摘 要：随着电子技术的发展，人们日常生活中的电子产品大多已开始逐步向专用化发展。医疗设备相对于其他民用设备更加精密，专业。对于稳定性和可靠性的要求也更加严格。因此用于医疗设备的系统，在设计之初，就需要更加严谨和周密的推理；在调试之时，需要更加严格的测试。如此才能确保质量的可靠和稳定。论文从研究分析当前对专用医疗设备的需求着手，结合嵌入式系统设备专用性强的特点，针对稳定性可靠性的应用，设计并实现了一个基于Windows CE嵌入式操作系统的医疗监控设备。
关键词：医疗监控设备 嵌入式
随着经济增长以及电子科学技术的发展，人们对自身健康意识也有所增加，这也在一定程度上推动了医疗电子的发展。医疗电子产品从发展前景上看应当满足三方面要求：便携、节能、安全。这些特点均符合嵌入式产品的特点，因此使用嵌入式系统作为医疗监控设备的平台是一个符合设计思路的方案，同时也是一个符合当前电子产品发展趋势的方案。当今国际形势日趋复杂，医疗电子市场也在此形势下备受冲击，因此发展国产医疗电子就显得势在必行。
1. 嵌入式系统
1.1嵌入式系统的介绍
嵌入式系统，是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件”。
1.2对嵌入式的应用
对于 Windows CE操作系统下的串口驱动程序，微软公司提供了一套比较成熟的设计方案。但经过对该套串口驱动方案进行稳定性测试后，从数据上反映出该串口驱动方案并不适合做高速大数据量的接收处理，因此并不能满足医疗监控设备用于接收从医疗监测仪器传送来的高速串口数据。笔者采用了DMA通道技术，该方案用于使用DMA在串口控制器和内存储器之间建立映射，并实时控制其数据传输，这样便将 CPU 解放出来，接收效率也将得到大大提高。笔者根据医疗监控设备的需求，定制了一套具有SDRAM、外部存储器、串口设备、以太网控制器、音频设备、显示设备等功能模块的硬件解决方案，并将其制作成集成电路并调试成功。笔者根据医疗监控设备的需求和硬件上具有的各功能模块制作了基于各模块的驱动程序，并将这些设备驱动整合到操作系统中，使得操作系统能够正确识别并正确操作这些设备模块。 根据医疗监控设备的需求使用C++语言在Visual Studio 2005 集成开发环境上开发了一款应用软件，该应用软件能够根据医疗监测仪器采集的心率、血氧、体温参数信息绘制出图像显示在操作界面中，给用户以直观的显示。
2. 医疗设备的架构
2.1硬件电路
医疗监控设备需要 128MB 的内部存储器，使用了两片 32M×16 位的SDRAM。需要将两片 SDRAM并联医疗监控设备使用了非易失性的Flash作为其存储设备，并用到了两种Flash，即NOR Flash和 NAND Flash。NOR Flash与 CPU 连接的接口与标准SRAM完全相同，因此NOR Flash不但能够存储数据，而且能够支持程序在芯片内运行。NOR Flash 是用来存储启动引导程序和操作系统镜像等受保护数据的一个比较好的选择。而相对于NOR Flash，NAND Flash的读取速度略慢，但擦写速度要远快于NOR Flash，并且由于其成本远低于 NOR Flash，因此 NAND Flash 非常适合作为用户存储设备使用。NAND Flash与 CPU的连接接口与SRAM截然不同，因此不支持片上运行，而且读写操作需要转换电路对其接口进行转换。Pxa270外围电路相对比较简单，适合用在医疗监控设备中。其主要功能包括：充分支持全双工交换式以太网，支持突发数据传输，支持总线8位、16位、32 位的 CPU访问；提前发送和接收。医疗监控设备使用了市面上主流的 Wolfson 公司生产的 WM9713 作为其音频控制芯片，该芯片具有音质清晰、输出功率大、功耗低的特点。医疗监控设备使用 RS485 接口协议作为串行通信方式与外部设备进行通信。RS485 具有信号传递距离远、抗干扰能力强等优点，但全双工特性较弱。但功能需求上来看，RS485 接口更适合于医疗监控设备。 在硬件连接上，CPU自带的串口 TTL电平信号引脚被连接到 RS485 转换芯片上进行电平转换，经过转换的 RS485 信号被连接到插座上与外部设备进行连接。医疗监控设备使用的显示屏为夏普LS037V7DW01 液晶屏。该部分功能信号也具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。不过需要在CPU 的液晶控制器和液晶显示屏之间加入 LVDS 转换芯片对其信号进行转换。
