社区医疗建设刚刚起步，各种设施条件尚待完善， 目前最迫切需要的是各种功能齐全、体积小、重量轻、适合社区诊所和家庭病房 使用的医疗仪器。 1 3 心电监护的重要性 当前生活节奏的加快，饮食构成的改变，环境的恶化，心血管系统的疾病对 生命的危害性呈加重的趋势。我国冠心病的发病率在千分之一以上，高血压的发 病率超过1 0 ，并且高血压和冠心病发病率随着年龄老化而增加，目前心血管疾 病成为威胁人民生命健康的头号杀手之一。应用远程医疗监护和指导高血压的治 疗，进行心肌缺血和心肌梗塞的早期诊断可以极大地降低高血压冠心病的死亡 率，致残率 6 1 。 心电监护是指通过连续监测病人的心电图( e c g ) 信号，及时了解病人的心脏 状况，并在发现严重的心脏异常情况时，及时采取有效的治疗和急救措施。心电 监护的主要内容是实时观i n , 5 律失常。由于早期心电图描记观察的间断性( 一天 一次或两次) ，相当高的心律失常病症未被注意到，而有4 0 以上急性心肌梗塞 病人是由于心律失常并发症而死亡。直到2 0 世纪6 0 年代，人们才认识到心律失 常是急性心肌梗塞病人的特殊常见并发症，这归因于直到那时人们才发展了实用 的可进行心电连续监测的技术设备，其最先用于冠心病监护( c c u ) 中。冠心病可 以导致心脏骤停和早期泵衰竭等各种心律失常。箍心病人若能在病症发作的1 分 钟内得到及时治疗，有9 0 的生存机会：而在3 分钟后才得到治疗，生存机会就 在急剧下降。心电监测仪使人们能够一直连续观察心脏的电活动，并即时提示重 要的心律失常，从而为与心律失常相关的心脏疾病的研究、急救和治疗提供了重 要的手段。心电监护成为c c u 的一个里程碑【7 1 。 箢一章绪沦 随着科学技术的发展，医学的进步，监护装置得到了迅速发展，可靠性和准 确性不断提高，在医院得到了广泛的运用。现代集中监护仪普遍实现智能化。在 监护病房里都设有带微处理器的床边监护仪，它具有监护生理参数、显示和报警 功能。 虽然c c u 集中监护具有强大的功能和完善的服务，但由于医院病房的床位 有限，使得许多心脏病患者没有条件得到监护。而且常规心电图记录的是病人在 静卧情况下的心电活动，对心律失常等病的发现率很低。环境和人的精神状态都 能影响心脏工作，诱发潜在心脏病的发作。为此早在2 0 世纪6 0 年代美国h e l t e r 研究出一种磁带记录器，对正常活动f 的病人做长时间连续的心电信号记录，并 将其做成快速回放分析的计算机系统，我们把称之为h o l t e r 系统。h o l t e r 能记录 处于正常生活、工作、活动条件下的心电变化，捕捉到初期的潜在的心脏疾病的 心电信息，成为要付出定量心律失常、心肌缺血的重要而有效的诊断方法，也使 心脏病的早期诊断成为可能h i 。 随着技术的发展，h o l t e r 也更新了好几代，由当初使用磁带记录心电数据发 展为使用大容量存储器保存2 4 小时或4 8 小时的心电数据，而心电参数检测的算 法的发展也促进了心电诊断技术的发展，从而提高了诊断的效率与准确性。后来 发展的电话心电监护仪以及b b 机心电监护仪，它们能在病人感觉异常时将心电 信号发送到心电监护中心，由中心进行记录和分析诊断，这使它一改以往实时陛 差的缺点，进一步改进了h o l t e r 的性能。但它们一方面不能自动诊断，另一方面 丢失大量原始数据，不利于心脏病的早期防治和药物疗效的观察。 1 4 本课题的主要研究内容 由于远程医疗在社区卫生服务中的优越性与心电监护的重要性，我们提出一 种基于移动通讯的远程心电监护系统的研究方案。该系统由d s p 心电采集处理 模块、主控制器模块和无线传输模块三部分构成，具有心电采集、诊断、显示、 存储和无线发送等功能。d s p 系统对心电信号进行采集，并且进行前期渗断：诊 断结果和心电数据传输到主控制器系统中进行存储和显示；当诊断出有异常心电 信号时，由无线传输模块通过移动通讯网络出现异常心电信号前后的一段生理数 据传输到监护服务中心，由监护服务中心的医生进行进一步的诊断，并通过移动 通讯网络与患者进行必要的交流。