【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ology)。EMIT并不能讓設(shè)備具備Internet的連接能力，而是在應(yīng)用系統(tǒng)的MCU內(nèi)部使用emNet協(xié)議，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口軟件emGateway與Internet連接。emGateway網(wǎng)絡(luò)接口軟件可以安裝在計(jì)算機(jī)、TV機(jī)頂盒或?qū)Ｓ玫募矣秒娖鞣?wù)器中，它支持TCP/IP協(xié)議并運(yùn)行HTTP服務(wù)程序，作為用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器瀏覽訪問(wèn)遠(yuǎn)程服務(wù)器。emGateway通過(guò)RS23RS48CAN、紅外及射頻等通信方式與多個(gè)嵌入式設(shè)備相連。 嵌入式Internet實(shí)現(xiàn)方案在本遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，采用前述接入方式中的第一種來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet，具體是采用價(jià)格適中，性能較高的ARM7處理器AT91SAM7X256和免費(fèi)開(kāi)源的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT_Thread。該方案的優(yōu)點(diǎn)有：（1）采用32位MCU，處理速度較快，加上實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，能保證監(jiān)測(cè)終端Internet通信和數(shù)據(jù)采集的可靠性和實(shí)時(shí)性。（2）AT91SAM7X256內(nèi)部帶有以太網(wǎng)MAC，只需外接一塊物理層芯片即可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，硬件成本較低。（3）RT_Thread免費(fèi)開(kāi)源，占用資源小，并且外圍模塊中帶有輕型的TCP/IP協(xié)議棧LwIP，開(kāi)發(fā)人員只需完成以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)TCP/IP功能，減小成本的同時(shí)，降低了開(kāi)發(fā)難度。 本章小結(jié)本章首先說(shuō)明了基于嵌入式Internet的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并指出監(jiān)測(cè)終端是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。然后對(duì)TCP/IP協(xié)議棧和以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并分析了當(dāng)前常見(jiàn)的嵌入式Internet接入方式，最后提出了監(jiān)測(cè)終端的嵌入式Internet實(shí)現(xiàn)方案，后續(xù)章節(jié)將按照此方案對(duì)監(jiān)控終端硬件和軟件進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。第三章 監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì) 硬件總體設(shè)計(jì)依據(jù)本課題提出的嵌入式Internet實(shí)現(xiàn)方案，監(jiān)測(cè)終端的硬件以嵌入式處理器AT91SAM7X256為核心，進(jìn)行外圍電路的擴(kuò)展。具體實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接口、RS232串口、人機(jī)交互、存儲(chǔ)設(shè)備和電源部分。： 監(jiān)測(cè)終端硬件結(jié)構(gòu)通訊接口包括以太網(wǎng)接口和RS232串口，其中以太網(wǎng)接口用來(lái)接入Internet，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信，它是嵌入式Internet硬件的具體實(shí)現(xiàn)。RS232串口則與生理參數(shù)采集設(shè)備通信，進(jìn)行患者生理參數(shù)的采集。人機(jī)交互部分包括LCD顯示屏、44鍵盤(pán)、LED顯示燈和蜂鳴器，其直接面向用戶，執(zhí)行數(shù)據(jù)的輸入和信息的輸出顯示。存儲(chǔ)設(shè)備采用DataFlash，用來(lái)暫時(shí)保存采集到的生理參數(shù)和來(lái)自監(jiān)控中心服務(wù)器的重要數(shù)據(jù)，以及設(shè)備硬件信息。下面將對(duì)AT91SAM7X256進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，然后對(duì)硬件的各部分電路進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。 