SOPC技術(shù)在嵌入式工業(yè)以太網(wǎng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

概述：該系統(tǒng)是為醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的設(shè)備，它采用ARM9嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)研制的心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括高壓除顫信號(hào)采集模塊，D／A轉(zhuǎn)換模塊，與監(jiān)護(hù)儀信號(hào)匹配模塊，該系統(tǒng)采用嵌入式Linux嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，系統(tǒng)充分利用了ARM9豐富的I／0資源和存儲(chǔ)空間，可以良好地模擬醫(yī)學(xué)除顫的過(guò)程，并可以與醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀相連接，輸出符合醫(yī)學(xué)有關(guān)規(guī)定34種常見(jiàn)的異常心率波形，主要包括室顫、房顫等。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、耗能低、操作方便。詳細(xì)介紹系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法。

　　本文介紹的心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)是以ARM9為控制核心，充分利用ARM9豐富的I／O資源和強(qiáng)大的處理功能。它采用嵌入式的開(kāi)發(fā)方案，并綜合考慮系統(tǒng)的通用性和使用性，系統(tǒng)輸出信號(hào)的幅度為0～5 mV可以連續(xù)輸出室性、室上性早搏型號(hào)等，還可以產(chǎn)生周期為1 s，脈寬為100 ms，幅度為1 mV的方波。便于對(duì)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行校準(zhǔn)，信號(hào)均采用三導(dǎo)聯(lián)的同步信號(hào)輸出。?

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的醫(yī)療保健意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，所以醫(yī)生的培訓(xùn)也就成為非常重要的環(huán)節(jié)。心電除顫技術(shù)作為醫(yī)生培訓(xùn)的一個(gè)主要方面，若操作規(guī)范，動(dòng)作熟練，往往在緊急關(guān)頭可以救人于危難之間，在培訓(xùn)的時(shí)候，如果能夠真實(shí)地模擬急救除顫的場(chǎng)景，將會(huì)起到良好的學(xué)習(xí)效果。因此，在急救、有創(chuàng)性臨床操作訓(xùn)練上，醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)日益顯示出其成本低、重復(fù)性高、教學(xué)效率高以及符合醫(yī)學(xué)倫理要求等優(yōu)勢(shì)。

　　除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)可以任意選擇34種狀態(tài)(包括成人和兒童兩大類(lèi))時(shí)也可以連接醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀，使除顫模擬更加逼真。學(xué)員可以進(jìn)行不同能量的除顫練習(xí)，同時(shí)這也便于老師檢驗(yàn)學(xué)員的學(xué)習(xí)效果。

　　該系統(tǒng)是根據(jù)心電圖的有關(guān)原理以及監(jiān)護(hù)儀的信號(hào)合成原理研制的，嚴(yán)格按照醫(yī)學(xué)的相關(guān)規(guī)定，產(chǎn)生的波形達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的。在相關(guān)病態(tài)心電圖的關(guān)鍵點(diǎn)處達(dá)到比較逼真的效果，當(dāng)系統(tǒng)接收到高壓除顫信號(hào)以后，根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)置，進(jìn)行相應(yīng)的波形變換。系統(tǒng)可以用于醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的培訓(xùn)工具，使學(xué)員快速掌握心電除顫的方法。該系統(tǒng)與急救模擬人、監(jiān)護(hù)儀配合使用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)主要包括ARM9中央處理單元、高壓除顫信號(hào)采集模塊、D／A轉(zhuǎn)換模塊，與監(jiān)護(hù)儀信號(hào)匹配模塊以及心電波形仿真和數(shù)據(jù)的提取，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。本系統(tǒng)采用ARM9嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以下是ARM9處理器的主要結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。

　　(1)32 b定點(diǎn)RISC處理器，改進(jìn)型ARM／Thumb代碼交織，增強(qiáng)性乘法器設(shè)計(jì)，支持實(shí)時(shí)(real-time)調(diào)試；

　　(2)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)SRAM，而且指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器容量可調(diào)；

　　(3)片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)高速緩沖器(Cache)容量從4 KB～l MB：

　　(4)設(shè)置保護(hù)單元(Protoction Unit)，非常適合嵌入式應(yīng)用中對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行分段和保護(hù)；

　　(5)采用AMBA AHB總線接口，為外設(shè)提供統(tǒng)一的地址和數(shù)據(jù)總線；

　　(6)支持外部協(xié)處理器，指令和數(shù)據(jù)總線有簡(jiǎn)單的握手信令支持；

　　(7)支持標(biāo)準(zhǔn)基本邏輯單元掃描測(cè)試方法；

　　(8)支持BIST(Built-in-self-test)；

　　(9)支持嵌入式跟蹤宏單元，支持實(shí)時(shí)跟蹤指令和數(shù)據(jù)。

　　心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

　　該部分主要分為ARM9硬件平臺(tái)、D／A轉(zhuǎn)換、濾波電路、高壓除顫信號(hào)的采集，其系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。系統(tǒng)在ARM9的控制下，由D／A轉(zhuǎn)換把波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行輸出。當(dāng)接收到高壓采集信號(hào)后，處理器就會(huì)轉(zhuǎn)換輸出另一種心電波形圖。

　　2．1 D／A轉(zhuǎn)換和電阻衰減網(wǎng)絡(luò)

