摘 要： 以S3C2440 為平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)了S3C2440 單板機(jī)對(duì)智能模擬人的控制箱， 按壓和通氣功能的控制， 以及S3C2440 與上位機(jī)通信功能， 通過對(duì)內(nèi)核的裁剪和驅(qū)動(dòng)及控制程序的編寫， 不僅可以實(shí)現(xiàn)各種控制箱的操作， 而且也可以對(duì)模擬人的按壓和通氣模擬操作功能進(jìn)行控制， 產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的各種模擬反應(yīng)。， 提出了用設(shè)置加權(quán)系數(shù)的辦法解決按壓和通氣控制條反應(yīng)速率過緩問題。

　　0  引 言

　　醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)是利用各種模擬手段， 再現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)的工作場(chǎng)景， 為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)無風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)習(xí)臨床知識(shí)和技能的條件與環(huán)境。醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)以其對(duì)病人無創(chuàng)、方便、操作可重復(fù)、低成本等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教學(xué)的主導(dǎo)方式之一。我國(guó)在臨床醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)設(shè)備還處于比較低層次上， 高端的教學(xué)設(shè)備多數(shù)還以進(jìn)口為主， 自主研發(fā)并實(shí)際應(yīng)用很少。智能模擬人系統(tǒng)正是在這種情況下填補(bǔ)了現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的空白， 滿足我國(guó)臨床醫(yī)學(xué)高層次實(shí)踐教學(xué)需求。

　　智能綜合模擬人系統(tǒng)采用目前國(guó)際醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)中比較流行的觸覺感知技術(shù)， 可以逼真地模擬各種醫(yī)療過程， 并對(duì)各個(gè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文主要介紹醫(yī)學(xué)教學(xué)和臨床教學(xué)中常用的除顫， CPR 和Vent ilat io n 的操作實(shí)現(xiàn)方法， 它們?cè)卺t(yī)學(xué)教學(xué)和臨床教學(xué)中起到了橋梁作用， 使受訓(xùn)者的理論和臨床實(shí)踐很好地結(jié)合起來，極大地提高了受訓(xùn)者的應(yīng)變能力和現(xiàn)場(chǎng)處理能力。

　　1  S3C2440 介紹

　　由于所需完成的功能眾多， 對(duì)體積、功耗和性能諸多方面要求較高， 如果用傳統(tǒng)的MCU 處理， 顯然不能滿足需要， 所以這里采用S3C2440 作為平臺(tái)搭建系統(tǒng)， 三星公司推出的16/ 32 位RISC 微處理器S3C2440， 采用ARM920T 的內(nèi)核， 0. 13 m的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元， 采用了新的總線架構(gòu)   AMBA。為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格， 低功耗， 高性能小型微處理器的解決方案， 滿足了系統(tǒng)搭建的要求。

　　1. 1  S3C2440 的功能

　　S3C2440 的杰出特點(diǎn)是其處理器( CPU ) ， 是一個(gè)由Advanced RISC Machines 有限公司設(shè)計(jì)的16/ 32 位ARM920T 的RISC 處理器。ARM920T 實(shí)現(xiàn)了MMU， AMBA BU S 和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。

　　這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 KB 指令Cache 和16 KB 數(shù)據(jù)Cache。每個(gè)都是由具有8 字長(zhǎng)的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)， S3C2440 減少了整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件 。

　　綜合對(duì)芯片的功能描述， 總共有以下17 種功能：

　　( 1) 1. 2 V 內(nèi)核供電， 1. 8 V/ 2. 5 V/ 3. 3 V 存儲(chǔ)器供電， 3. 3 V 外部I/ O 供電， 具備16 KB 的ICache 和16 KB DCache/ MMU 微處理器。

　　( 2) 外部存儲(chǔ)控制器( SDRAM 控制和片選邏輯) 。

　　( 3) LCD 控制器( 支持4K 色ST N 和256 色TFT) 提供1 通道LCD 專用DMA。

　　( 4) 4 通道DMA 并有外部請(qǐng)求引腳。

　　( 5) 3 通道U ART 。

　　( 6) 2 通道SPI。

　　( 7) 1 通道I2SBU S 音頻編解碼器接口。

　　( 8) 1 通道I2CBUS 接口( 多主支持) 。

　　( 9) AC97 解碼器接口。

　　( 10) 兼容SD 主接口協(xié)議1. 0 版和MMC 卡協(xié)議2. 11 兼容版。

　　( 11) 2 端口U SB 主機(jī)/ 1 端口U SB 設(shè)備( 1. 1 版) 。

　　( 12) 8 通道10 比特ADC 和觸摸屏接口。

　　( 13) 具有日歷功能RT C。

　　( 14) 相機(jī)接口( 4 09* 096 像素的投入支持) 。

　　( 15) 130 個(gè)通用I/ O 口和24 通道外部中斷源。

　　( 16) 具有普通、慢速、空閑和掉電模式。

　　( 17) 具有PLL 片上時(shí)鐘發(fā)生器。

　　1. 2  S3C2440 的主要特性

　　S3C2440 相對(duì)于MCU 有許多不同的特性， 主要應(yīng)用于智能模擬人系統(tǒng)功能的特性包括以下幾方面：

　　( 1) 體系結(jié)構(gòu)： 加強(qiáng)的ARM 體系結(jié)構(gòu)MMU 用于支持Linux 。

　　( 2) 系統(tǒng)管理器： 支持高速總線模式和異步總線模式， 尋址空間每BANK 128 MB( 總共1 GB) ， 支持掉電時(shí)SDRAM 自刷新模式。

