嵌入式醫(yī)療保健終端系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

嵌入式醫(yī)療保健終端系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)1.課題背景隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活水平的日益提高，人均壽命同益延長，老年人的醫(yī)療保健問題成了社會廣泛關(guān)注的焦點。家庭醫(yī)療保健系統(tǒng)在這種社會大環(huán)境下應(yīng)運而生，本文研究和實現(xiàn)了一種基于嵌入式技術(shù)，以家庭為核心的“家庭——效勞網(wǎng)絡(luò)——醫(yī)生〞的三層體系結(jié)構(gòu)的家庭醫(yī)療保健系統(tǒng)。終端通過以太網(wǎng)接入Internet，利用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)生理參數(shù)信號的采集、傳輸及遠(yuǎn)程醫(yī)療。工作過程：通過血壓計、心率計、血糖計等數(shù)字儀器采集老年人的各種生理參數(shù)，經(jīng)過RS232串行門或USB口送入嵌入式醫(yī)療保健終端系統(tǒng)，然后該終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)打包并通過網(wǎng)絡(luò)傳送給效勞器端，效勞器端處理數(shù)據(jù)后及時與醫(yī)院、主治醫(yī)師取得聯(lián)系?？蛻舳伺c效勞器端可以連接攝像頭和麥克風(fēng)，雙方進(jìn)行視頻遠(yuǎn)程醫(yī)療。圖1．1是醫(yī)療保健系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。．硬件體系結(jié)構(gòu)2.1終端系統(tǒng)硬件平臺的結(jié)構(gòu)及功能終端系統(tǒng)硬件平臺的整體架構(gòu)本課題采用的硬件平臺是UP—NETARM3000，運行嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的uC／os—II和uClinux雙操作系統(tǒng)，其主板資源有：MPU：SamsungS3C44BOX；NandFlash：K9F2808UOC；NorFlash：AM29LVl60DB；SDRAM：HY57V281620HCT；320*240STN彩色LCD；觸摸屏；一個USB從口；網(wǎng)卡：RTL8019AS，lOM以太網(wǎng)口；2個RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口；JTAG接口(包括14Pin和lOPin標(biāo)準(zhǔn))；IIC接口；IIS音頻CODEC；ATA硬盤接口；通用串行口UART(UniversalAsynchronousReceiver／Transmitter)又稱作通用異步收發(fā)器，它是用于控制計算機(jī)與串行設(shè)備的芯片。S3C44BOX本身集成有UART控制器，主要通過對UART特殊功能存放器設(shè)置來控制UART操作的。S3C44BOX的UART單元特性包括：1．基于DMA或中斷操作的RxDO、RxDl、TxDO、TxDl；2．UART通道0支持紅外發(fā)送與接收；3．UART通道1支持紅外發(fā)送與接收；4．支持握手模式傳輸與發(fā)送。2.1.3以太網(wǎng)口S3C44BOX處理器本身不集成以太網(wǎng)控制器，我們選擇使用集成了MAC控制器和PHY層的以太網(wǎng)芯片來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口。RTL8019AS是全雙工以太網(wǎng)芯片，支持lOMbit／s的傳輸速率，支持即插即用功能并與NE2000網(wǎng)絡(luò)適配器兼容。2.1.4存儲模塊S3C44BOX的存儲管理方法是把芯片中或芯片外的Flash、RAM、和外設(shè)等統(tǒng)一編址，用地址來表示對象。2.1.4.1SDRAM——HY57V281620HCTSDRAM即同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器,它集成了一個命令控制器，處理器通過向SDRAM發(fā)送命令來訪問SDRAM。NorFlash--AM29LVl60DBNorFlash也稱為線性Flash，可靠性高、隨機(jī)讀耿速度快，具有片內(nèi)可執(zhí)行的特點，這樣應(yīng)用程序可以直接在Flash閃存內(nèi)運行，不必再把代碼搬運到系統(tǒng)RAM中。它常用在擦除和編程操作較少而可直接執(zhí)行代碼的場合。本課題為了降低嵌入式醫(yī)療終端系統(tǒng)的生產(chǎn)本錢和功耗，僅僅采用了NorFlashAM29LVl60DB作為存儲介質(zhì)。如果ARM處理器外部擴(kuò)展的是16位的NorFlash，數(shù)據(jù)信號線一一對應(yīng)，地址線必須要錯位連接，要錯位連接的原因是：處理器的每個地址對應(yīng)的是一個字節(jié)的數(shù)據(jù)單元，而16位的NorFlash的每個地址對應(yīng)的是一個半字的數(shù)據(jù)單元。