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基于ARM的脈象儀系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
摘要：本文介紹了一種基于ARM微處理器的脈象儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)以S3C2410嵌入式芯片作為硬件平臺。并且詳細分析了基于uClinux嵌入式操作系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法。實踐證明該系統(tǒng)有效地提高了診斷的精度與效率，具有成本低、可靠性高、操作簡單等優(yōu)點。
1 引言
脈象攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。在中醫(yī)學(xué)中，脈診占有非常重要的位置。由于中醫(yī)是靠手指獲取脈搏信息，在長期的醫(yī)療實踐中也暴露出一些缺陷。脈診的定性化和主觀性大大影響了其精度與可行性，成為中醫(yī)脈診應(yīng)用和發(fā)展中的制約因素。為了促進脈診的應(yīng)用和發(fā)展，必須與現(xiàn)代科技相結(jié)合，實現(xiàn)更科學(xué)、客觀的診斷。隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，我們研制出一種基于ARM920T處理器的新型脈象儀。它采用一款A(yù)RM920T核的高速處理器S3C2410。該新型脈象儀具有成本低，體積小，可靠性高和操作簡單等優(yōu)點，適用于個人和中小醫(yī)院的脈象診斷用途。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計思想
按照中醫(yī)脈診的理論，從左右手腕的寸、關(guān)、尺三部按不同的輕重可獲知人體五臟六腑的病理變化，模擬中醫(yī)脈診過程，設(shè)計中醫(yī)脈象儀。脈象儀原理圖如圖1所示。
圖1 脈象儀原理圖
應(yīng)變式傳感器是脈象儀普遍采用的一類傳感器。某些固體材料受到外力的作用后，其電阻率要發(fā)生變化，這種由于應(yīng)力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片測量應(yīng)變的原理是以半導(dǎo)體晶體的壓阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的。用此應(yīng)變片制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，上下各一片半導(dǎo)體應(yīng)變片。
圖2 傳感器結(jié)構(gòu)圖
應(yīng)變式傳感器的基本組成部件包括:應(yīng)變片、彈性元件、測量電橋。本文中選用懸壁梁式壓力傳感器，應(yīng)變片采用半導(dǎo)體應(yīng)變片。
3 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計
3.1 嵌入式處理器的選擇
系統(tǒng)采用了ARM920T作為系統(tǒng)與上位機溝通的橋梁。該實驗箱如圖3所示。
圖3 ARM920T實驗箱圖
ARM920T有如下幾個主要特點：處理器有高性能的RISC構(gòu)架；大量的內(nèi)部寄存器讓它的執(zhí)行效率非常高，使它成為實時控制設(shè)備的理想選擇。片上的Flash可在線編程。
片上資源包括2個32位定時器；1個A/D輸入接口；18個多功能I/O接口；1個CPLD；1個64M的SDRAM；1個4M的Flash；1個64M 的Nand Flash控制器；還有中斷控制器和系統(tǒng)管理器。
處理器采用芯片S3C2410。S3C2410有出色的內(nèi)核性能，豐富的外部接口和低功耗。在系統(tǒng)中我們用到2種內(nèi)存，一種SDRAM，一種Flash。
SDRAM具有運行速度快的優(yōu)點，但是掉電后不能保存數(shù)據(jù)。所以在系統(tǒng)主要是用來運行操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和各類數(shù)據(jù)的緩存。
Flash內(nèi)存較SDRAM運行速度慢．但掉電后能保存數(shù)據(jù)。在該系統(tǒng)設(shè)計中選用一種通用的Flash (SST39VF1601)，容量為2MB，主要用于固化啟動代碼和控制應(yīng)用程序，并保存一些系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
3.2? A/D轉(zhuǎn)換
A/D轉(zhuǎn)換電路采用MAXIM公司的MAX197，MAX197采用逐次逼近技術(shù)以達到快速變換和低功耗。如圖4所示。
圖4 MAX197
預(yù)處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路，可以將信號轉(zhuǎn)換成MAX197相匹配的量值。圖4所示的電路采用了內(nèi)部時鐘。 和 邏輯輸入端用于啟動變換和從器件讀出數(shù)據(jù)。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