由于使用了移动通讯技术，这样无论使用者身 处何地，只要是在移动网络普及的范围内，使用者都可以随时接受到医疗服务， 从而大大增加了使用者的便利性和提高了医疗服务的质量。 在三大模块中，主控制器模块处于核心地位，它具有从d s p 读取心电信号 在三大模块中，主控制器模块处于核心地位，它具有从d s p 读取心电信号 第一章绪论 数据、u s b 通讯、键盘扫描、液晶显示、数据存储、紧急报警和无线传输接口 等功能。由于系统功能较复杂，有些任务对实时性要求比较高，我们使用实时操 作系统“c o s i i 来进行多任务管理。 本课题主要的任务是对监护终端的主控制器系统进行硬件设计和软件设计。 在硬件设计中介绍了主控制器与各功能模块之间电路连接，软件设计中介绍了基 于g c o s - i i 实时操作系统的设计方法与程序实现。 全文由五大部分组成。第一章主要介绍了社区卫生服务、远程医疗和心电监 护的意义，以及本课题的主要研究内容：第二章简述了基于移动通讯的远程监护 终端的构成以及主控制器的总体设计：第三章和第四章分别介绍了系统的硬件设 计与软件设计：第五章对系统的性能提出了改进的方案，并对系统设计进行了总 结以及对未来研究的展望。 第二章基丁移动通讯的远程监护系统的构成 第二章基于移动通讯的远程监护系统的构成 基于移动网的远程心电监护系统由监护终端( 用户方) 和监护中心服务器( 提 供服务方) 两个部分组成。监护终端由患者随身携带；监护中心则通过移动通讯 网络和终端对使用者进行实时监护。远程心电监护终端连续采集、分析患者的生 理信号；在发现信号“异常”，或患者自我感觉不良按“紧急呼叫”键时，监护 终端可立即经移动网络、公共数据网与监护中心服务器进行连接，将发现异常前 后一段时间的生理数据传到监护中心的服务器上。监护终端除了具备生理信号采 集、生理信号分析、生理信号显示、数据存储和传输等功能外，还具有语音通信、 发送短信息等帮助患者与监护中心进行交流的功能。 监护中心在接受到网上传来的生理信息后，立即进行患者身份鉴别、检索 患者信息，并分派主治医生；主治医生接受任务后，立即投入诊断：他不仅可以 阅读传来的生理信息；也可以通过网络从各医疗机构的分布式数据库调阅患者病 历：还可以与患者通话，了解患者的感觉和情绪，从而做出正确的诊断，采取必 要的救治措施。同时还应把诊断的结果，制成病历存放入监护中心( 或患者的定 点医疗服务单位) 的数据库。 2 1 远程监护终端构成f 9 】 图2 - 1 远程监护终端系统框图 第二章基于移动通讯的远程监护系统的构成 图2 - 1 给出了远程心电监护终端的总体框图，它主要由四部分构成：d s p 模块、主控制器模块、无线模块以及电源模块。其中，箭头表示模块或器件之间 的数据或控制信号的流向，实线表示供电关系，虚线用于各功能模块之f 刚的划分。 下面对各个模块作简单的介绍。 1 d s p 模块 d s p 模块可以分为心电采集模块与数据处理模块两部分。心电采集模块由 放大滤波和a d 转换两部分电路组成。放大滤波部分由前置放大器、低通滤波 器和主放大器构成。我们选用m a x i m 公司m a x 4 1 9 6 作为前置放大器，m a x 4 1 2 2 作为主放大器，m a x 7 4 0 7 作为低通滤波器。由于信号采集时电极上存在极化电 压，所以前置放大器的增益不宜过大。m a x 4 1 9 6 是一个1 0 倍固定增益的放大器。 心电信号先经m a x 4 1 9 6 进行放大后，通过c r 隔直电路滤掉直流分量，然后进 入m a x 7 4 0 7 进行低通滤波，最后进入m a x 4 1 2 2 主放大器进行放大。前后两级 放大器的总放大倍数为5 0 0 到1 0 0 0 倍。我们使用的放大器都具有r a i l t o r a i l 输入 输出特性，这样，即使芯片的工作电压为3 3 v 时也能得到比较宽的输入输出动 态范围。