　　( 3) RT C( 實(shí)時(shí)時(shí)鐘) ： 32. 768 kH z 工作， 具有報(bào)警中斷和節(jié)拍中斷。

　　( 4) 通用I/ O 端口： 24 個(gè)外部中斷端口， 130 個(gè)多功能輸入/ 輸出口。

　　( 5) U ART ： 3 通道U ART ， 可以基于DMA 模式或中斷模式工作。

　　( 6) A/ D 轉(zhuǎn)換和觸摸屏接口： 8 通道多路復(fù)用ADC， 500 KSPS。

　　( 7) 工作電壓： 輸入/ 輸出3. 3 V， 同時(shí)有5 V 供電電壓接口。

　　2  智能模擬人功能實(shí)現(xiàn)

　　2. 1  控制箱功能的實(shí)現(xiàn)

　　模型人信息采集模塊是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的保證，信息采集的、可靠度決定了整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比。模型人的信息采集分為數(shù)字量信息采集和模擬量信息采集兩部分。

　　數(shù)字量信息采集主要是采集模型人身上的開關(guān)量，主要包括對(duì)模擬人體生命體征監(jiān)護(hù)儀信息、氣管插管術(shù)信息、模擬靜脈給藥信息、模擬胎兒監(jiān)護(hù)儀信息采集、模擬血壓儀的信息和模擬脈搏氧飽和度信息采集。主控制器實(shí)時(shí)掃描感應(yīng)器終端， 拾取感應(yīng)器信息， 經(jīng)處理后通過通信系統(tǒng)傳給上位機(jī)。系統(tǒng)采取了系統(tǒng)擴(kuò)展I/ O口和主控制器I/ O 并行與位置傳感器終端相連采取位置感應(yīng)器信息。

　　具體體現(xiàn)在智能模擬人的控制箱功能包括：

　　APEX， A ED， ECG， BP， T EP， SIP 的控制， 總共需要14 個(gè)I/ O 口進(jìn)行配置相應(yīng)的操作， 通過GPIO 驅(qū)動(dòng)定義S3C2440 的外設(shè)引腳功能， 當(dāng)對(duì)I/ O 口進(jìn)行上電操作時(shí) ， 通過U ART 向上位機(jī)發(fā)送14 位相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而使相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)， 具體表現(xiàn)是上位機(jī)的控制箱界面的相應(yīng)功能按鈕將會(huì)顯示綠色， 否則， 表示未啟動(dòng)功能( 此時(shí)狀態(tài)為紅色) ， 具體表現(xiàn)是上位機(jī)的控制箱界面信號(hào)燈不顯示， 如圖1 所示。

圖1.. ADC 信號(hào)采集電路圖.

　　2. 2  按壓和通氣功能的實(shí)現(xiàn)

　　2. 2. 1  按壓和通氣功能的特點(diǎn)

　　模擬量信息采集主要是指心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集， 模型人心肺模擬采用氣囊方式， 所以心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集采用了氣體壓力傳感器的方式進(jìn)行。系統(tǒng)采用了MPX2010 型雙通道壓力傳感器和LM358 運(yùn)算放大器組成的信息轉(zhuǎn)化電路分別對(duì)CPR 中的按壓和通氣的信息進(jìn)行采集。

　　智能綜合模擬人系統(tǒng)采用了MPX2010 型雙通道壓力傳感器和LM358 運(yùn)算放大器組成的信息轉(zhuǎn)化電路分別對(duì)CPR 中的按壓和通氣的信息進(jìn)行采集。

　　MPX2010 能提供一個(gè)的直接與外加壓力成正比的線性電壓輸出， 此類傳感器將應(yīng)變計(jì)和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)集成在同一硅片上， 用激光修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)的量程校正、零位偏差校正和溫度補(bǔ)償。系統(tǒng)利用運(yùn)算放大器將壓力傳感器輸出的微小電壓信號(hào)放大至與單片機(jī)內(nèi)部的A/ D 轉(zhuǎn)換器相容的電平， 使傳感器與單片機(jī)接口匹配。MPX2010 特點(diǎn)有： 溫度補(bǔ)償范圍在0~ + 85 ? ;電源電壓成比例; 微分和規(guī)范操作; 主要應(yīng)用于呼吸診斷、航空運(yùn)動(dòng)控制、控制器、壓開關(guān)。

