基于ARM9处理器的家用远程医疗监护终端
时间：11-10
来源：互联网
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陷波电路
工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前端电路和前置放大器已对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频于扰是以差模信号进入电路的，且频率处于心电信号频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因数，前级电路输出的心电信号仍然存在较强的工频干扰，因此必须将其滤除。本设计采用的是无限增益多路反馈型二阶陷波器，电路如图5。
图5 陷波电路
嵌入式Web服务器模块
考虑本系统定位于家庭使用，且系统需要连续长时间工作，又由于系统需要良好的人机交互环境、存储大量数据以及支持网络通信，所以要求处理器具有功耗低、成本低、丰富的接口和支持操作系统。本设计选用ARM9处理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用上。其 CPU内核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA总线和Harvard高速缓存体系结构，该结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据 Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V内核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电;外部存储器控制器;LCD控制器提供1通道LCD专用DMA; 8通道10位ADC接口，转换速率最大为500KSPS(Kilo Sample Per Second，千采样点每秒);117位通用I/O口和24通道外部中断源;电源控制模式包括正常、慢速、空闲和掉电4种模式;支持NAND Flash的启动装载。
对心电信号采样精度的考虑主要出于对ST段异常分析处理的要求，ST段电平变化约为0.05mV，因此采样精度至少为0.025mV。当采用10位 A/D转换器工作在正极性、满刻度电压为2.5V时，可分辨的最小输入电压为2.5mV，而信号调理电路放大倍数为1000倍，则输入端的最小分辨率约为 0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全满足系统需求。
为了使用户能够直观的观察心电和便于控制设备，设计采用东华公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人机交互界面。为满足移植操作系统以及存储心电信号、网页等数据的要求，系统外扩了64M的NAND Flash(使用一片K9F1208UOB)和64M的SDRAM(使用两片HY57V561620)。为满足终端联网的需求，选用CS8900A用于设计网络适配器，CS8900A是一个真正的单芯片、全双工的以太网解决方案产品，更方便的是在Linux内核中提供有CS8900A适配器的驱动程序。
电源部分
为增加安全性、降低功耗、节省成本，设计采用9V碱性电池供电，通过电源转换芯片AS1117-3.3将9V转换为3.3V可供给放大器芯片和S3C2410使用。
软件设计
软件设计主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI(通用网关接口)程序的设计，功能程序的设计。
图6 系统软件框图
Linux的移植
本设计采用linux-2.4.18内核。正确进行Linux移植的前提是具备一个与Linux配套、易于使用的BootLoader，它能够正确完成硬件系统的初始化和Linux的引导。本系统中采用vivi，它是由韩国MIZI公司提供的一款针对S3C2410芯片的BootLoader。
Linux内核的目录/arch中包含了所有与硬件体系结构相关的内核移植代码，目录/arch中的每个子目录代表了一种Linux支持的处理器。移植Linux到S3C2410平台主要是修改/arch/arm目录及其子目录下相关的makefile文件和配置文件。例如：修改内核根目录下的 Makefile文件，指明要移植的硬件平台为ARM：ARCH:=arm,指明使用的交叉编译器CROSS_COMPILE=/opt/host /armv41/bin/armv41-unknown-linux-;修改arm/arm目录下的config.in文件，配置S3C2410的相关信息;为初始化处理器，还需在arch/arm/boot/compressed目录下添加head-s3c2410.s文件。内核修改完成后，用命令 make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令编译内核，编译通过后则在目录arch/arm/boot下生成zImage内核文件，还需利用工具软件MKCRAMFS制作 cramfs文件系统。最后，在minicom终端的vivi命令行下利用load命令将内核和文件系统下载到目标系统，至此移植完成。