為了保持匹配，所以必須錯位連接。2.1.5LCD顯示模塊本課題在進(jìn)行研究時連接的LCD顯示器為SHARPLQ080V3DGOl真彩色TFT液晶屏，屏幕分辨率可以到達(dá)320x240像素。3.BootLoader設(shè)計3．1BootLoader介紹簡單地講，BootLoader(引導(dǎo)加載程序)是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼，作用相當(dāng)于PC機(jī)中的BIOS。系統(tǒng)加電或復(fù)位后，CPU通常都在CPU制造商預(yù)先定義好的地址上取指令，然后執(zhí)行存放在該地址處的代碼，如基于ARM7TDMI核的CPU在復(fù)位時從地址Ox00000000處取它的第一條指令。通過這段代碼可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個適宜的狀態(tài)，以便為引導(dǎo)加載操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好環(huán)境。3.2BootLoader之U-Boot3.2.1U-Boot簡介U-Boot，全稱UniversalBootLoader，是遵循GPL條款的自由軟件工程。其源代碼目錄、編譯形式與Linux內(nèi)核很相似。事實上，不少U—Boot源碼就是相應(yīng)的Linux內(nèi)核源程序的簡化，尤其是一些設(shè)備的驅(qū)動程序。3.2.2U-Boot源碼結(jié)構(gòu)U-Boot源代碼是通過GCC和Makefile組織編譯的，頂層目錄下的Makefile首先設(shè)置開發(fā)板的信息，然后遞歸地調(diào)用各級子目錄下的Makefile，最后把編譯過的程序鏈接成U-Boot的映像。3.2.3U-Boot向S3C44BOX開發(fā)板的移植移植是針對硬件的不同來移植，移植的過程需要根據(jù)硬件的差異綜合分析，然后修改源代碼，最后在目標(biāo)平臺上測試，如果各個功能均可正常工作那么說明移植成功。源碼修改為了減少移植工作量，可根據(jù)目標(biāo)板上CPU、Flash、SDRAM及其它外設(shè)的情況，在board目錄中找出與目標(biāo)板相同或相同系列微處理器的開發(fā)板，在移植過程中作為參照。根據(jù)UP—NETARM3000的硬件配置，選定同樣基于S3C44BOX處理器的B2開發(fā)板作為參照。根據(jù)開發(fā)板硬件情況修改相關(guān)的參數(shù)，移植過程中主要需要修改以下文件：include／configs／B2．hboard／dave／B2／B2．Cboard／dave／B2／lowlevel_init．SCPU／S3C44BOX／start．SCPU／S3C4480X／serial．C二．交叉編譯分別執(zhí)行makeB2一config，make編譯產(chǎn)生3個文件：U—Boot—ELF格式的文件，可以被大多數(shù)Debug程序識別；U-Boot．bin一二進(jìn)制bin文件，純粹的U-BOOT二進(jìn)制執(zhí)行代碼，不保存ELF格式和凋試信息，一般用于燒錄到用戶開發(fā)板中；U-Boot．srec--MotorolaS—Record格式，可以通過串行口下載到開發(fā)板。嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建4.1嵌入式linux介紹本課題采用uClinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，uClinux表示Micro—Control-Linux，即“微控制器領(lǐng)域中的Linux操作系統(tǒng)〞，uClinux主要針對目標(biāo)處理器沒有存儲管理單元MMU(MemoryManagementUnit)的嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計。4.2嵌入式linux開發(fā)環(huán)境的建立嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)一般都是采用交叉編譯調(diào)試的方式。交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在一臺宿主機(jī)上，使用主機(jī)上的交叉編譯、匯編及連接工具形成在目標(biāo)板上可以運行的二進(jìn)制代碼，然后下載到開發(fā)板上面運行。4.3RTL8019AS驅(qū)動程序開發(fā)RTL8019AS驅(qū)動程序移植所做的主要工作就是將驅(qū)動程序正確的配置進(jìn)內(nèi)核，具體步驟如下：一．將RTL8019AS．c和RTLS019AS．h兩個文件添；hNNLinux一2．6．x／drivers／net／目錄下。RTL8019AS．h中定義了特殊功能存放器；RTL8019AS．C是具體函數(shù)的實現(xiàn)，包括網(wǎng)絡(luò)控制器的仞始化、收／發(fā)數(shù)據(jù)等。將驅(qū)動程序配置進(jìn)內(nèi)核。為了使RTL8019AS驅(qū)動程序編譯進(jìn)內(nèi)核，源文件需要修改如下：1．Linux-2．6．