摘 要:針對(duì)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在體積、功能、實(shí)時(shí)性等方面的不足，以S3C2440為中央處理器設(shè)計(jì)了一款便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，具有體積小、成本低、功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上研究了Vivi在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的移植。經(jīng)測(cè)試，移植的Vivi在設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)上能穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:便攜式; 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng); Vivi; S3C2440

中圖分類(lèi)號(hào):TP249文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0146-03

Application of Vivi in Portable ECG Monitoring System Design

SHAO Hua-feng， LI Jing， HUANG Yong

(The 710 Research and Development Institute， CSIC， Yichang 443003， China)

Abstract: A new portable ECG system was designed by S3C2440 CPU， which has many advantages of smaller size， lower cost， stronger function and better real-time performance for solving the shortcomings of ECG monitoring system. Based on the design of portable ECG system， the transplantation of Vivi in ECG monitoring system design is particularly researched， and the transplanted Vivi can run stably on the platform of designed ECG system by testing.

Keywords: portable; ECG monitoring system; Vivi; S3C2440

0 引 言

目前，心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要存在體積大、功能簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)等方面的缺點(diǎn)。隨著嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，小型化、智能化、多功能化及網(wǎng)絡(luò)化是心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、心電數(shù)據(jù)分析及輔助診斷技術(shù)將會(huì)在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中得到很大突破[1]。現(xiàn)以S3C2440為中央處理器設(shè)計(jì)了一款便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，具有體積小、成本低、功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)研究了Vivi在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，詳細(xì)討論了Vivi的啟動(dòng)流程、移植過(guò)程及編譯等，最后在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)上對(duì)移植的Vivi進(jìn)行了測(cè)試。

1 便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括:中央處理器、心電信號(hào)采集電路、帶觸摸屏液晶屏、存儲(chǔ)器、報(bào)警電路及通信接口電路等。

中央處理器選用Samsung公司的S3C2440，它采用了32位的低功耗RISC內(nèi)核ARM920T，其內(nèi)核包含了存儲(chǔ)管理單元(MMU)、高速指令和數(shù)據(jù)緩存，主頻最高可達(dá)266 MHz，支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux和Win CE [2]。同時(shí)，S3C2440芯片內(nèi)部集成了LCD控制器、觸摸屏接口、串口和USB接口等一系列通用外圍接口，簡(jiǎn)化了外圍擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)。

圖1 便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

心電信號(hào)采集電路用于實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)的提取、放大、濾波等前期處理，并將調(diào)理好的心電信號(hào)輸入到S3C2440的AD轉(zhuǎn)換器。由于心電信號(hào)十分微弱，典型值僅1 mV，頻率為0.05~100 Hz[3]，且受到多種信號(hào)干擾，因此心電信號(hào)采集電路選用低噪聲、高共模抑制比的運(yùn)算放大器INA326和OPA2335，并采用兩級(jí)放大電路設(shè)計(jì)，其主要包括前級(jí)放大電路、濾波電路、后級(jí)放大電路和右腿驅(qū)動(dòng)電路等。

液晶屏選用NEC 256K色240×320分辨率3.5英寸TFT觸摸真彩液晶屏，主要用于心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面、心電信號(hào)及各種特征參數(shù)的顯示，同時(shí)通過(guò)觸摸屏可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，為心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供良好的人機(jī)交互界面。

另外，心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存儲(chǔ)器部分?jǐn)U展了64 MB SDRAM，2 MB NOR FLASH和64 MB NAND FLASH，主要用于存儲(chǔ)BootLoader、操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序及程序運(yùn)行等。通信接口部分主要擴(kuò)展了串口、USB接口及以太網(wǎng)接口，方便心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)與其他設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)間的通信。

該設(shè)計(jì)既充分利用了S3C2440芯片高性能及豐富片上資源的特點(diǎn)，又考慮了系統(tǒng)的可移植性和人機(jī)交互性，具有成本低、體積小、功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)存儲(chǔ)空間地址分配及映射

S3C2440芯片提供了多種存儲(chǔ)器的外擴(kuò)接口，整個(gè)外擴(kuò)存儲(chǔ)空間為1 GB，分為8個(gè)Bank[4]。如圖1所示，便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)外擴(kuò)了2 MB的NOR FLASH、64 MB的NAND FLASH和64 MB的SDRAM，其中NOR FLASH存儲(chǔ)系統(tǒng)的Boot Loader，NAND FLASH存儲(chǔ)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)及心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用程序。便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)外擴(kuò)存儲(chǔ)空間的地址分配和映射如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)存儲(chǔ)空間地址分配及映射

3 Vivi在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 Vivi簡(jiǎn)介

Vivi是韓國(guó)Mizi公司開(kāi)發(fā)的一款針對(duì)ARM9處理器系列的BootLoader，其基本功能是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖等，為引導(dǎo)和加載操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備[5]。對(duì)于特定的嵌入式硬件平臺(tái)，需在Vivi的基礎(chǔ)上，根據(jù)其硬件配置和啟動(dòng)需求進(jìn)行移植，以實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核的正確引導(dǎo)。

Vivi的整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程分為兩個(gè)階段:Stage 1和Stage 2。

Stage 1階段主要完成系統(tǒng)基本硬件的初始化、復(fù)制Vivi代碼到SDRAM，設(shè)置系統(tǒng)的堆棧并跳轉(zhuǎn)到Stage 2，為Stage 2階段的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