AT91SAM7X256簡(jiǎn)介AT91SAM7X256是Atmel公司針對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的AT91SAM7x系列中的一款，它基于ARM7TDMI內(nèi)核，在當(dāng)前的嵌入式處理器市場(chǎng)上，其性能、功耗、價(jià)格等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。 ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)ATM7TDMI是從ARM6核發(fā)展而來(lái)，它具有三級(jí)流水線，可使取指、譯碼、執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，[22]。它具有的特點(diǎn)：（1）支持三種數(shù)據(jù)類(lèi)型，分別是8位的字節(jié)、16位的半字（必須與2字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)）以及32位的字（必須與4字節(jié)邊界對(duì)準(zhǔn)）。（2）完全支持ARM體系結(jié)構(gòu)的7種處理器模式，它們分別是用戶模式、快中斷模式、中斷模式、管理模式、中止模式、未定義模式和系統(tǒng)模式。在軟件控制下可以改變模式，外部中斷或異常處理也可以引起模式發(fā)生改變[25]。（3）具有兩種操作狀態(tài)：ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)，在ARM狀態(tài)下執(zhí)行字對(duì)準(zhǔn)的ARM指令，而Thumb狀態(tài)則執(zhí)行半字對(duì)準(zhǔn)的Thumb指令。ARM處理器在兩種工作狀態(tài)之間可以切換，切換時(shí)不會(huì)影響處理器的模式或寄存器的內(nèi)容。（4）具有37個(gè)寄存器，包括31個(gè)通用寄存器和6個(gè)狀態(tài)寄存器，狀態(tài)寄存器具體是堆棧指針sp、鏈接寄存器lr、程序計(jì)數(shù)器pc、程序狀態(tài)寄存器cpsr和spsr。這些寄存器并不是全都可以在同一時(shí)間被訪問(wèn)的，處理器狀態(tài)和工作模式?jīng)Q定了程序員可以訪問(wèn)哪些寄存器[23]。（5）支持7種類(lèi)型的異常，分別是復(fù)位、未定義指令、軟件中斷（SWI）、預(yù)取中止、數(shù)據(jù)中止、中斷請(qǐng)求（IRQ）和快速中斷請(qǐng)求（FIQ）。當(dāng)程序運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生中斷或錯(cuò)誤時(shí)會(huì)導(dǎo)致異常，好的異常處理措施對(duì)于程序的正確執(zhí)行，以及系統(tǒng)的健壯性非常重要[32]。在ARM平臺(tái)上移植操作系統(tǒng)時(shí)，需要很好的理解ARM的處理器模式、寄存器操作和異常處理。 AT91SAM7X256的特點(diǎn)選用AT91SAM7X256作為監(jiān)測(cè)終端的硬件基礎(chǔ)，不單是因?yàn)樗茿RM7TDMI內(nèi)核，而且因?yàn)樗哂胸S富的外設(shè)。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的外設(shè)特點(diǎn)如下：（1）256KB的片內(nèi)高速Flash和64KB片內(nèi)高速SRAM，滿足程序代碼存儲(chǔ)空間以及內(nèi)存空間要求的同時(shí)，保證程序執(zhí)行的速度。（2）一個(gè)10/100BaseT(Mb/s)的以太網(wǎng)MAC（EMAC），具有媒體獨(dú)立接口（MII）或簡(jiǎn)化的媒體獨(dú)立接口（RMII），并集成28字節(jié)的FIFO和專(zhuān)門(mén)用于收發(fā)數(shù)據(jù)的DMA通道。在此基礎(chǔ)上外接物理層芯片，就可以實(shí)現(xiàn)完整的以太網(wǎng)功能[24]。（3）兩個(gè)通用同步/異步收發(fā)器（USART），可以方便的實(shí)現(xiàn)RS232串行通信接口。兩個(gè)主/從串行外設(shè)接口（SPI），可以外接帶SPI通信功能的外設(shè)。（4）兩個(gè)并行輸入/輸出控制器（PIO），電平變化時(shí)可以產(chǎn)生中斷，并可以獨(dú)立編程為開(kāi)漏、使能上拉電阻和同步輸出。PIO具有可觀的驅(qū)動(dòng)能力，能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示燈和蜂鳴器，并且能方便的實(shí)現(xiàn)中斷方式的44鍵盤(pán)[27]。（5）周期性間隔定時(shí)器（PIT）和定時(shí)計(jì)數(shù)器，為操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供了高精度的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能。（6），可以為內(nèi)核及外部組件提供高達(dá)100mA的電流，簡(jiǎn)化了電路。