放大滤波后的心电信号送至m a x l l 3 进行a d 转换，采样率2 0 0 h z ， 转换之后的心电数据存放于d s p 的片上r a m 中，以待d s p 进行处理。 d s p 数据处理模块以n 公司的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为核心，设计了 心电检测硬件系统，将经m a x l l 3 转换后的心电数据进行实时分析处理。在d s p 数据处理模块中采用小波检测办法对r 波进行检测，再依据信号波形、r r 间期 做出简单的心律失常诊断：室上性早搏、室性早搏、二联律、三联律、心跳过速、 漏搏和停搏等，并且对心电数据进行压缩处理，以减少数据传输量和存储量。最 后将分析处理后的心电数据经由d s p 的主机接口发送到主控制器模块。d s p 数 据处理模块包括存储器、逻辑器件等外围电路。 2 主控制器模块 主控制器模块在整个系统中处于核心地位，它的主要任务是设置系统的工 作状态，接受、执行由监护终端使用者或由监护中心发送来的指令，从d s p 读 取处理后的e c g 数据并且进行显示或存储，控制无线模块发送数据，以及实现 监护终端使用者和监护中心医生的语音和短信实时交流等。我们选用r a b b i t 2 0 0 0 作为主控制器模块的核心处理器，与键盘液晶模块、大容量存储器、u s b 接口 电路、报警电路等外设一同构成主控制器模块。在主控制器模块中，我们把系统 划分成若干任务，采用实时操作系统1 tc o s i i 来进行统一管理。 3 无线模块 我们选用s i e m e n s 公司的m c 3 5 模块作为监护系统的无线发送模块。它为 单电源供电，电源电压为3 3 4 8 v ，提供语音、短信、传真和数据服务。m c 3 5 第二章基于移动通讯的远程监护系统的构成 与s i m 卡、耳机以及天线等一起构成无线模块，其功能是实现终端与监护中心 之间的通信。 4 电源模块 针对系统的硬件构成，为了保证系统的可靠使用，在电源模块的设计上采用 可充电锂电池和墙上适配器结合的方式：在正常工作时由锂电池供电；当锂电池 电量不足时，使用者可使用墙上适配器为监护仪供电，同时对锂电池进行充电。 这部分设计中，须考虑电池电量的问题，我们利用r a b b i t 定时进行电池电量检 测，当电量不足时，发出报警信号，提示使用者对电池充电。整个系统通过不同 的电压转换模块，为各个芯片提供相应的适配电压。 本文主要进行主控制器模块的多任务设计。主控制器系统是整个系统的核 心，几乎涉及了整个监护系统终端所有模块。在2 2 节中将会对主控制器系统的 总体设计进行简单的介绍。 2 2 主控制器系统的总体设计 图2 2 主控制器系统的总体框图 图2 2 给出了主控制器系统的总体框图，它包括r a b b i t 2 0 0 0 小系统和外围 设备两部分。其中r a b b i t 2 0 0 0 小系统包括数据存储器、程序存储器、时钟电路、 复位电路和编程接口等：外围设备包括与d s p 模块通讯的主机接口、液晶显示、 键盘输入、u s b 接口和手机模块接口等电路。 当d s p 处理完采集的数据后，保存在r a m 中，然后发送主机接口中断通知 主控制器接收数据。主控制器接收到中断后，按照双方约定的方式通过d s p 主 机接口从d s p 的r a m 读取数据，然后对数据进行进一步的处理。主控制器可以 按以下操作中的一种或者几种来对心电数据进行处理：1 、在液晶屏上显示心电 信号波形；2 、将一t h , 电信号数据存储到大容量f l a s h 中；3 、在出现异常心电数据 时通过无线模块将数据传输到监护中心服务器上；4 、当用户将终端连接到p c 第二章基于移动通讯的远程监护系统的构成 机时，通过u s b 接口将心电数据传输到p c 机中，由p c 机作进一步的处理。用 户可以通过键盘进行人机对话或输入命令，控制监护终端工作。