一種基于ARM的多參數實時監護系統設計

1　引　言

多參數監護儀廣泛應用于ICU、CCU、病房、手術室等。目前我國也有自主知識產權的產品,如邁瑞、金科威、金腦人等,但與GE、飛利浦世界先進產品比較,在監測和計算、可靠性、實時性、穩定性、信號變異的處理分析、遠程傳輸等方面都較落后[1]。嵌入式系統把計算機直接嵌入到應用系統之中,它融合了通信技術和半導體微電子技術,是信息技術IT的最終產品[2]。因此將嵌入式系統,網絡等技術應用于醫用監護儀領域,能使多參數監護儀順應現代醫用監護儀市場縮小體積,提高數據處理能力,遠程醫療等方面的要求。

本文介紹一種基于ARM的實時監護系統,它將32位RISC結構的ARM內核處理器與實時多任務嵌入式系統相結合,并通過嵌入式TCP/IP協議棧為平臺添加網絡傳輸功能,構建一個新型的多參數監護儀系統。

2　系統硬件設計

醫用監護儀具有以下幾個方面功能:測量功能、分析功能、報警功能、打印功能、網絡通信功能等。六參數模塊通過導聯端、光手指、袖帶獲得人體的心電、無創血壓、血氧、脈率、呼吸、體溫六參數信號,通過串口通信方式與以ARM7為內核的嵌入式處理器相連,數據從串口送到ARM7中央處理器,通過多任務調度,進行實時數據處理,并在LCD上實時顯示各種信號的圖形和數值,還可以由外部鍵盤控制,進行存儲和網絡發送,并對各種檢測信號設置報警線,對超出報警范圍的檢測情況進行報警。硬件結構圖1所示：

3　開發系統軟件設計

3.1　軟件開發總體介紹

利用PC機運行的Hitool forARM開發環境下調試程序:首先運行系統、Memory及I/O端口的初始化程序,隨后進入主程序,采用外部中斷方式,判斷是否有鍵輸入,若有則調用鍵盤控制子程序進行識別所按下的鍵,根據鍵盤的控制執行相應的任務;若無就調用串口讀入程序,采集心電、血氧、血壓等數據,并判別所采集數據的類型,存入不同地址的SDRAM中,并依次分類進行處理,處理完畢,判斷是否超越各自的報警限,若是則調用報警程序和顯示程序,若否則直接調用顯示程序;這樣,各種數據就實時地采集進來,并在LCD上顯示測試數值和心電、呼吸波形。其中測試數值按每分鐘存儲,心電、呼吸波形按鍵存儲,按翻頁鍵可以調出相應的存儲波形并進行顯示;根據打印和網絡命令進行打印和網絡命令處理等。程序主要用C語言編寫。

3.2　串口的處理

硬件接口采用標準RS-232C異步串行接口,選用發送 (TXD)、接收(RXD)和地線的三線方式,其它的握手信號直接懸空。要實現六參數模塊與S3C44BO之間的串口通信,必須使兩者采用相同的數據傳輸方式,它們通信的數據格式如下;波特率為9600bps, 8位數據位, 1位停止位,無奇偶校驗位。

另外,在I/O端口初始化程序中,定義Uart_Init函數,對串行口各寄存器進行初始化,配置參數時鐘和波特率等。在設計中主要進行以下串行口寄存器設置:

UART線性控制寄存器ULCON1=0x3;

UART控制寄存器UCON1=0x245;

UART先進先出控制寄存器UFCON1=0x1;

UART波特率寄存器UBRDTV,根據公式計算出。

在串口讀入程序中,采用了中斷方式,來實現雙向數據傳輸,達到實時控制的目的。串口程序數據接收過程為:調用Uart_Getch()函數讀入N個字符,以數組的方式放置在SDRAM中,然后進行數據處理。在lib.C程序中部分源代碼如下:

charUart_Getch()

{…

while(! (rUTRSTAT1& 0x1)); //Receive data ready

return rURXH1;

…}

3. 3　LCD顯示

當有新數據需要顯示時, LCD顯示模塊將新的采樣數據寫入LCD顯示存儲器中, S3C44BO芯片所支持的LCD控制器在不需要CPU介入的情況下,通過專用DMA自動地將需要顯示的數據從顯示存儲器傳送到LCD顯示器中。LCD顯示器不斷地接收數據,就在LCD上顯示監測內容。

3. 3. 1　LCD初始化

定義Lcd_MonoInit()函數,在LCD的三個控制寄存器中,設置LCD掃描寬度等與硬件時序有關的量:如:使用160×240的黑白單色顯示屏, 4-bit單掃描等。在LCD的三個緩沖初始地址寄存器中,主要配置了幀緩沖寄存器BUFFER的起始地址等。

以上各寄存器基本的配置的源程序如下:

void Lcd_MonoInit(void) //初始化LCD屏幕

{ //160×240 1bit/1pixelLCD

#defineMVAL_USED 0

rLCDCON1=(0) (1<<5) (MVAL_USED<<7) (0x3<<

8) (0x3<<10) (CLKVAL_MONO<<12);

//disable, 4B_SNGL_SCAN,WDLY=8clk,WLH=8clk

rLCDCON2=(LINEVAL) (HOZVAL<<10) (10<<21);

//LINEBLANK=10(without any calculation)

rLCDSADDR1= (0x0<<27) (((U32) frameBuffer1>>22)<<

21 ) M5D((U32)frameBuffer1>>1);

//monochrome,LCDBANK,LCDBASEU

rLCDSADDR2=M5D( (((U32)frameBuffer1+(SCR_XSIZE*LCD_

YSIZE/8))>>1)) (MVAL<<21) (1<<29);

rLCDSADDR3=(LCD_XSIZE/16) ((SCR_XSIZE-LCD_XSIZE) /

16)<<9);

}

3. 3. 2　打開LCD

1)在內核中開辟內存空間用于顯示內存

可在顯示模塊中加入:#define frameBuffer1 0xC400000

2)定義幀緩沖器長度,并對其賦初值設置一個行列與LCD

高寬相對應的數組pbuffer, pbuffer用于存放發送至顯示屏的每幀像點數據,像點數據的多少取決于顯示屏的大小; pbuffer="BitsPerPixe"*l Lines* /8=160* 240/8=4800(字節)。

由于pbuffer被定義為U32,即32位(八個四位)指針,每一個元素對應LCD顯示屏上的一個像素點,顯示方式采用4-bit單掃描,所以應當循環4800(字節) /4=1200次,實際上對應的單元數為整個160×240的屏幕范圍。

for( i="0", i<1200; i++)

#(pBuffer[ i])=0x0;

3)數據處理

LCD的數據處理主要對要顯示的數據進行處理(4bit到32bit的轉換)。

temp_data=(Buf[ i* 4+3]<<24)+(Buf[ i* 4+2]<< 16)+(Buf[*i 4+1]<<8)+(Buf[*i 4]);