2.2数据转送，采集通道
普通串口驱动是分层结构的，分为 MDD 层和 PDD 层。流式驱动的函数接口决定了用户对串口的操作主要分为三类：发送数据、接收数据、其它IO 操作。通过分析可发现，制约串口接收效率的最关键的一步也是 IO 设备和内存之间传送数据不可避免的效率问题。算法停留时间相对较长造成的影响便是影响了 CPU 对中断数量的判断，造成丢失中断响应的可能，进而就会产生丢失数据或者数据错乱的结果。由于Windows CE操作系统是多进程系统，因此还要考虑到在串口接收高速大数据量的同时不影响用户进行的操作，而这些操作同样会占用 CPU 和内存资源，使得本就不堪重负的串口接收变得更加更加困难。DMA 相当于一个控制 IO 设备与内存传送数据的协处理器，其具体工作方式为：DMA在 IO 设备和一段事先申请好的一块内存空间之间建立一个映射，当 IO 设备接收到数据时，DMA 控制器会将接收到的数据传送至映射好的地址空间上，当该快内存空间收满数据之后会向CPU产生一个DMA请求，由 CPU决定该如何处理接下来的工作。使用了DMA通道的串口驱动与普通串口驱动的工作方式完全不同，不再是每收到一包数据便产生一次中断，而是当一整快内存存满数据后才产生一次DMA 请求，而且复制数据的速度也要明显快于从 IO 设备中读取数据。由于医疗监控设备的工作方式是将串口接收到的数据处理之后以图象的形式显示到屏幕上，因此，串口驱动程序的重点便放在了串口的初始化、打开和接收数据上。 在串口驱动的初始化中完成了以下几项工作：申请了四块大小为 7992 字节的内存空间，同时建立了四套内存描述符与申请的空间相关联。然后再对它进行稳定性测试。
2.3功能模块的设计
关于启动引导程序，医疗监控设备的启动引导程序Ethernet Bootloader的核心部分包含 3 个文件，分别为 startup.s，main.c，blcommon.c，其中 startup.s 为汇编代码，是设备上电之后由硬件引导执行的部分，main.c为 Eboot运行的主要执行部分，直接与硬件平台相关，由Eboot开发人员根据项目实际需求进行开发定制，blcommon.c 为 Eboot公有代码，不需要再修改。关于液晶显示驱动，医疗监控设备的CPU Pxa270 内部带有液晶控制器，能够根据开发人员的配置在引脚上输出需要的标准RGB信号，而 LVDS 信号转换器能够将输入的标准RGB 液晶信号转换成为 LVDS 信号输出，不需要软件支持。因此，液晶显示驱动在做好图像处理输出到液晶控制器的数据帧缓冲区中的同时，更重要的便是配置液晶控制器的输出RGB信号的时序，使其能够正常、清晰地显示图像。
结语：在电子技术迅猛发展的今天，医疗设备的种类日益繁多，功能也变得日益齐全，本文研究的医疗监控设备只是众多医疗监控设备中的一种，实现的功能相对简单。主要总结了当前医疗设备和嵌入式设备发展的现状，针对医疗设备领域的各方面需求，利用 Windows CE嵌入式操作系统和设备驱动的科研成果，实现了一个基于嵌入式系统Windows CE平台的医疗监控设备。在许多方面还有不足。■
参考文献
[1] 熊丽，阮学斌，基于 WINCE 的能源信号数据采集终端系统设计开发，计算机与数字工程，2012
[2] 薛俊，基于 ARM 和 IC/OS-II 血液医疗检测仪的设计与研究，山西电子技术，2012