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1、嵌入式系统及其在医疗仪器设备中的应用ronggang导语：文中介绍了嵌入式系统的特点及开展，提出了在嵌入式系统开发经过中应遵循的原那么，并介绍了嵌入式系统在医疗仪器设备中的应用嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及各种详细应用相结合的产物，是技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的新型集成知识系统。文中介绍了嵌入式系统的特点及开展，提出了在嵌入式系统开发经过中应遵循的原那么，并介绍了嵌入式系统在医疗仪器设备中的应用。嵌入式系统是计算机技术、通讯技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和详细应用对象相结合后的更新换代产品，反映现代最新技术的先进程度
2、。嵌入式系统是当今非常热门的研究领域，在PC市场已趋于稳定的今天，嵌入式系统市场的开展速度却正在加快。由于嵌入式系统所依托的软硬件技术得到了快速开展，因此嵌入式系统自身获得了快速开展。根据美国嵌入式系统专业杂志RTC报道，在21世纪初的10年中，全球嵌入式系统市场需求量具有比PC市场大10100倍的商机。有机构估计，全世界嵌入式系统产品潜伏的市场将超过1万亿美元。随着技术的开展，业内对嵌入式系统的定义也越来越明晰。它是微处理器、大规模集成电路、软件技术和各种详细的行业应用技术相结合的结果，其中各种软件技术占了嵌入式系统80%的工作量。嵌入式系统不同于一般PC机上的应用系统，即使是针对不同的详细
3、应用而设计的嵌入式系统之间的差异也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、本钱方面限制较多。可以讲，嵌入式系统是不可垄断、需要不断创新的技术。嵌入式系统历史及开展趋势事实上，在很早以前，嵌入式这个概念就已经存在了。在通讯方面，嵌入式系统在20世纪60年代就用于对电子机械交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统StoredProgramControl。嵌入式计算机的真正开展是在微处理器问世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel4004，其后各厂家陆续推出了很多8位、16位的微处理器，包括In
4、tel8080/8085、8086，Motorola的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以这些微处理器作为核心所构成的系统广泛地应用于仪器仪表、医疗设备、机器人、家用电器等领域。微处理器的广泛应用形成了一个广阔的嵌入式应用市场，计算机厂家开场大量地以插件方式向用户提供OEM产品，再由用户根据自己的需要选择一套合适的CPU板、存储器板以及各式I/O插件板，进而构成专用的嵌入式计算机系统，并将其嵌入到自己的系统设备中。为灵敏兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后来人们可以不必从选择芯片开场来设计
5、一台专用的嵌入式计算机，而是只要选择各功能模块，就可以组建一台专用计算机系统。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最合适的OEM产品，插入外购或者自制的机箱中就能形成新的系统，因此希望插件互相兼容，进而导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/s的Multibus。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。20世纪80年代可以讲是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺程度的进步，集成电路制造商开场把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部
6、件全部集成到一个VLSI中，进而制造出面向I/O设计的微控制器，即俗称的单片机，成为嵌入式计算机系统异军突起的一支新秀。其后开展的DSP产品那么进一步提升了嵌入式计算机系统的技术程度，并迅速渗入到消费电子、医疗仪器、智能控制、通讯电子、仪器仪表、交通运输等各个领域。20世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通讯和信息家电等宏大需求的牵引下，嵌入式系统进一步加速开展。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗开展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引导着微控制器向32位高速智能化开展。在应用方面，开展也较为迅速。十分是掌上电脑，1997年在美国市场上掌上电脑不过四五