主控制器模块的 报警电路用于当心电信号出现异常或者仪器不正常工作时提示用户。 心电信号数据传输到监护中心常见途径是通过无线网络、城域网等分组传输 服务的网络。因此，在传送数据前必须调用相关的协议栈把数据分组打包。在我 们系统中，先后按照e c g f s c p 、f t p 、t c p i p 、p p p 和g p r s 几个标准的要求 对心电数据进行处理。其中e c g f 是我们定义的在d s p 和主控制器之间数据传 输协议；s c p 是数字心电图机的标准数据交换协议，是目前国际上规定的心电数 据及相关信息格式和传输机制；f t p 、t c p i p 都是网络协议，而p p p 是一种实 现与t c p i p 、g p r s 网关连接数据报的协议。 主控制器模块中包含多个电路，每个电路对应的功能不同，在软件设计中将 它们划分为一个个任务。由于每个任务的重要程度各不相同，时程安排各不相同， 而且任务之间在时程上常常发生冲突，有些任务要求实时性比较高，所以采用前 后台结构来进行系统设计已经不能满足系统的需要。为了使系统能够准确无误地 运行，并且对实时性要求较高的任务能快速响应，我们使用实时操作系统 uc o s i i 作为主控制器系统的内核，由它来控制整个系统的运行与任务调度。 如上所述，主控制器系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。在下面的两 章中分别对它们做介绍。 第三章主控制器系统硬件设计 第三章主控制器系统硬件设计 远程心电监护终端包括数据d s p 数据处理模块、主控制器模块、m c 3 5 无 线发送模块和电源模块四个部分，其中主控制器模块处于核心地位。本文主要围 绕主控制器模块来进行系统的硬件与软件设计。本章主要介绍主控制器系统的硬 件设计，下一章将介绍主控制器系统的软件设计。 3 1r a b b i t 2 0 0 0 介绍1 0 l 1 1 1 在主控制器系统中，我们以主控制器r a b b i t 2 0 0 0 作为核心来进行系统设计。 r a b b i t 2 0 0 0 是r a b b i t 半导体公司在z 8 0 微处理器基础上专为嵌入式应用开发的 一种8 位微处理器，它很好地解决了存储空间、运行速度、网络通信以及程序开 发的问题。r 曲b i t 2 0 0 0 与z 8 0 、z 1 8 0 以及h d 6 4 1 8 0 微处理器具有相似的结构， 以及高度的兼容性，并在很多方面作了较大改进。 下面简单介绍一下r a b b i t 芯片的特点： 1 0 0 针p q f p 封装，工作电压为2 7 5 v ，最大时钟频率为3 0m h z ； 程序可寻址空间高达1 m b ，可编写多达5 00 0 0 行的c 程序代码； 四个中断优先级，使得紧急事件的中断响应可以很快。 可使用存储器访问指令完成对i o 设备的访问； 硬件设计规则简单。多至6 个静态存储器芯片( 如r a m 和f l a s h e p r o m ) 可与处理器直接相连而无需逻辑转换。还可以通过并行i o 线扩展更多的 存储器芯片： r a b b i t 具有冷启动特性，r a b b i t 可通过编程端口进行冷启动。这意味着在 任何时候都可以对程序f l a s h 进行重新编程，无需已经存在的程序或b i o s 支持。 r a b b i t 具有4 0 根并行i o 线( 与串口共享) 。一些i 0 线和定时器同步， 这使得在硬件与软件控制下，可以产生精确的时钟边缘和脉冲； r a b b i t 有4 个串口。这4 个串口可班在许多操作模式下异步工作，其中2 个也可以与串口i o 设备接口进行同步工作。异步模式下波特率可以高达 时钟频率的1 3 2 ：在同步模式下，波特率可达外部时钟的1 6 或内部时钟 的1 4 。在异步模式下，r a b b i t 支持发送标志字节，标志消息帧的开始。 