x／drivers／net／makefi1e修改如下：Mainmenu_optionnext_commentcomment’Ethernet(10orlOOMbit)’bool’Ethernet(10orlOOMbit)，CONFIG_NET_ETHERNETif[〞$CONFIGNETETttERNET〞=〞y〞]；then……if[〞$CONFIG—CPU—S3C44BOX〞=〞y〞]；thentristate’Samsung44B0ethernetsupport’CONFIG—ETH—S3C44BOXFi……2．在Linux-2．6．x／d—vers／net／config．in文件中參加obj一$(CONFIG～ETH—S3C44BOX)+=RTL8019AS．ko4．4LCD驅(qū)動程序開發(fā)4.4.1LCD顯示器描述本課題主要對SHARPLQ080V3DG01256K色320x240／3．5英寸TFT真彩液晶屏進(jìn)行LCD驅(qū)動程序開發(fā)。TFT—LCD具有屏幕反響速度快、比照度和亮度都較高、屏幕可視角度大、色彩豐富、分辨率高等特點，是目自訂最好的LCD彩色顯示設(shè)備之一。4.4.2LCD的顯示接口本文的3.5英寸液晶為TFT屏，支持256K色顯示模式，用來滿足根本的液品輸出需要。對于控制TFT屏來說，除了要給它傳送視頻資料(VD[7：0])以外，還有以下一些信號是必不可少的，分別是：(1)VSYNC(VFRAME)：幀同步信號，用高電平(或低電平)表示每一幀掃描的丌始。(2)HSYNC(VLINE)：行同步信號，用高電平(或低電平)表示每一行掃描的．丌始。(3)VCLK：像素時鐘信號，在上升沿或下降沿將數(shù)據(jù)寫入液晶屏。(4)VDEN(VM)：數(shù)據(jù)有效標(biāo)志信號，表示是否丌啟TFT輸出。(5)VD：數(shù)據(jù)信號，表示每個點的顏色，通常有16位、18位、24位等模式。4.4.3基于Framebuffer的LOD驅(qū)動程序S3C4480開發(fā)板上集成了framebuffer緩沖區(qū)用來對信號進(jìn)行顯示，故本課題的LCD驅(qū)動開發(fā)是基于framebuffer幀緩沖的。幀緩沖(framebuffer)是Linux為顯示設(shè)備提供的一個接口，把顯存抽象后的一種設(shè)備，且允許上層慮用程序在圖形模式下直接對顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。4.5構(gòu)建文件系統(tǒng)4.6內(nèi)核定制根據(jù)需要修改完uClinux源代碼之后，進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)核配置階段，用makemenuconfig方式來配置內(nèi)核更加直觀。在Linux終端中運行makemenuconfig命令，會進(jìn)入內(nèi)核配置總界面。嵌入式醫(yī)療保健終端應(yīng)用軟件設(shè)計5．1醫(yī)療終端系統(tǒng)介紹終端通過以太網(wǎng)接入到Internet，利用TCP／IP協(xié)議進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)塵理參數(shù)信號的遠(yuǎn)程采集與傳輸及遠(yuǎn)程醫(yī)療。優(yōu)健康效勞器端針對不同客戶向醫(yī)療終端給出相應(yīng)的健康資料和效勞。家庭醫(yī)療保健終端系統(tǒng)總共分為九大模塊，系統(tǒng)架構(gòu)如下列圖5.1所示：5．2搭建應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境Host機(jī)操作系統(tǒng)：Ubuntu-9．10；集成開發(fā)環(huán)境：Anjuta；編程語言：C語言；圖形開發(fā)庫：Gtk+2.0圖形庫；交叉編譯工具鏈：arm—elf—tools。5．3應(yīng)用程序靜態(tài)編譯進(jìn)uClinux首先在Host機(jī)編譯應(yīng)用程序并測試無誤，然后再將應(yīng)用程序靜態(tài)編譯進(jìn)uClinux內(nèi)核，其步驟如下：1．把應(yīng)用程序文件夾放在uClinux的user目錄下2．增加下面的內(nèi)容到．．／user／Makefile中：dir_$(CONFIG_USER_UHMM)+=uhmm此句作用是讓編譯器可以訪問到剛剛創(chuàng)立的uhmm目錄的Makefile。修改uClinux系統(tǒng)中對編澤器來講最重要的一個文件。最后重新編譯一遍內(nèi)核，跟4．8節(jié)中講述類似，不同的是：添加Gtk+2．0庫到uClinux操作系統(tǒng)中；在Applications配置信息中選中uhmm應(yīng)用程序。這樣uClinux系統(tǒng)在啟動以后，就可以正常運行uhmm醫(yī)療保健終端系統(tǒng)的應(yīng)用程序了?？偨Y(jié)本課題的研究工作主要圍繞ARM7體系結(jié)構(gòu)處理器進(jìn)行嵌入式醫(yī)療保健終端系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計來展開，本文主要完成了以下幾個方面的工作：1．分析了當(dāng)前老年人的醫(yī)療保健現(xiàn)狀，結(jié)合對嵌入式系統(tǒng)的研究，給出了嵌入式醫(yī)療保健系統(tǒng)的設(shè)計方案。2．