7、个品牌，而1998年底，各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。此外，Nokia推出了智能，西门子推出了机顶盒，Wyse推出了智能终端，NS推出了WebPAD。21世纪无疑是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各类网络中也必然是嵌入式系统开展的重要方向。嵌入式系统在各个领域应用的开展潜力宏大，其在医疗仪器领域的应用也越来越广泛。嵌入式系统嵌入式系统的定义及分类嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为根底，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、本钱、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操纵系统以及用户应用程序等局部组成见图1，用于实现对其
8、他设备的控制、监视或者治理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两局部。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。软件局部包括操纵系统软件OS和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为;而操纵系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统通常可按图2分类。嵌入式产品已经在航空航天、交通、电子、医疗仪器、通讯、工控、金融、家电等行业得到广泛应用。嵌入式系统的特点嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下特点：1对实时多任务有很强的支持才能，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，进而使内部的代码
9、和实时内核的执行时间减少到最低限度;2具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件构造已模块化，而为了防止在软件模块之间出现错误的穿插作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断;3可扩展的处理器构造，以便最迅速地开发出知足应用的最高性能的嵌入式微处理器;4嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及挪动的计算和通讯设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。嵌入式系统同通用型计算机系统相比具有六大重要特征：1专用性强：嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU，与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具
10、有功耗低、体积小、集成度高等特点，可以把通用CPU中很多由板卡完成的任务集成在芯片内部，进而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，挪动才能大大增强，与网络的耦合也越来越严密;2知识集成度高：嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的详细应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统;3系统内核小：嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在详细应用中对处理器的选择更具有竞争力;4系统精简：嵌入式系统和详细应用有机地结合在一起，一般没有系统软件和应用软件的明显区分
11、。它的晋级换代也是和详细产品同步进展，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，便具有较长的生命周期;5高实时性和可靠性：为了进步执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或者单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中;6系统开发需要专门的开发工具和环境：嵌入式系统本身不具备自主开发才能，设计完成以后用户通常不能直接对其中的程序功能进展修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进展开发。嵌入式系统在医疗仪器中的应用医疗仪器设备的最新开展趋势进入2020年，越来越多的利好消息出如今医疗仪器设备领域。近期，德国、澳大利亚都分别明确表示要在儿童医疗和全民医疗领域加大投入。而我国和墨西哥这样的开展中