（7）帶有JTAG調(diào)試接口，片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器可以通過(guò)JTAGICE接口編程，使其具有低廉的開(kāi)發(fā)和調(diào)試成本。 通訊接口實(shí)現(xiàn) 以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)，它由地址檢查器、統(tǒng)計(jì)與控制寄存器、接收與發(fā)送模塊以及DMA接口組成，可在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入。但是其并未提供物理層接口，所以需要外接一塊物理層芯片（PHY），以提供以太網(wǎng)的接入通道，這里選擇了DAVICOM公司的DM9161芯片。DM9161是一款高集成度、低功耗的10BaseT和100BaseTX物理層收發(fā)芯片，只需要連接很少外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的物理層收發(fā)，且同樣提供了MII和RMII接口[26]。在本系統(tǒng)中，EMAC采用MII接口與DM9161連接。 以太網(wǎng)接口硬件連接物理層芯片DM9161在MII模式時(shí)，需要提供25MHz的晶振輸入，其差分輸入和輸出連接到帶網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的RJ45接口HR911105上。 RS232串口實(shí)現(xiàn)AT91SAM7X256內(nèi)部具有通用同步/異步收發(fā)器，要實(shí)現(xiàn)RS232串口只需外接電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)處理器的TTL電平到RS232標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換即可。目前常用的電平轉(zhuǎn)換器有MC148SN7518MAX232等[28]。MAX232較其它的芯片有著不需要多路工作電源的優(yōu)點(diǎn)，這樣使串行通信電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。 RS232電平轉(zhuǎn)換電路 人機(jī)交互實(shí)現(xiàn) LCD顯示屏LCD顯示屏選擇比較常用的128X64漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊BJ12864，它能方便的顯示漢字及圖形，能很好的顯示各類(lèi)信息來(lái)提示用戶操作。該模塊由5V電源供電，配置了LED背光，與MCU的接口有8位并行和3位串行兩種方式，在本系統(tǒng)中，由于有充足的PIO口供使用，所以選擇并行方式來(lái)提高傳輸速度。 LCD連接電路圖中RS為數(shù)據(jù)指令選擇端，RW為讀寫(xiě)選擇端，E為使能端，DB0~DB7為8位數(shù)據(jù)信號(hào)端，可變電阻R29用來(lái)調(diào)節(jié)LCD的對(duì)比度。 44鍵盤(pán)44鍵盤(pán)通過(guò)8個(gè)PIO口實(shí)現(xiàn)，其中4個(gè)PIO口為輸出引腳，設(shè)為行引腳，另外4個(gè)為帶中斷的輸入引腳，設(shè)為列引腳。為了給輸入引腳提供高電平，相應(yīng)引腳必須添加上拉電阻，這樣可以使按鍵維持在不被觸發(fā)的狀態(tài)或是觸發(fā)后回到原狀態(tài)。 LED顯示燈和蜂鳴器由于AT91SAM7X256的PIO口具有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，能提供8mA的電流，對(duì)于貼片LED顯示燈和小電流的蜂鳴器已經(jīng)足夠，所以直接將器件連接到相應(yīng)PIO口即可。監(jiān)測(cè)終端具有3個(gè)LED顯示燈，兩個(gè)綠色燈，用來(lái)顯示當(dāng)前的在線狀態(tài)和通信狀態(tài)，另一個(gè)為紅色燈，異常狀態(tài)發(fā)生時(shí)閃爍。 存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采用DataFlash芯片AT45DB021B作為存儲(chǔ)設(shè)備，~，具有1024頁(yè)、每頁(yè)264bytes的閃存空間，支持頁(yè)編程操作，并采用SPI接口與MCU進(jìn)行通信。 DataFlash連接電路SPI通信采用4條線實(shí)現(xiàn)：串行時(shí)鐘線SPCK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線NPCS。 電源實(shí)現(xiàn)。電路采用穩(wěn)壓芯片LM2576來(lái)實(shí)現(xiàn)5V。LM2576系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它只需四個(gè)外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。這四個(gè)器件是上圖中的輸入端電容CD續(xù)流二極管D儲(chǔ)能電感L1和輸出端電容CD2。