ARM在脈象儀系統(tǒng)中的應(yīng)用

1

指脈搏應(yīng)指的強弱、流暢等趨勢。脈勢包含著多種因素，如脈動的軸向和徑向力度；主要有由心臟和阻力影響所產(chǎn)生的流利度；由血管彈性和張力影響而產(chǎn)生的緊張度等。每次診脈均應(yīng)診察脈動勢力的強弱及流暢程度。正常脈象，應(yīng)指和緩，力度適中。應(yīng)指有力為實脈；應(yīng)指無力為虛脈；通暢狀態(tài)較好，脈來流利圓滑者為滑脈；通暢狀態(tài)較差，脈來艱澀不暢者為澀脈等。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)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。在測試時，將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過一定測量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測試件應(yīng)變量的大小

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

嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當(dāng)然其價格也相應(yīng)較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。

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.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

uCLinux是一種優(yōu)秀的嵌入式Linux版本，是micro-Conrol-Linux的縮寫。它秉承了標準Linux的優(yōu)良特性，經(jīng)過各方面的小型化改造，形成了一個高度優(yōu)化的、代碼緊湊的嵌入式Linux.雖然它的體積很小，卻仍然保留了Linux的大多數(shù)的優(yōu)點：穩(wěn)定、良好的移植性、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持和標準豐富的API.它專為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，目前已支持多款CPU.其編譯后目標文件可控制在幾百KB數(shù)量級，并已經(jīng)被成功地移植到很多平臺上。

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)?？梢允褂煤筒僮魑募邢嗤南到y(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（）

{

clr src（）；//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。