第三章主控制器系统硬件设计 标志帧有9 b i t 而非8 b i t ，第9 位标志着一个消息帧的丌始； 内部看门狗定时器； 6 个定时计数器，2 个时钟振荡器主时钟振荡器( 典型晶振频率1 8 - - 2 9 5 m h z ) 和时间日期时钟振荡器( 3 2 7 6 8 k h z ) ； 处理器主频可达2 5 m h z ，拥有出色的浮点运算能力； 有标准的1 0 针编程接口，无需仿真器。运用d y n a m i cc 语言，只要一个 简单的1 0 针连接器和p c 的串口连接起来，就可以下载和编译软件。 r a b b i t 2 0 0 0 有p a 、p b 、p c 、p d 和p e 等5 个并行口共4 0 根i o 线，i o 线 的分配情况如表3 1 所示： 表3 一lr a b b it 2 0 0 0 并行i o 线分配表 r a b b i t 2 0 0 0 的并行i o 线作用 p a o p a 3 、p d o p d 3 键盘扫描 p b 0 、p b 2 p b 4 、p b 6 、p b 7 、p c 2 、p c 3 m c 3 5 手机模块控制线 p b l 、p c 6 、p c 7 编程连接器接口 p e 3 p e 7 外围器件片选 p e 0 、p e l 外部中断 由于r a b b i t 2 0 0 0 的p e 口在使用上具有很大的灵活性以及在我们的应用中多 次使用到p e 口，我们先介绍一下p e 口的特点。p e 口的每一个管脚可独立作为 输入或输出。每个端口线可以独立作为i o 控制信号，代替并行i o 线。每个i o 控制信号都是一个选通脉冲，在外部i o 周期被给予6 4 k 外部i o 空间的1 8 。 每个选通脉冲都可以被编程作为一个片选，写选通脉冲，读选通脉冲或联合的读 写选通脉冲。用作i o 控制选通的任意管脚必须编程为输出管脚。p e 0 与p e 4 可 用作外部中断0 的输入，p e l 与p e 5 用作外部中断1 的输入。如果p e 0 使能， 则p e l 也必须使能，p e 4 与p e 5 同理。可以在软件中设置触发中断的方式，下 降、上升或两者都可触发中断。使用时，端口位必须设置为中断请求输入。 3 2r a b b i t 2 0 0 0 小系统设计 等。 r a b b i t 2 0 0 0 小系统包括时钟电路、编程连接器、复位电路和存储器接口电路 3 2 1 时钟电路【1 2 】 第三章主控制器系统硬件设计 通常情况下，系统会有两个晶体振荡器，一个3 2 7 6 8k h z 的晶振用于驱动 可电池支持的定时器和另一个频率为1 8 4 3 2 n m h z 或3 6 8 6 4 n m h z 的晶振。 这些晶振频率( 除了1 8 4 3 2m h z 外) 允许生成的标准波特率可达到至少1 1 5 ，2 0 0 b p s 。时钟频率可通过一个片上时钟倍频器实现倍频，但是倍频器一定不要将频 率超过2 2 1 1 8 4 m h z ( 在一个5 v 系统中) 和1 4 7 4 5 6 m h z ( 在一个3 3 v 系统 中) 。对于3 2 7 6 8 k h z 的振荡器必须采用石英晶振。主振荡器则采用陶瓷振荡器， 其精度为0 5 即可。 3 2 2 编程连接器【1 2 】 与其他硬件开发环境不同，开发r a b b i t 并不需要复杂的在线的仿真器以及 e p r o m 写入器；只要用一编程电缆将p c 串1 3 和目标系统的编程连接器连接起 来，在d y n a m i cc 语言环境下就可以进行软件的编辑、编译、调度、下载和运行。 v c c p c 机串口 图3 一l 编程连接器与r a b b i t 2 0 0 0 的连接电路 在图3 一l 中所示了编程连接器与r a b b i t 2 0 0 0 连接电路。