為了滿足系統(tǒng)對實時性和安全性的要求，系統(tǒng)采用了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux。uClinux是針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計的linux系統(tǒng)，是在linux的基礎(chǔ)上添加了對沒有內(nèi)存管理單元的微處理器的支持。一方面它繼承了linux的穩(wěn)定性優(yōu)點，另一方面其內(nèi)核相當(dāng)精簡。因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
該脈象儀系統(tǒng)的軟件主要由三個部分組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括嵌入式linux操作系統(tǒng)，A/D驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。
圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
4.1 嵌入式uClinux的構(gòu)建
將嵌入式uClinux系統(tǒng)移植到特定的硬件平臺上，大致需要完成建立叉編譯環(huán)境，配置編譯uClinux內(nèi)核，制作根文件系統(tǒng)，下載和調(diào)試內(nèi)核四部分的工作。
4.2? A/D驅(qū)動程序的設(shè)計
在uClinux系統(tǒng)下，驅(qū)動程序可以看成uClinux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。驅(qū)動程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實現(xiàn)上的細節(jié)。可以使用和操作文件中相同的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來完成對硬件設(shè)備的打開，關(guān)閉，讀，寫以及I／O控制操作。
本系統(tǒng)中的A/D驅(qū)動程序主要結(jié)構(gòu)包括：
（1）數(shù)據(jù)類型定義文件
#define U32? unsigned int
#define U16? unsigned short
#define S32? int
#define S16? short int
#define U8?? unsigned char
#define S8?? char
#define TRUE?????? 1?
#define FALSE????? 0
#define ERROR????? 0
（2）啟動A/D轉(zhuǎn)換文件
void INT_ADC_Enable(int flag)
{
?????? int temp;//定義臨時變量
?????? if(flag == FALSE)
?????? {
????????????? temp = rINTSUBMSK;
????????????? temp |=(1<<10);
????????????? rINTSUBMSK = temp;
????????????? temp = rINTMSK;
????????????? temp |=0x80000000;
????????????? rINTMSK = temp;
?????? }
?????? else
?????? {
????????????? temp = rINTSUBMSK;
????????????? temp = 0x5ff;
????????????? rINTSUBMSK = temp;
????????????? temp = rINTMSK;
????
temp &= ~(0x80000000) ;
????????????? rINTMSK = temp;
?????? }
}
（3）主程序文件
#include "2410addr.h"http://調(diào)用S3C2410地址頭文件
#include "def.h"http://調(diào)用數(shù)據(jù)類型頭文件
main()
{
clrsrc();//刷新操作
INT_ADC_Enable(int flag);//啟動A/D轉(zhuǎn)換
… …
}
4.3 應(yīng)用程序的設(shè)計
應(yīng)用程序是實現(xiàn)系統(tǒng)所需功能的核心部分，主要是A/D采樣分析。該部分主要負責(zé)對采集到的脈象模擬信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并根據(jù)脈象的時域和頻域特征進行分析脈象圖的結(jié)構(gòu)。
5 結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點是，與傳統(tǒng)的中醫(yī)脈象儀相比，基于ARM的脈象儀具有高性能，低成本，電路簡潔可靠和擴展性好等優(yōu)點。嵌入式uClinux的引入保證了系統(tǒng)穩(wěn)定和運行的可靠。ARM技術(shù)將計算機硬件和軟件有機的融為一體，它使測試設(shè)備簡單化，軟件設(shè)計變得更加靈活，具有無比的優(yōu)越性。ARM技術(shù)應(yīng)用于脈象儀具有很高的應(yīng)用價值和良好的市場前景，值得我們深入研究。
工商網(wǎng)監(jiān)
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