Boa的移植和CGI程序设计
由于嵌入式设备资源有限，并且不需要同时响应多用户请求，因此一般使用一些专门的Web服务器用于嵌入式应用设计。Boa是单任务web服务器，源代码开放，性能高，支持CGI，能为CGI程序fork出一个进程来执行，其设计目标是速度和安全，可执行代码只有约60KB。移植Boa的过程如下：从 sourceforge.net上下载 boa-0.94.13，在其解压目录下生成并修改makefile文件，然后运行make得到可执行程序，利用命令armv4l-unknown- linux-strip将调试信息剥去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的运行。最后将生成的可执行程序Boa挂载到目标系统，若能成功访问静态HTML网页和运行测试用的CGI程序，则表明配置成功。
通用网关接口CGI可将Web服务器连接到外部应用程序，它主要完成两件事情：一是收集从Web浏览器发送给Web服务器的信息，并将这些信息提供给外部程序利用;二是对提出请求的Web浏览器发送程序的输出。CGI具有平台独立性、语言独立性和层次感等优点。利用CGI程序则可以实时执行并输出动态信息，且其占用资源少。CGI程序的执行过程为：浏览器将表单数据以POST方法提交给Web服务器，服务器根据收到的数据设置环境变量，并新开一子进程来执行CGI程序，CGI程序从环境变量中读取所需要的数据，通过调用用户自定义的外部功能函数完成数据处理后，再读取相应的HTML模板文件，根据注释标记将对应的数据填充到HTML文件中，生成新的HTML页面经Web服务器返回给浏览器。
为快速开发符合应用要求的CGI程序，在设计时添加了CGIC库和gd库。CGIC是一个功能强大的支持CGI开发的开放源码的标准C库。 Thomas Boutell编写的gd库是标准的C语言库，具有基本的绘图等功能。为实现在网页上动态显示心电波形，将每次采集的数据经过功能程序处理后存储的同时送给CGI程序，利用gd库提供的函数来创建图像。通过在网页模块上设定刷新时间(使用HTML语言的META标记)，从而实现在网页上心电波形的动态显示。
工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前端电路和前置放大器已对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频于扰是以差模信号进入电路的，且频率处于心电信号频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因数，前级电路输出的心电信号仍然存在较强的工频干扰，因此必须将其滤除。本设计采用的是无限增益多路反馈型二阶陷波器，电路如图5。
图5 陷波电路
嵌入式Web服务器模块
考虑本系统定位于家庭使用，且系统需要连续长时间工作，又由于系统需要良好的人机交互环境、存储大量数据以及支持网络通信，所以要求处理器具有功耗低、成本低、丰富的接口和支持操作系统。本设计选用ARM9处理器S3C2410A，S3C2410A主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用上。其 CPU内核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU、AMBA总线和Harvard高速缓存体系结构，该结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据 Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V内核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电;外部存储器控制器;LCD控制器提供1通道LCD专用DMA; 8通道10位ADC接口，转换速率最大为500KSPS(Kilo Sample Per Second，千采样点每秒);117位通用I/O口和24通道外部中断源;电源控制模式包括正常、慢速、空闲和掉电4种模式;支持NAND Flash的启动装载。
对心电信号采样精度的考虑主要出于对ST段异常分析处理的要求，ST段电平变化约为0.05mV，因此采样精度至少为0.025mV。当采用10位 A/D转换器工作在正极性、满刻度电压为2.5V时，可分辨的最小输入电压为2.5mV，而信号调理电路放大倍数为1000倍，则输入端的最小分辨率约为 0.0025mV，故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全满足系统需求。