實(shí)際應(yīng)用中證實(shí)，使用LM2576不但減少了電源對(duì)MCU的熱損害，而且可以減少電源波動(dòng)和高頻信號(hào)對(duì)MCU的干擾。XC6206P332PR是一個(gè)高精度、低功耗、最大輸出電流達(dá)250mA的穩(wěn)壓芯片，并能滿足功耗的要求。 電源電路 本章小結(jié)本章首先設(shè)計(jì)了硬件的總體框架，然后對(duì)硬件核心AT91SAM7X256進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，最后根據(jù)總體框架對(duì)各部分電路進(jìn)行了具體實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，監(jiān)測(cè)終端硬件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，下面一章將在硬件平臺(tái)上進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端的Internet通信、生理參數(shù)采集等功能。第四章 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì)由于監(jiān)測(cè)終端的嵌入式Internet實(shí)現(xiàn)需要操作系統(tǒng)RT_Thread的支持，所以其所有的軟件開(kāi)發(fā)都基于RT_Thread平臺(tái)。軟件部分是監(jiān)測(cè)終端開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。 監(jiān)測(cè)終端軟件結(jié)構(gòu)整個(gè)軟件結(jié)構(gòu)分成了四個(gè)部分，包括操作系統(tǒng)層，移植代碼層，設(shè)備驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用程序?qū)?。操作系統(tǒng)層是核心部分，它的實(shí)時(shí)內(nèi)核為應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和LwIP提供了線程調(diào)度、信號(hào)量、郵箱和設(shè)備管理等功能，而LwIP在以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)的支持下實(shí)現(xiàn)了完整的TCP/IP功能，并提供應(yīng)用程序接口給Internet通信程序。操作系統(tǒng)要能在當(dāng)前的硬件平臺(tái)下運(yùn)行，必須進(jìn)行系統(tǒng)移植，即實(shí)現(xiàn)移植代碼層。設(shè)備驅(qū)動(dòng)層直接與硬件打交道，它在操作系統(tǒng)設(shè)備管理器的支持下，為應(yīng)用程序提供了各種接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的訪問(wèn)。應(yīng)用程序?qū)咏⒘怂膫€(gè)單獨(dú)的線程，來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端的全部功能。這四個(gè)軟件層中，操作系統(tǒng)層已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，所以下面將對(duì)其它三個(gè)層進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。軟件開(kāi)發(fā)所使用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil 181。Vision4，它能很好的支持ARM平臺(tái)開(kāi)發(fā)。 RT_Thread簡(jiǎn)介 RT_Thread RTOS是一個(gè)國(guó)內(nèi)操作系統(tǒng)愛(ài)好者們開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼的微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它被設(shè)計(jì)成一個(gè)寬范圍的系統(tǒng)，既可以應(yīng)用到資源極度緊張的小型系統(tǒng)，也可以應(yīng)用到帶內(nèi)存管理單元、網(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)中。RT_Thread分為兩大模塊，內(nèi)核模塊和周邊模塊。內(nèi)核模塊包括實(shí)時(shí)線程調(diào)度、對(duì)象管理、內(nèi)存管理、時(shí)鐘管理和設(shè)備管理等，用來(lái)實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的基本功能。周邊模塊包括虛擬文件系統(tǒng)、輕型TCP/IP協(xié)議棧、shell系統(tǒng)、圖形用戶界面GUI等，實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。