基于嵌入式技术的监护系统的研究与设计

　　1引言

　　随着我国经济的快速发展、城市化进程的日益加速、人们生活节奏的不断加快，越来越多的人们开始感到自己的健康每况愈下，很多人直至病情突发才明白。据报道，我国绝大多数人都处于亚健康状态。随着现代电子技术的发展，16／32位CPU的广泛应用，传统的生理信号监护仪的CPU系统也在逐渐的由8 位CPU向更高位数的处理器发展。随着监护仪功能的强大，对数据处理速度的要求越来越高，使得8位CPU的发展受到了限制，16／32位CPU可以在远高于8位CPU的时钟频率下正常工作，数据一次性吞吐量大，处理器的价格却在下降，16／32位CPU开始被广泛应用于生理信号监护仪中。

　　该监护系统采用了ARM7系列芯片中的LPC2292嵌入式微处理器，主要用来测量人体的生理参数，如：心电图、血压、血氧饱和度、体温等。因为系统需要采集、处理大量的数据信息，而在CPU上用单任务的软件来处理这些数据信息是很难的，甚至是不可能的。因此在设计中选用可同时处理多任务的 μC／OS-Ⅱ操作系统。其提供了安全可靠的操作系统平台，缩短了开发周期。

　　2 系统硬件设计

　　ARM 7系列芯片LPC2292最小系统如图1所示：

　　系统的总体结构框图如图2所示。

　　由图2可看出整个系统以ARM 7系列芯片LPC2292为核心，在其外围扩展一些外围电路，从而实现了对人体生理参数：心电、血压、血氧饱和度、体温的安全检查。系统通过心电模块、血压模块、血氧饱和度模块、体温模块采集人体的生理参数、调理电路对这些信号进行滤波和放大，LPC2292自带的A／D转换器将传输过来的模拟信号转换为数字信号，最后人体的各参数指标通过LCD显示。

　　2.1 ARM系统模块

　　ARM系统是这个系统的控制中心，主要完成运算、控制、管理等工作，是系统工作的核心模块。该系统采用的ARM 7系列芯片LPC2292，他是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位CPU，并带有256 kb嵌入的高速FLASH存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使2位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb模式将代码规模降低超过30％，而性能的损失却很小。由于LPC2292的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、 2路PWM通道以及多达9个外部中断使他们特别适用于医疗系统、汽车、工业控制应用以及容错维护总线。

　　2.2 LCD显示模块

　　LCD显示模块主要完成数据显示、输出数据与显示数据的同步等功能。由于LPC2292中没有液晶控制器的功能模块，如果所选择的液晶屏内部也没有液晶控制器，那么，要使CPU可以对液晶进行控制，就必须加设计一个液晶驱动控制电路。因此本系统中选择自带控制器的液晶屏HLM6323。他是5英寸伪彩液晶屏，像素是320×240点阵，每个点需要RGB三色数据，每种色需要1个字节数据表示。而设计要求需要连续观看图图像，根据标准需要每秒钟 25帧图像，那么每秒至少需要传输数据为25×8×320×240=15 360 000位数据，若选用串行传输，则需要4.6 Mb／s的串行传输速度，但是遗憾的是，没有任何一种串行标准传输大于这个速度，因此，势必需要选择并行的数据传输。

　　2.3 报警模块

　　当测得的生理参数，如心电、血压、血氧饱和度、体温超过预设的正常值，则产生报警，提醒患者赶紧进行治疗或医护人员需进行抢救措施。

　　2.4 FLASH数据存储器以及USB接口

　　为了能够确保实时数据的保存，以及提取，从而设计此模块。本系统中选择NAND08GW3D2系列的存储器芯片。由于该芯片不同存储密度器件引脚一致，因此系统可以在电路不做改动的情况下升级为高容量存储器件。通过USB设备接口芯片ISP1161A1扩展出一个USB的设备接口。通过该USB 接口，可以实现将监护系统记录的数据上传到PC机，PC机也可以通过该接口下载程序到LPC2292处理器的存储器中。

　　2.5 系统电源

　　电源设计是一个系统设计中的关键部分，对于整个系统，一个稳定的、具有一定功率的电源和合理的电源管理是必不可少的。本系统有以下几种电源：CPU的内核数字和模拟电源电压+1.8 V，CPU的I／O口数字和模拟电源电压+3.3 V、总线的隔离电源、LCD的驱动电源、LCD的背光逆变电源、其他外围设备电源电压+5 V等电源。

　　3 软件设计

　　本系统的软件设计主要包括ARM的应用程序的开发和μC／OS-Ⅱ操作系统的移植2个基本部分。ARM的应用程序主要包括LCD显示程序、 FLASH存储程序、USB通信程序、键盘扫描程序、A／D程序和报警程序等。μC／OS-Ⅱ操作系统是协调LPC2292对程序的任务管理和调度。整个系统的软件流程图如图3所示。