學(xué)習(xí)和研究了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)方法，包括：嵌入式開發(fā)板的硬件設(shè)計原理、BootLoader設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)的構(gòu)建、應(yīng)用程序的開發(fā)。3．重點研究了嵌入式Linux操作系統(tǒng)的源碼結(jié)構(gòu)和配置、編譯方法，完成了Linux一2．6．9向S3C44BOX開發(fā)平臺的移植，建立了嵌入式Linux開發(fā)平臺，為后續(xù)應(yīng)用程序的開發(fā)奠定根底。4.深入研究了嵌入式Linux下RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的開發(fā)，成功實現(xiàn)了開發(fā)平臺接入Internet。5．深入研究了LCD的工作原理，在嵌入式Linux下利用Framebuffer機(jī)制實現(xiàn)了LCD驅(qū)動程序的開發(fā)。6．針對已經(jīng)構(gòu)建好的嵌入式Linux系統(tǒng)，基于Gtk+2．0開發(fā)醫(yī)療保健嵌入式終端系統(tǒng)軟件。通過以上工作，已經(jīng)完成了一個具有根本功能的嵌入式醫(yī)療保健終端系統(tǒng)的設(shè)計，然而這僅僅是最初版本，距離實際應(yīng)用還需要進(jìn)一步的丌發(fā)研究，如：1．增加系統(tǒng)對ATA硬盤的支持。2．將Sqlite移植到uClinux中，利用數(shù)據(jù)庫管理數(shù)據(jù)更加有效。3．完善終端應(yīng)用軟件的功能等。附錄：初始化存儲器系統(tǒng)代碼如下：MEMORY——CONFIG：．10ngOxll010102／*Bank7、6、5、4、O數(shù)據(jù)寬度為16位，Bank3、2、l為8位，模式為小端*／．10ngOx600／*GCS0，NorFlash，Tacc=lOclk*／．10ngOx7ffc／術(shù)(；CSl，K9F2808UOC*／．10ngOx7ffc／*GCS2，USBN9603，USB設(shè)備端接口芯片，占用系統(tǒng)外部中斷0，8位數(shù)據(jù)總線*／．10ngOx7ffc／*GCS3，、未接設(shè)備，可以供擴(kuò)展使用*／．10ngOx7ffc／*GCS4，未接設(shè)備，可以供擴(kuò)展使用*／．10ng0x2610／*GCS5，RTL8019AS，ISA總線兼容的10M以太網(wǎng)(PHY+MAC層)控制：芯片。占用系統(tǒng)外部中斷1，16位數(shù)據(jù)總線*／．1ongOx18000／*GCS6，SDRAM(Trcd：2，SCAN=8)*／．10ngOxl8000／*GCS7，未接設(shè)備，可以供擴(kuò)展使用*／．1ong0x960459／*REFRESH的配置／．10ngOxl0／*SCLK為PowerDownMode，BANKSIZE：8M*／．1ongOx20／*MRSR6CL=2clk*／．1ongOx20／*MRSR7CL=2clk*／幀緩沖文件結(jié)構(gòu)代碼如下：staticstructfile—operationsfb_fops={owner：THIS—MODULE，，read：fb_read，／*讀操作*／write：fb_write．／*寫操作*／ioctl：fb_ioctl，／*控制操作*／mmap：fb_mmap，／*映射操作*／open：fb_open，／*翻開操作*／release：fb_release，/*關(guān)閉操作*／}；實驗五GPIO檢測idea641的按鍵操作一．實驗過程：1.準(zhǔn)備好實驗環(huán)境，將JLINK連接好。2.將串口線的一端插在PC的串口上，另一端插在開發(fā)板的‘COM0’上。翻開DNW.EXE軟件，給開發(fā)板上電，使Bootloader〔eboot和uboot均可〕停在菜單處〔在系統(tǒng)引導(dǎo)時按空格鍵〕。3.翻開軟件‘CodeWarriorforRVDS’,新建工程‘forlinx6410-key1.mcp’，并添加兩個程序文件‘main.c’和‘init.s’〔匯編文件〕。4.對工程文件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。5.編譯該工程，成功后將生成映像文件‘forlinx6410-key1.axf’。翻開AXD，裝載映像文件‘forlinx6410-key1.axf’。運行程序，觀察結(jié)果。實驗電路圖：實驗程序main.c#definerGPFCON(*(volatileunsigned*)(0x7F0080A0))#definerGPFDAT(*(volatileunsigned*)(0x7F0080A4))#definerGPFPUD(*(volatileunsigned*)(0x7F0080A8))#definerGPNCON(*(volatileunsigned*)(0x7F008830))#definerGPNDAT(*(volatileunsigned*)(0x7F008834))#definerGPNPUD(*(volatileunsigned*)(0x7F008838))voidmsDelay(inttime){volatileunsigne