r a b b i t 2 0 0 0 与p c 机 之间的编程电缆上有一块电平变换用的电路，电路将p c 机用的r s 一2 3 2 电平转 换为r a b b i t 用的c m o s 电平。当编程电缆将目标控制器板连接到一个p c 串口 之后，运行d y n a m i cc 的p c 机就可以对r a b b i t 2 0 0 0 进行软件的编辑、编译、 调试、下载和运行。 在表3 - 2 中显示了p c 机串口信号通过编程电缆与r a b b i t 信号连接的情况。 第三章主控制器系统硬件设计 表3 - 2 编程端口连接 p c 串口信号r a b b i t 信号 d t r ( 输出)r e s e t ( 输入，复位系统) d s r ( 输入)s t a t u s ( 通用输出) t x ( 串行输出)r x a ( 串行输入，通道a ) r x ( 串行输入) t x a ( 串行输出，通道a ) 3 2 3 复位电路 我们使用外部复位芯片m a x 8 1 l 来实现系统上电复位，而使用内部看门狗 电路实现软件复位。 3 2 4r a b b i t 2 0 0 0 与r a m 的接口设计【1 2 】【1 3 由于我们的主控制器中使用实时操作系统肛c o s i i 作为内核，它在任务调 度时占用一定的资源，以及在数据处理过程中需要保存大量的中间变量，并且如 果有一片大容量的r a m ，那可以在r a m 中进行程序调试，软件开发速度就会 加快；因此，我们选用一个容量较大的s r a m 芯片k 6 f 1 0 0 8 v 2 e ，它是一款高 性能的c m o s 静态r a m ，大小为是1 2 8 k x8 b i t 。它的管脚说明如下表3 3 所示： 表3 - 3k 6 f 1 0 0 8 v 2 e 的管脚说明 引脚 描述引脚描述 a o a 1 6 地址输入f 阿 写使能 i o o i 0 8 数据输入输出 输出使能 v c c 电源c s c s 2 片选 v s s地n c 未连接 r a b b i t 2 0 0 0 具有外部接口无缝特性，外部存储器可与处理器直接相连而无需 逻辑转换，所以很容易设计存储器接口电路。c s l 、o e l 和w e l 是专门用于与 r a m 连接的，通过它们可以将k 6 f 1 0 0 8 v 2 e 连接到r a b b i t 2 0 0 0 上。图3 2 是 r a b b i t 2 0 0 0 和s r a m 的接口设计。 第三章主控制器系统硬件设计 图3 2r a b b i t 2 0 0 0 和s r a m 的接口设计 3 2 5r a b b i t 2 0 0 0 与f l a s h 的接口设计1 2 】【1 4 】【1 5 1 在目前所有的非易失性存储器( p r o m 、e p r o m 、e e p r o m 和f l a s h ) 中，唯 有f l a s h 存储器拥有以下所有优点：掉电数据不丢失、远比e p r o m 快速的数据 存取时间、电可擦除、容量大、在线( 系统内) 可编程、价格低廉、以及足够多的 擦写次数和可靠性等，所以它成为当今嵌入式系统中首选的存储器。 在我们的系统中使用了两片f l a s h ，其中一片用来保存程序，另外一片用来 保存数据。在选择用于保存程序的f l a s h 时，我们基于几方面考虑：一是容量， 由于我们的程序包含一个操作系统内核以及一些字库，程序量比较大，所以它的 容量必须足够大；二是功耗，由于我们的系统是便携式系统，由电池供电，所以 必须使用低功耗芯片；最后它必须是r a b b i t 2 0 0 0 的b i o s 支持的f l a s h ，因为在 加载程序时，由b i o s 来控制，如果不是b i o s 支持的芯片，必须修改b i o s 才 能使用。为了减少编程工作量，我们直接选择r a b b i f l 0 0 0 推荐使用的f l a s h 芯片。 