　　該部分是系統(tǒng)的核心，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和ECG信號(hào)的要求，D／A轉(zhuǎn)換芯片采用8位并行的DAC0832芯片，由12 V單電源供電，每個(gè)DAC有各自獨(dú)立的基準(zhǔn)輸入，對(duì)ARM9提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，輸出部分采用4階巴特沃斯濾波，輸出的波形經(jīng)衰減后得到所要求的心電信號(hào)，經(jīng)有源濾波后輸出波形的峰值可達(dá)到10 V，通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)得到0～5 mV的電壓輸出范圍?？紤]到要采用三路D／A，如果每一路獨(dú)占8個(gè)I／O端口，再加上若干控制端口，處理器提供的I／O端口數(shù)遠(yuǎn)不能滿足要求，所以計(jì)劃采用共用數(shù)據(jù)端口，外接I／O口片選的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣可以節(jié)約16個(gè)I／O口，也滿足了信號(hào)輸出同步性的要求。

　　2．2 高壓信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

　　該部分采集除顫器上的高壓放電信號(hào)，由于高壓除顫信號(hào)具有的放電電流具有雙向性，且放電時(shí)間只有4 ms，瞬態(tài)電壓可達(dá)到3 000 V，所以在安全性能上要充分考慮。該部分電路圖如圖3所示。

　　電路中采用大功率電阻和瞬態(tài)抑制二極管對(duì)高壓放電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，將高壓信號(hào)降低到比較小的范圍，通過(guò)整流電路把電流變?yōu)閱蜗蛄鲃?dòng)，然后通過(guò)光耦隔離輸入到ARM9的I／O口中，起到保護(hù)處理器的作用。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件為基本功能和擴(kuò)展功能的實(shí)現(xiàn)奠定了牢固的基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是要充分利用硬件平臺(tái)的資源，實(shí)現(xiàn)軟件操作的有序運(yùn)行。

　　軟件開(kāi)發(fā)工作涉及到以下兩個(gè)方面：接口驅(qū)動(dòng)程序的修改和完善；應(yīng)用層軟件的開(kāi)發(fā)。應(yīng)用層的程序全部用C++開(kāi)發(fā)完成的。

　　圖4是整個(gè)系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖。

　　3．1 D／A驅(qū)動(dòng)程序和高壓信號(hào)采集驅(qū)動(dòng)部分

　　設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作，以往在開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)都有一個(gè)main函數(shù)作為程序的入口點(diǎn)，而在驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)時(shí)卻沒(méi)有main函數(shù)，模塊在調(diào)用insmod命令時(shí)被加載，此時(shí)的入口點(diǎn)是init module函數(shù)，通常在該函數(shù)中完成沒(méi)備的注冊(cè)。同樣，模塊在調(diào)用rmmod函數(shù)時(shí)被卸載，此時(shí)的入口點(diǎn)是cleanup module函數(shù)，在該函數(shù)中完成設(shè)備的卸載。在設(shè)備完成注冊(cè)加載之后，用戶(hù)的應(yīng)用程序就可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行一定的操作，如read，write等，而驅(qū)動(dòng)程序就是用于實(shí)現(xiàn)這些操作，在用戶(hù)應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)入口函數(shù)時(shí)執(zhí)行相關(guān)的操作，init roodule入口點(diǎn)函數(shù)則不需要完成其他如read，write之類(lèi)功能。

　　驅(qū)動(dòng)程序主要函數(shù)如下：

　　3．2 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　該系統(tǒng)的應(yīng)用程序是基于Qt／Embedded設(shè)計(jì)的，目前使用的嵌入式GUI系統(tǒng)存在Microwindows，MiniGUI，Qt／Embedded，Qt／Embedded延續(xù)了Qt的強(qiáng)大功能，可以運(yùn)行在多種不同的處理器上部署的嵌入式Linux操作系統(tǒng)。Qt／Embedded提供了信號(hào)和插槽的編程機(jī)制，該部分采用的Qt是一個(gè)創(chuàng)建GUI程序的C++類(lèi)庫(kù)，編寫(xiě)Qt應(yīng)用程序的主要工作是基于已有的Qt類(lèi)編寫(xiě)用戶(hù)類(lèi)。該部分主要分為波形界面的實(shí)現(xiàn)和用戶(hù)按鍵控制的實(shí)現(xiàn)，波形顯示采用Qt的函數(shù)類(lèi)庫(kù)Qpainter，由于波形界面顯示兩路心電波形，會(huì)產(chǎn)生延遲效果，所以引入了多線程機(jī)制協(xié)調(diào)，Qt支持多線程，有獨(dú)立于平臺(tái)的線程類(lèi)，線程安全方式的時(shí)間傳遞和一個(gè)全局Qt庫(kù)互斥量允許不同的線程調(diào)用Qt方法。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三星2440嵌入式處理器作為核心搭建了硬件平臺(tái)，并采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)并結(jié)合外圍的D／A轉(zhuǎn)換部分、與監(jiān)護(hù)儀匹配網(wǎng)絡(luò)、高壓信號(hào)采集部分、應(yīng)用程序控制部分等實(shí)現(xiàn)了心電除顫模擬發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可以很好地模擬醫(yī)學(xué)除顫的過(guò)程，并可以與醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀相連接，輸出符合醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的34種常見(jiàn)異常心率波形，由于系統(tǒng)使用嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此該設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性。