为了使用户能够直观的观察心电和便于控制设备，设计采用东华公司的TFT彩屏YL-LCD35套件用于人机交互界面。为满足移植操作系统以及存储心电信号、网页等数据的要求，系统外扩了64M的NAND Flash(使用一片K9F1208UOB)和64M的SDRAM(使用两片HY57V561620)。为满足终端联网的需求，选用CS8900A用于设计网络适配器，CS8900A是一个真正的单芯片、全双工的以太网解决方案产品，更方便的是在Linux内核中提供有CS8900A适配器的驱动程序。
电源部分
为增加安全性、降低功耗、节省成本，设计采用9V碱性电池供电，通过电源转换芯片AS1117-3.3将9V转换为3.3V可供给放大器芯片和S3C2410使用。
软件设计
软件设计主要包括Linux的移植，嵌入式Web Server-Boa的移植，CGI(通用网关接口)程序的设计，功能程序的设计。
图6 系统软件框图
Linux的移植
本设计采用linux-2.4.18内核。正确进行Linux移植的前提是具备一个与Linux配套、易于使用的BootLoader，它能够正确完成硬件系统的初始化和Linux的引导。本系统中采用vivi，它是由韩国MIZI公司提供的一款针对S3C2410芯片的BootLoader。
Linux内核的目录/arch中包含了所有与硬件体系结构相关的内核移植代码，目录/arch中的每个子目录代表了一种Linux支持的处理器。移植Linux到S3C2410平台主要是修改/arch/arm目录及其子目录下相关的makefile文件和配置文件。例如：修改内核根目录下的 Makefile文件，指明要移植的硬件平台为ARM：ARCH:=arm,指明使用的交叉编译器CROSS_COMPILE=/opt/host /armv41/bin/armv41-unknown-linux-;修改arm/arm目录下的config.in文件，配置S3C2410的相关信息;为初始化处理器，还需在arch/arm/boot/compressed目录下添加head-s3c2410.s文件。内核修改完成后，用命令 make menuconfig配置Linux，再用make zImage命令编译内核，编译通过后则在目录arch/arm/boot下生成zImage内核文件，还需利用工具软件MKCRAMFS制作 cramfs文件系统。最后，在minicom终端的vivi命令行下利用load命令将内核和文件系统下载到目标系统，至此移植完成。
Boa的移植和CGI程序设计
由于嵌入式设备资源有限，并且不需要同时响应多用户请求，因此一般使用一些专门的Web服务器用于嵌入式应用设计。Boa是单任务web服务器，源代码开放，性能高，支持CGI，能为CGI程序fork出一个进程来执行，其设计目标是速度和安全，可执行代码只有约60KB。移植Boa的过程如下：从 sourceforge.net上下载 boa-0.94.13，在其解压目录下生成并修改makefile文件，然后运行make得到可执行程序，利用命令armv4l-unknown- linux-strip将调试信息剥去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的运行。最后将生成的可执行程序Boa挂载到目标系统，若能成功访问静态HTML网页和运行测试用的CGI程序，则表明配置成功。
通用网关接口CGI可将Web服务器连接到外部应用程序，它主要完成两件事情：一是收集从Web浏览器发送给Web服务器的信息，并将这些信息提供给外部程序利用;二是对提出请求的Web浏览器发送程序的输出。CGI具有平台独立性、语言独立性和层次感等优点。利用CGI程序则可以实时执行并输出动态信息，且其占用资源少。CGI程序的执行过程为：浏览器将表单数据以POST方法提交给Web服务器，服务器根据收到的数据设置环境变量，并新开一子进程来执行CGI程序，CGI程序从环境变量中读取所需要的数据，通过调用用户自定义的外部功能函数完成数据处理后，再读取相应的HTML模板文件，根据注释标记将对应的数据填充到HTML文件中，生成新的HTML页面经Web服务器返回给浏览器。
为快速开发符合应用要求的CGI程序，在设计时添加了CGIC库和gd库。CGIC是一个功能强大的支持CGI开发的开放源码的标准C库。 Thomas Boutell编写的gd库是标准的C语言库，具有基本的绘图等功能。为实现在网页上动态显示心电波形，将每次采集的数据经过功能程序处理后存储的同时送给CGI程序，利用gd库提供的函数来创建图像。通过在网页模块上设定刷新时间(使用HTML语言的META标记)，从而实现在网页上心电波形的动态显示。