12、人口大国也将在2020年继续其备受世人瞩目的医疗改革。这些政府级别的投入将增加全社会对医疗仪器设备的需求。随着生活程度的不断进步，人们对于自身安康的关注也提升到一个前所未有的高度。今天，越来越多的高科技手段开场运用到医疗仪器的设计中。心电图、脑电图等生理参数检测设备，各类型的监护仪器、超声波、X射线成影设备、核磁共振仪器以及各式各样的物理治疗仪都开场在各地医院广泛使用。远程医疗、HIS、病人呼唤中心、数字化医院等先进理念的出现和应用，使医院的治理比以往任何时候都更加完善和高效，同时病人享受到更加快捷方便和人性化的效劳。在技术领域，医疗仪器设备那么开场呈现向便携性和网络化开展的趋势。可以随身携带
13、的血压计、血糖仪，可以在家庭或者小型社康医院中使用的呼吸机、心电监护仪必然会有越来越大的市场需求。而网络化的进一步普及也正在进入医疗仪器设备领域，通过有线或者无线技术，医生可以远程访问病人的资料;数字化网络化的医疗检测设备使病人不必再携带大量的检测资料奔波在医院的各个科室甚至是远隔千里的不同医院之间，进而节省了就医者的时间和重复检测的费用;而网络化的医疗仪器设备和系统也使远程医疗变为现实，身在某些不兴旺地区的重症患者有可能通过远程医疗获得高程度医生的救治而重获新生。在我国，由于医疗资源尤其是高端优质医疗资源的缺乏和地区间分布不平衡引起了广被诟病的“看病难问题。医疗仪器设备网络化所带来的这些好处
14、对解决该问题也有着非常现实的意义。嵌入式系统在医疗仪器设备中的应用由于医疗仪器设备固有的自身特点和以上提到的最新开展趋势的要求，用于医疗仪器设备的技术和系统也应该与这些特点和要求相适应。嵌入式系统应用于医疗仪器设备，符合开展趋势带来的要求和变化。医疗仪器领域大量医疗仪器的应用，如心脏起搏器、放射设备及分析监护设备，都需要嵌入式系统的支持。各种化验设备，如肌动电流描记器、离散光度化学分析、分光光度计等，都需要使用高性能的、专用化的DSP系统来进步其精度和速度。引入嵌入式系统后，现有的各种监护仪的功能与性能都将得到大幅度的进步。一般来讲，医疗系统都非常庞大，但我们看到的一个趋势是便携式、低本钱产品
15、渐渐流行。便携医疗产品可分为两种：一种是手持产品，如用于患者监控的产品，像测量脉搏、血压等的产品，医生可以随身携带;另一种那么不一定可以随身携带，但它们是低本钱、简单的设备，一般用于设备较简单的医院。针对便携化的趋势，要求医疗电子设备必须具备体积小、功耗低、价格低和易于使用的特点。在医疗仪器的设计方面，有三个设计谋略非常重要：一是采用模块化设计方法，采用这种方法可以在根本的平台上设计出不同型号的产品;二是背板设计方法，每个大系统一般都会有背板，上面可以插很多不同的板，它可以使系统的速度很快;三是便携产品。由于嵌入式系统具有的特点，上述医疗仪器设计谋略都可以采用嵌入式系统实现。在医疗仪器应用中，
16、嵌入式系统的普及率非常高。在设计经过中，根据需要对嵌入式系统重新编程，可防止前端流片NRE本钱，减少和ASIC相关的订量，降低芯片屡次试制的宏大风险。此外，随着标准的开展或当需求出现变化时，还可以在现场更新。而且，设计人员可以反复使用公共硬件平台，在一个根本设计根底上，建立不同的系统，支持各种功能，进而大大降低了生成本钱。使产品具有较长的生命周期，可以保护医疗仪器不会太快过期，医疗行业的产品生命周期比拟长，因此这一特性非常重要。当代数字医疗仪器设备不但包括诊疗设备，而且还有数据存储效劳器和接口软件。嵌入式系统可为医疗仪器设备设计、消费和使用提供先进的技术支持。嵌入式系统在医疗仪器领域的应用前景
17、随着信息技术的开展，数字化产品空前繁荣。嵌入式软件已经成为数字化产品设计创新和软件增值的关键因素，是将来市场竞争力的重要表达。从医疗仪器领域来看，除了新的传感检测技术不断运用推广之外，对所收集信息的分析、存储和显示也提出了更高的目的。这就要求当代的医疗仪用具备更强大的计算和存储才能以及更稳定可靠的性能。另外，医疗仪器作为一个特殊的行业，又要求设备可以到达更高级别的环保要求。怎样进一步地智能化、专业化、小型化，同时做到低功耗、零污染，将会是一个无止境的追求经过，这为嵌入式系统在医疗仪器中的应用提供了更广阔的天地和更高的要求。我国目前有19.2万家医疗卫活力构，拥有的医疗仪器设备中有15%是上世纪
18、70年代前后的产品，需要更新换代，这将会推动将来几年甚至更长一段时间我国医疗仪器设备需求增长。2007是医疗体制改革启动之年，政府加大了公共卫生根底设施的投入，给医疗仪器带来较大的开展空间。根据“十一五规划，2007年“新农村合作医疗试点覆盖面将逐步扩大，2020年在全国根本推行，2020年实现根本覆盖农村居民的目的，这对于我国医疗仪器将是重大利好。同时，中国医疗仪器产品构造的调整，对嵌入式系统应用于医疗仪器也提供了一个很好的开展时机，同时也对嵌入式系统的开发者提出了新的挑战，开发出的产品除了应具有独特的创新功能外,开发者还应遵循一定的原那么。只有这样，才能使嵌入式系统在医疗仪器中的应用事半功倍。1代永陆，唐晓英，刘伟峰.基于嵌入式的多参数安康监护系统.电子应用技术，2006;9.2张海涛.嵌入式系统的设计及应用.北京：科学出版社，2007.3孙天泽.机遇与竞争并存2007年的嵌入式市场.程序员，2020;2.