Stage 2階段則完成系統(tǒng)硬件設(shè)備的初始化，內(nèi)存映射檢測(cè)，復(fù)制操作系統(tǒng)內(nèi)核及根文件系統(tǒng)映象到SDRAM，設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)并調(diào)用內(nèi)核，為操作系統(tǒng)的啟動(dòng)做好準(zhǔn)備[6]。

Vivi的整個(gè)啟動(dòng)流程如圖3所示。

圖3 Vivi啟動(dòng)流程

3.2 Vivi移植

在便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，Vivi的移植必須根據(jù)系統(tǒng)的硬件配置和啟動(dòng)要求，移植與之相符合的BootLoader。根據(jù)設(shè)計(jì)的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件配置和啟動(dòng)要求，Vivi的移植主要有以下幾個(gè)部分。

(1) Vivi工程管理文件。Vivi在配置和編譯時(shí)需調(diào)用許多函數(shù)庫(kù)，包括交叉編譯器庫(kù)和頭文件、交叉編譯開(kāi)關(guān)選項(xiàng)設(shè)置、Linux內(nèi)核代碼庫(kù)和頭文件[7]。Vivi移植時(shí)，需重新設(shè)置Makefile文件中各函數(shù)庫(kù)的調(diào)用路徑。

(2) 硬件初始化文件。硬件初始化文件在Vivi/arch目錄下，主要負(fù)責(zé)Vivi的啟動(dòng)和系統(tǒng)硬件的初始化[8]。文件中的初始配置參數(shù)均為外部定義的常數(shù)或宏，主要包括系統(tǒng)存儲(chǔ)空間地址分配及映射、處理器時(shí)鐘、串口、GPIO口等硬件的初始化配置。在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的Vivi移植中，部分硬件初始化參數(shù)配置如下:

/*存儲(chǔ)空間地址分配及映射*/

#define NORROM_BASE0 0x00000000

#define SDRAM_BASE0 0x30000000

#define NORROM_ SIZE 0x200000

#define NANDROM_ SIZE 0x4000000

#define SDRAM_ SIZE 0x4000000

#define VIVI_ROM_BASE 0x00000000

/* RAM空間分配*/

#define VIVI_RAM_SIZE 0x100000

#define HEAP_SIZE 0x100000

#define MMU_TABLE_SIZE 0x4000

#define STACK_SIZE 0x8000

/*系統(tǒng)時(shí)鐘*/

#define MDIV_200 0x5c

#define PDIV_200 0x4

#define SDIV_200 0x0

(3) 存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在Vivi的移植中，存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)是系統(tǒng)對(duì)外擴(kuò)存儲(chǔ)設(shè)備操作的核心程序[9]。而flash.c是存儲(chǔ)設(shè)備驅(qū)動(dòng)中最重要的部分之一，它對(duì)FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行初始化、讀、寫(xiě)和擦除等操作。在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Vivi的移植中，主要編寫(xiě)以下函數(shù):

static void flash_command();

static int flash_init();

static int flash_read_ecc();

static int flash _write_ecc();

static int flash _erase();

(4) 內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)。Vivi啟動(dòng)的最后階段會(huì)向操作系統(tǒng)內(nèi)核傳遞啟動(dòng)參數(shù)，以正常啟動(dòng)操作系統(tǒng)。在心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)Vivi的移植中，內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)主要包括內(nèi)核分區(qū)、內(nèi)存基地址、內(nèi)核復(fù)制到內(nèi)存的地址等[10]。

便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的Vivi移植除上述內(nèi)容外，還需對(duì)其他部分進(jìn)行簡(jiǎn)單移植，完成所有的移植工作后，就進(jìn)行Vivi的編譯。

3.3 Vivi編譯及測(cè)試

Vivi的編譯需要安裝Linux操作系統(tǒng)和建立交叉編譯環(huán)境，并準(zhǔn)備好編譯所需的函數(shù)庫(kù)。Vivi編譯時(shí)，首先要修改Makefile文件中的函數(shù)庫(kù)調(diào)用路徑，刪掉Vivi目錄下的“*.o”和“*.o.flag”文件，以確保編譯的有效性。通過(guò)menuconfig命令進(jìn)入編譯配置界面，配置并保存后，使用make命令編譯Vivi。如果沒(méi)有錯(cuò)誤提示，在/vivi中就生成了移植到心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的Vivi映象文件。

測(cè)試時(shí)，將移植好的Vivi映象文件燒入便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的NOR FLASH中，系統(tǒng)重新啟動(dòng)后，通過(guò)超級(jí)終端可以看到Vivi的啟動(dòng)信息，如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

分析測(cè)試結(jié)果可得，移植的Vivi實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)啟動(dòng)基本信息打印、內(nèi)存空間映射、時(shí)鐘設(shè)置、FLASH初始化等功能，并為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)做好了準(zhǔn)備。這表明移植的Vivi在設(shè)計(jì)的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件平臺(tái)上能穩(wěn)定運(yùn)行，為便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的Linux操作系統(tǒng)移植、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)等后繼開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)的便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及Vivi在系統(tǒng)中的移植

為開(kāi)發(fā)人員提供了一種方案，在此基礎(chǔ)上可對(duì)便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的快速啟動(dòng)、心電信號(hào)采集和分析及心電數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖4 Vivi測(cè)試啟動(dòng)信息

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