　　LM358 包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)放， 適用于電壓范圍很寬的單電源， 而且也適用于雙電源工作方式， 它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用。LM358 的特點(diǎn)如下： 內(nèi)部頻率補(bǔ)償; 低輸入偏流; 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流; 直流電壓增益高( 約100 dB) ; 單位增益頻帶寬( 約1 MHz) ; 電源電壓范圍寬： 單電源( 3~ 30 V) ;CPR 信息采集采用了MPX2010 型雙通道壓力傳感器， 經(jīng)過LM358 進(jìn)行線性放大后傳給MCU 的A/ D采集控制器進(jìn)行采集， 電路圖如圖2 所示。

圖2  ADC 信號(hào)采集電路圖。

　　在完成之上所述的信號(hào)采集后， 選用S3C2440 自帶的UART 串口完成ARM 與上位機(jī)軟件的串口通信。

　　串行接口是S3C2440 與外部設(shè)備的主要通信接口之一。只需要1 條信號(hào)線就可以進(jìn)行單向數(shù)據(jù)傳送。

　　由于線路簡(jiǎn)單， 價(jià)格相對(duì)較低， 得到了廣泛應(yīng)用。

　　PC 機(jī)與下位機(jī)串口連接如圖3 所示。

圖3 PC 機(jī)與下位機(jī)串口連接圖。

　　一般情況下， 串口通信采用兩種方法： 一種方法是利用Window s 的通信API 函數(shù); 另一種方法是利用Visual C+ + 的Act iv ateX 控件。Window s 的API 函數(shù)使用起來比較靈活， 實(shí)現(xiàn)通信的效率也是， 所以系統(tǒng)采用利用Window s 的API 函數(shù)進(jìn)行串口通信的開發(fā)。程序中thr ead _ com 類對(duì)串口操作的Window sAPI 函數(shù)進(jìn)行了封裝， 此類實(shí)現(xiàn)了對(duì)串口同步接收、異步接收以及線程監(jiān)控模式異步接收。thread_com 類的成員函數(shù)如表1 所示。

表1  thread_com類的公共成員函數(shù)

　　2. 2. 2  通氣和按壓功能的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)上面所說的情況， 可以完成CPR 中通氣和按壓功能的實(shí)現(xiàn)， 將ADC 驅(qū)動(dòng)燒錄至S3C2440 進(jìn)行壓力傳感器的信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換， 由于采用的雙路信號(hào)， 就需要將壓力傳感器的取值范圍分為兩段， 取中值后， 設(shè)定大于中值時(shí)， 完成按壓功能響應(yīng); 小于中值時(shí)， 完成通氣功能響應(yīng); 在不對(duì)傳感器操作的時(shí)候， 不響應(yīng) 。在采集到壓力信號(hào)的同時(shí)， 向上位機(jī)發(fā)送8 位UART 數(shù)據(jù)，進(jìn)行按壓和通氣顯示條的操作， 具體表現(xiàn)為： 當(dāng)按壓或者通氣值滿足系統(tǒng)設(shè)定的條件時(shí)( 初始狀態(tài)為藍(lán)色) ，按壓或通氣條顯示綠色， 否則為紅色。具體如圖4所示。

圖4 上位機(jī)按壓和通氣進(jìn)度條。

　　3  功能實(shí)現(xiàn)過程中遇到的問題

　　用S3C2440 可以很好地滿足設(shè)計(jì)功能需求， 顯示效果也比較滿意， 但是在具體實(shí)現(xiàn)過程中， 遇到很多問題， 比如， S3C2440 內(nèi)核自帶的ADC 驅(qū)動(dòng)的中斷號(hào)和編寫的ADC 驅(qū)動(dòng)的中斷號(hào)沖突的問題; 一些外擴(kuò)的I/ O 口已經(jīng)被占用的問題; 與上位機(jī)通信過程中， 數(shù)據(jù)包的傳輸問題; 按壓和同期進(jìn)度條顯示速率的問題等。

　　通過以下步驟可以很容易地解決這些問題：

　　( 1) 根據(jù)用戶手冊(cè)， 重新燒錄Bo ot load 時(shí)， 要對(duì)I/ O口進(jìn)行重新配置， 使之滿足智能模擬人控制箱的配置需要;( 2) 如果不需要使用觸摸屏的話， 可以對(duì)S3C2440進(jìn)行裁剪， 卸載ADC 觸摸屏驅(qū)動(dòng); 如果仍需要使用觸摸屏， 可以改用查詢方式完成功能;( 3) 對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)設(shè)置同樣的波特率， 并建立鏈表， 在滿足條件的情況下， 再進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸， 避免傳輸數(shù)據(jù)有誤造成的功能顯示問題;( 4) 對(duì)按壓和通氣進(jìn)度條的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整， 同時(shí)結(jié)合上位機(jī)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試 ， 設(shè)置加權(quán)系數(shù)，可以完善進(jìn)度條顯示速率問題。

　　4  結(jié) 語

　　主要討論了用S3C2440 開發(fā)智能模擬人控制箱和按壓通氣功能的實(shí)現(xiàn)， 并介紹了上位機(jī)與下位機(jī)的通信， 對(duì)在此過程中遇到的中斷號(hào)沖突， 進(jìn)度條顯示速率過慢等問題， 也提出了相應(yīng)的解決的方法。

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