基于ARM的脈象儀系統設計與實現

　摘要：本文介紹了一種基于ARM微處理器的脈象儀系統，該系統以S3C2410嵌入式芯片作為硬件平臺。并且詳細分析了基于uClinux嵌入式操作系統的軟件設計方法。實踐證明該系統有效地提高了診斷的精度與效率，具有成本低、可靠性高、操作簡單等優點。

1 引言

　　脈象攜帶有豐富的人體健康狀況的信息。在中醫學中，脈診占有非常重要的位置。由于中醫是靠手指獲取脈搏信息，在長期的醫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，成為中醫脈診應用和發展中的制約因素。為了促進脈診的應用和發展，必須與現代科技相結合，實現更科學、客觀的診斷。隨著嵌入式技術的飛速發展，我們研制出一種基于ARM920T處理器的新型脈象儀。它采用一款ARM920T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點，適用于個人和中小醫院的脈象診斷用途。

2 系統總體設計思想

　　按照中醫脈診的理論，從左右手腕的寸、關、尺三部按不同的輕重可獲知人體五臟六腑的病理變化，模擬中醫脈診過程，設計中醫脈象儀。脈象儀原理圖如圖1所示。

圖1 脈象儀原理圖

　　應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，其電阻率要發生變化，這種由于應力的作用而使材料電阻率發生變化的現象稱為壓阻效應。半導體應變片測量應變的原理是以半導體晶體的壓阻效應為基礎的。用此應變片制成的傳感器稱為半導體應變式傳感器。傳感器結構圖如圖2所示，上下各一片半導體應變片。

圖2 傳感器結構圖

　　應變式傳感器的基本組成部件包括:應變片、彈性元件、測量電橋。本文中選用懸壁梁式壓力傳感器，應變片采用半導體應變片。

3 系統硬件模塊設計

　　3.1 嵌入式處理器的選擇

　　系統采用了ARM920T作為系統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構架；大量的內部寄存器讓它的執行效率非常高，使它成為實時控制設備的理想選擇。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管理器。

　　處理器采用芯片S3C2410。S3C2410有出色的內核性能，豐富的外部接口和低功耗。在系統中我們用到2種內存，一種SDRAM，一種Flash。

　　SDRAM具有運行速度快的優點，但是掉電后不能保存數據。所以在系統主要是用來運行操作系統、應用程序和各類數據的緩存。

　　Flash內存較SDRAM運行速度慢．但掉電后能保存數據。在該系統設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用程序，并保存一些系統數據。

　　3.2? A/D轉換

　　A/D轉換電路采用MAXIM公司的MAX197，MAX197采用逐次逼近技術以達到快速變換和低功耗。如圖4所示。

圖4 MAX197

　　預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，可以將信號轉換成MAX197相匹配的量值。圖4所示的電路采用了內部時鐘。 和 邏輯輸入端用于啟動變換和從器件讀出數據。

4 系統軟件設計

　　為了滿足系統對實時性和安全性的要求，系統采用了嵌入式操作系統uClinux。uClinux是針對微控制領域而設計的linux系統，是在linux的基礎上添加了對沒有內存管理單元的微處理器的支持。一方面它繼承了linux的穩定性優點，另一方面其內核相當精簡。因此在嵌入式領域得到廣泛應用。

　　該脈象儀系統的軟件主要由三個部分組成，系統軟件結構如圖5所示，包括嵌入式linux操作系統，A/D驅動程序和應用程序。

圖5 系統軟件結構

4.1 嵌入式uClinux的構建

　　將嵌入式uClinux系統移植到特定的硬件平臺上，大致需要完成建立叉編譯環境，配置編譯uClinux內核，制作根文件系統，下載和調試內核四部分的工作。

　　4.2? A/D驅動程序的設計

　　在uClinux系統下，驅動程序可以看成uClinux內核與外部設備之間的接口。驅動程序向應用程序屏蔽了硬件實現上的細節。可以使用和操作文件中相同的系統調用接口函數來完成對硬件設備的打開，關閉，讀，寫以及I／O控制操作。

　　本系統中的A/D驅動程序主要結構包括：

　　（1）數據類型定義文件

　　#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

　?。?）啟動A/D轉換文件

　　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://調用S3C2410地址頭文件

　　#include "def.h"http://調用數據類型頭文件

　　main()

　　{

　　clrsrc();//刷新操作

　　INT_ADC_Enable(int flag);//啟動A/D轉換

　　… …

　　}

　　4.3 應用程序的設計

　　應用程序是實現系統所需功能的核心部分，主要是A/D采樣分析。該部分主要負責對采集到的脈象模擬信號進行數模轉換，并根據脈象的時域和頻域特征進行分析脈象圖的結構。

5 結束語

　　本文作者創新點是，與傳統的中醫脈象儀相比，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點。嵌入式uClinux的引入保證了系統穩定和運行的可靠。ARM技術將計算機硬件和軟件有機的融為一體，它使測試設備簡單化，軟件設計變得更加靈活，具有無比的優越性。ARM技術應用于脈象儀具有很高的應用價值和良好的市場前景，值得我們深入研究。