在監(jiān)測(cè)終端中，應(yīng)用到了RT_Thread的內(nèi)核模塊和輕型TCP/IP協(xié)議棧，下面對(duì)這兩部分進(jìn)行介紹[29]。 內(nèi)核模塊（1）實(shí)時(shí)線程調(diào)度。線程是RT_Thread中最小的調(diào)度單位，實(shí)時(shí)線程調(diào)度模塊負(fù)責(zé)完成線程管理及調(diào)度，調(diào)度算法基于優(yōu)先級(jí)的全搶占式線程調(diào)度，支持256個(gè)線程優(yōu)先級(jí)；支持同優(yōu)先級(jí)線程的創(chuàng)建，相同優(yōu)先級(jí)的線程采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法調(diào)度；系統(tǒng)不限制線程數(shù)量的多少，只和硬件平臺(tái)的具體內(nèi)存相關(guān)[31]。（2）對(duì)象管理。負(fù)責(zé)管理線程間同步及通信用到的內(nèi)核對(duì)象，這些對(duì)象包括信號(hào)量、互斥量等同步機(jī)制，以及郵箱、消息隊(duì)列、事件等通信機(jī)制。（3）內(nèi)存管理。支持靜態(tài)內(nèi)存池管理及動(dòng)態(tài)內(nèi)存堆管理。（4）時(shí)鐘管理。系統(tǒng)使用時(shí)鐘節(jié)拍來(lái)完成同優(yōu)先級(jí)線程的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度，定時(shí)器支持軟定時(shí)器及硬定時(shí)器，也支持一次性超時(shí)及周期性超時(shí)。（5）設(shè)備管理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了按名稱訪問(wèn)的設(shè)備管理子系統(tǒng)，可按照統(tǒng)一的API界面訪問(wèn)硬件設(shè)備。在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，應(yīng)用到了RT_Thread的線程調(diào)度功能，信號(hào)量和郵箱機(jī)制，以及設(shè)備管理控制塊， 因此在內(nèi)核配置的時(shí)候，需要對(duì)其進(jìn)行裁剪，以減少代碼量。 輕型TCP/IP協(xié)議棧LwIPRT_Thread使用LwIP作為默認(rèn)的TCP/IP協(xié)議棧，同時(shí)根據(jù)小型設(shè)備的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行再優(yōu)化，體積相對(duì)進(jìn)一步縮小。LwIP與許多其他的TCP/IP一樣，采用分層的協(xié)議為參照來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，包括TCP/IP模型中的網(wǎng)際層和傳輸層。 LwIP協(xié)議層結(jié)構(gòu)網(wǎng)際層實(shí)現(xiàn)了基本的IP和ICMP處理，傳輸層實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的UDP和具有阻塞控制、RTT估算、快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)功能的TCP協(xié)議。LwIP除了TCP/IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)模塊外，還包括操作系統(tǒng)模擬層、緩沖與內(nèi)存管理子系統(tǒng)和應(yīng)用程序接口。其中操作系統(tǒng)模擬層是LwIP移植過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)的，它依靠操作系統(tǒng)提供的時(shí)鐘、信號(hào)量和郵箱為上層協(xié)議提供定時(shí)器、同步和消息傳遞機(jī)制，這一部分RT_Thread已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序接口包括LwIP API和BSD Socket API，LwIP API內(nèi)存占用率小，BSD Socket API則易于理解，兼容性好，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇[30]。LwIP與標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議相比功能方面比較少，但是已經(jīng)能夠滿足大多數(shù)的應(yīng)用，適用于本系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)終端。 移植代碼層實(shí)現(xiàn)RT_Thread在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了可移植性，其移植過(guò)程只需要針對(duì)硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)以下文件：。下面針對(duì)處理器AT91SAM7X256來(lái)講述這些文件的實(shí)