s s t 2 9 l e 0 2 0 是2 5 6 k 8 b i t 的f l a s h ，它的工作电压为3 0 3 6 v ，工作电流仅为 1 0 m a ，并且它属于r a b b i t 2 0 0 0 推荐使用的芯片。它与r a b b i t 2 0 0 0 的连接方法如 图3 - 3 所示，从图可知c s o 、o e 0 和w e 0 将它连接到r a b b i t 2 0 0 0 上。 由于心电监护系统是对患者进行2 4 小时的心电监护，除了在出现异常心电 信号时将异常前后的一段心电信号数据通过无线模块发送到监护中心服务器外， 还必须将一整天的心电信号数据保存下来，为临床诊断和治疗提供重要依据。我 们的系统是同时采集3 导联的心电信号数据，采样频率为2 0 0 h z ，所以一天2 4 小时的心电信号数据大概是5 0 m 左右字节。为了减少数据传输量和存储量，我 们在数据处理时对心电信号数据进行压缩编码，压缩率约为4 ，这样压缩后的数 据不超过2 0 m 字节。考虑到系统掉电的情况下数据也不能够丢失，我们选用非 第三章主控制器系统硬件设计 d 01 6 d il5 d 21 4 d o d l d q d 3 d 4 d 6 d 6 d 7 r a b b l t 2 0 0 0 a 0 a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 6 3a 6 6 4 a 7 7 3 a 8 7 4 9 7m 0 7 5 a l i 6 5a 1 2 7 2a 1 3 7 】a 1 4 6 6a ls 6 7 1 6 7 0a 1 7 a l a 2 a 12 a 13 2 a 14 2 a 15 s s r l e 0 2 0 a 0 a 1 a 2 l 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 a 1 0 a 1 1 a 1 2 a 1 3 a 1 4 a l5 a 1 6 a 1 7 图3 - 3r a b b i t 2 0 0 0 与s s t 2 9 l e 0 2 0 的接口设计 d q 0 d q d 0 0 d 0 3 d q 4 d q 5 d q 6 d q 7 o e # w e # c e # 3d 0 4d l 5d 2 v c c v d d 玎 v s s 。粤一 n c l ll 易失性存储器f l a s h 用来存储心电信号数据。k 9 f 5 6 0 8 u o a 是一个容量为3 2 m 字 节的n a n d f l a s h 存储器，它的读写速度比较快，通常在2 0 0 p s 内可以对包含 5 2 8 字节的扇区完成编程操作，在2 m s 内可以对一个大小为1 6 k 字节的数据块完 成擦除操作。它的i o 管脚既可以用作地址和数据输入输出端口，也可以用作命 令输入端口。表3 - 4 是k 9 f 5 6 0 8 u o a 的管脚说明。 表3 4k 9 f 5 6 0 8 u o a 的管脚说明 引脚 描述引脚描述 i t 0 0 i 0 8数据输入输出w e写使能 c l e 命令锁存使能 r e 输出使能 a l e 地址锁存使能 c e 片选 r i b准备忙输出管脚w p写保护 v c c电源 g n d 额外空间的使能端 v s s 地 n c 未连接 k 9 f 5 6 0 8 u o a 的8 个i 0 口是地址复用的。3 2 m 字节的物理空间需要2 5 位 地址，因此对扇区进行读写操作时需要三个地址输入周期。这种设计既减少了管 脚数目，还能够在维持系统板设计的不变性的基础上允许系统升级。当c e 为低 电平时，通过把w e 变低，可以把命令、地址或数据写入1 1 0 口。数据在w e 的 上升沿被锁存。命令锁存使能( c l e ) 和地址锁存使能( a l e ) 分别用来控制命令和 地址的输入输出。