基于ARM设计的多生理参数嵌入式监护系统

1、引言

多生理参数监护系统用来对病人的生理或生化参数进行连续、长时间、自动、实时监测，并经分析、处理后实现多类别自动报警、自动记录，并具有对结果的综合判断能力，便于医护人员及时发现病人的病情变化，随时采取必要的护理与急救措施，从而大幅度减少危重病人的死亡率。

国外的人体生理监护仪发展趋势是采用移动式监护技术。在欧洲，借助现在小巧、价低的嵌入式计算机和无线网络技术，开发各种能穿在身上的监护系统的研究工作已经开展得非常之好，爱立信、诺基亚和飞利浦等公司都在进行相应的研究开发工作。在国内，目前普遍采用的人体生理监护系统中，大致可分为三种：1）基于PC机平台的监护系统，功能强大且完善，但其体积庞大，不便于移动。2）微型和便携式监护仪，大多采用低档单片机实现，功能简单，只能进行信号的采集和显示，不便于医务人员监视。3）采用嵌入式系统的监护系统，其体积小、可靠性高、功耗低，但大多采用工业用PC104主板，普遍成本比较高。

本文研究的多生理参数监护系统包括心电（ECG）、呼吸（REST）、无创血压（NIBP）、血氧饱和度（SPO2）、体温五个参数的实时监护。由这些参数的二次数据还可提取心率、心律失常、呼吸率、收缩压、舒张压、平均压及脉率等参数；可以较全面地评估循环系统和呼吸系统的功能。由于ARM的嵌入式系统设备通常具有体积小、功耗低、功能集中、网络功能强大和稳定性好等优点，因此作者所在课题组利用ARM研制了一种生理参数监护系统，以满足多生理参数监护系统不断发展的要求。

2、嵌入式多生理参数监护系统的构建

为搭建更加理想的嵌入式控制系统，综合考虑了本监护系统的实际应用，采用嵌入式Linux控制系统作为主控系统，图1是系统整体结构图，系统在ARM9的硬件平台上搭建了一个嵌入式Linux系统，其中Linux内核采用的是2.4.18稳定内核。

2.1定制Linux系统

依据所选择的CPU类型即ARM9，以公开的嵌入式Linux源代码为基础，根据设计的嵌入式目标板情况编写相应的Bootloader程序（启动装载程序）。然后根据标准Linux裁剪出适合的内核和文件系统，采用的嵌入式Linux在其内核内部实现了TCP/IP和相应的驱动，并裁剪掉了不需要的模块，在Redhat9.0的宿主机上对Bootloader和2.4.18版本的Linux内核进行交叉编译[5]。再对其文件系统进行精简，将Bootloader程序、内核和文件系统固化到目标板的Flash（闪存）中，便定制好了合适的嵌入式Linux系统。

2.2嵌入式多生理参数监护系统的硬件构成

如图2所示为嵌入式多生理参数监护系统的硬件结构图，主控制模块采用的是ARM体系的处理器，即是Samsung公司的 S3C2410芯片，该芯片采用ARM920T微处理器作为控制器内核。硬件各种接口以及扩展，都是可定制的[1]。本系统是专用于人体生理参数的监护，故接口设计主要考虑各种人体生理参数的传感器。由于系统中的各生理参数监护模块，都采用了OEM模块，这些模块采用单一的串口通讯，通过串口/USB口转换模块，就可以通过USB接口接入主控系统中。

3、核心功能的实现

系统的核心功能是要实现对各心理参数的实时监护，同时能及时计算和分析数据，并能准确快速地发现超标的数据，实现超标报警功能。其中超标报警接口和可扩展的接口还需要编写相应的驱动程序。

3.1驱动程序的编写与调试

超标报警接口以及可扩展的接口，都应编写相应的驱动程序，其中超标报警接口的驱动程序的基本流程如下：

1）定义主设备号； 2）驱动初始化（或者是模块的初始化）； 3）实现文件操作，定义file_operations结构； 4）实现中断服务（不是必须的）；5）编译该驱动到内核（或用insmod命令加载）；6）测试设备。

超标报警接口作为外接的一个设备，先定义以下设备号，

#difine DEVICE_NAME “alarms” /*定义alarm设备的名字*/

#difine ALARM_MAJOR 254 /*定义alarm设备的主设备号*/

在明确I/O方式，alarm设备对应的硬件资源之后，可以采用ioctl控制alarm设备。而编写Linux设备驱动程序的主要工作就是编写子函数填充file_operations的各个字段。下面就是填充之后的file_operations，

struct file_operations test_fops = {read: read_test,

write: write_test,

open: open_test,

release: release_test}；

上述各个子函数的功能如下：

open_test函数实现请求I/O内存资源；映射寄存器地址并保存；读取寄存器初始值并重新设置控制寄存器。release_test函数实现 I/O内存资源的释放。read_test函数实现对寄存器当前状态的读取，并将读到的数据传递给应用程序。write_test函数实现将应