在使用k 9 f 5 6 0 8 u o a 时必须注意，对它进行编程和读操作都 盯舳时枷川三川 暮薹蹋器咖耋刻骞d 第三章主控制器系统硬件设计 是基于扇区执行的，而擦除操作则是基于块操作的。在进行编程操作时必须确保 已经擦除，否则会得到不正确的数据。由于r a b b i t 2 0 0 0 具有与外部接口无缝设 计，使得r a b b i t 2 0 0 0 与k 9 f 5 6 0 8 u o a 接口变得简单。我们使用r a b b i t 2 0 0 0 的p e 3 管脚作为k 9 f 5 6 0 8 u o a 的片选，它对应的外部i o 地址空间为0 x 6 0 0 0 0 x 7 f f f ， a 0 、a 1 分别和a l e 、c l e 相连，这样可以通过访问外部i o 空间的方式来对 k 9 f 5 6 0 8 u o a 进行操作。w p 是写保护控制端，我们使用p d 7 与它相连。图3 - 4 是r a b b i t 2 0 0 0 与k 9 f 5 6 0 8 u o a 的接口连接图。 1 0 r d i o w r p e 3 p u 7 图3 - 4r a b b f f 2 0 0 0 与k 9 f 5 6 0 8 u o a 的接口设计 3 3 主控制器与d s p 主机接口的设计【1 6 】 1 7 1 d s p 模块的主要功能是对心电信号进行信号采集与处理，并将处理好的数据 通过主机接口电路传输到主控制器中。在我们的系统中选用t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 芯片作为d s p 模块的处理器。c 5 4 0 2 是一款定点数字信号处理 器，具有低价位、高性能、低功耗等特点。它提供一个8 位主机接口，可以用来 实现d s p 和主设备或者主处理器接口，双方通过共享c 5 4 0 2 的片上r a m 完成 通信。主机接口由一个8 位的数据总线和用于设置和控制接口的控制信号线组 成，它很容易与各种主机相连。 r a b b i t 2 0 0 0 作为系统的主机，通过主机接口与d s p 通讯，可以访问d s p 的 内部r a m 。如图3 5 所示，我们利用r a b b i t 2 0 0 0 的地址引脚a 0 a 3 与d s p 主 机接口的控制信号线直接相连，其中h c n t l 0 1 指明访问方向，h b i l 指示字节 的发送顺序。我们使用p e 7 产生h p i 的片选信号，通过访问外部地址的方式来 访问主机接口。r a b b i t 2 0 0 0 的读写选通引脚分别与h p i 的h d s l 和h d s 2 相连接， 与h p j w 一起指示r a b b i t 2 0 0 0 的操作类型；由于p e o 管脚可用作外部中断0 的 输入，利用r a b b i t 2 0 0 0 的p e 0 与d s p 的h i n t 相连，r a b b i t 2 0 0 0 与d s p 可以通 所嘶阱阱叭 姒眦一旺一帆一 阱阱阱阱芑；跏肿 加 第三章主控制器系统硬件设计 过中断方式完成双方通讯的握手过程。 d 7 i ) 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1 d 0 l0 2 1 0 1 l0 0 9 9 d 7 d 6 d 5 d 4 d 3 d 2 d 1 d o o 1 图3 - 5c 5 4 0 2h p i 与r a b b i t 2 0 0 0 的接口设计 3 4u s b 接口设计【1 8 i 在我们的系统中u s b 接口作为与p c 机进行数据通讯的接口。在过去要实 现外围设备与p c 机进行通讯，一般是通过p c 机的串口或者并口来完成。无论 是串口还是并口都是点对点连接，一个接口仅支持一个设备。虽然说串口和并口 技术比较成熟，并且使用也比较简单，但由于它们的传输速度比较慢，并且占用 的体积比较大，所以它们并不是便携式仪器的最佳选择。u s b 总线具