嵌入式系統(tǒng)及其在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用

國際金屬加工網(wǎng)

　　嵌入式系統(tǒng)是先進的計算機技術(shù)世荐、半導(dǎo)體技術(shù)羞遭、電子技術(shù)以及各種具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集俩堡、資金密集拳股、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識系統(tǒng)氏诽。
　　嵌入式系統(tǒng)是計算機技術(shù)事匈、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)壳凳、微電子技術(shù)址敢、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品浆左，反映當(dāng)代最新技術(shù)的先進水平挥闸。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今非常熱門的研究領(lǐng)域，在PC市場已趨于穩(wěn)定的今天伪节，嵌入式系統(tǒng)市場的發(fā)展速度卻正在加快光羞。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展怀大。根據(jù)美國嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報道纱兑，在21世紀(jì)初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場需求量具有比PC市場大10～100倍的商機化借。
　　有機構(gòu)估計潜慎，全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場將超過1萬億美元。隨著技術(shù)的發(fā)展蓖康，業(yè)內(nèi)對嵌入式系統(tǒng)的定義也越來越清晰铐炫。它是微處理器、大規(guī)模集成電路钓瞭、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果驳遵，其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統(tǒng)80%的工作量。嵌入式系統(tǒng)不同于一般PC 機上的應(yīng)用系統(tǒng)山涡，即使是針對不同的具體應(yīng)用而設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)之間的差別也很大堤结。嵌入式系統(tǒng)一般功能單一、簡單爱饲，且在兼容性方面要求不高肢阿，但是在大小宿闯、成本方面限制較多〉樯停可以說危厕，嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術(shù)藏崇。
嵌入式系統(tǒng)歷史及發(fā)展趨勢
　　事實上稻扔，在很早以前，嵌入式這個概念就已經(jīng)存在了短揉。在通信方面伞下，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于對電子機械電話交換的控制，當(dāng)時被稱為“存儲式程序控制系統(tǒng)”（Stored Program Control）刚肠。
　　嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問世之后辛蕊。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運算器和控制器電路集成在一起冒晰，推出了第一款微處理器Intel 4004同衣，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器壶运，包括Intel 8080/8085耐齐、8086，Motorola 的6800前弯、68000蚪缀，以及Zilog的Z80秫逝、Z8000等恕出。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備违帆、機器人浙巫、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個廣闊的嵌入式應(yīng)用市場刷后，計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品的畴，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板尝胆，從而構(gòu)成專用的嵌入式計算機系統(tǒng)丧裁，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。
　　為靈活兼容考慮环壳，出現(xiàn)了系列化央嘱、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列乞瑰、Zilog公司的MCB等馏纱。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設(shè)計一臺專用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專用計算機系統(tǒng)素牌。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產(chǎn)品碳携，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統(tǒng)，因此希望插件相互兼容墓且，從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機系統(tǒng)總線的誕生临辰。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ讲媚。1978年由Prolog設(shè)計的簡單STD總線廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)收斑。
　　20世紀(jì)80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時代玲躯。隨著微電子工藝水平的提高据德，集成電路制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口跷车、A/D棘利、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM朽缴、ROM等部件全部集成到一個VLSI中善玫，從而制造出面向I/O設(shè)計的微控制器，即俗稱的單片機密强，成為嵌入式計算機系統(tǒng)異軍突起的一支新秀茅郎。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進一步提升了嵌入式計算機系統(tǒng)的技術(shù)水平，并迅速滲入到消費電子或渤、醫(yī)療儀器系冗、智能控制、通信電子薪鹦、儀器儀表掌敬、交通運輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域。
　　20世紀(jì)90年代池磁，在分布控制犀刀、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下捻尉，嵌入式系統(tǒng)進一步加速發(fā)展饮茬。面向?qū)崟r信號處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度候钟、低功耗發(fā)展拉狸。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展据鼓。在應(yīng)用方面荸刁，發(fā)展也較為迅速帅忌。特別是掌上電腦，1997年在美國市場上掌上電腦不過四五個品牌态措，而1998年底此幕，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來。此外桑抱，Nokia推出了智能電話签缸，西門子推出了機頂盒，Wyse推出了智能終端左腔，NS推出了WebPAD唧垦。21世紀(jì)無疑是一個網(wǎng)絡(luò)的時代，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向液样。嵌入式系統(tǒng)在各個領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿薮笳窳粒湓卺t(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。
嵌入式系統(tǒng)
　　嵌入式系統(tǒng)的定義及分類
　　嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心鞭莽，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)坊秸，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能澎怒、可靠性褒搔、成本、體積喷面、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)星瘾。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備惧辈、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等部分組成（見圖1）琳状，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能先俐。
　　嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)丘三，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器坷字、存儲器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等疲些。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）和應(yīng)用程序編程通肋。有時設(shè)計人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用眷抠。
　　嵌入式系統(tǒng)通沉睿可按圖2分類。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天漏踊、交通想祝、電子昵人、醫(yī)療儀器、通信览讳、工控誊酌、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用露乏。
　　嵌入式系統(tǒng)的特點
　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器碧浊。嵌入式微處理器一般具備以下特點：
　　（1）對實時多任務(wù)有很強的支持能力瘟仿，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間箱锐，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度;
　　（2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能劳较。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化驹止，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能观蜗，同時也有利于軟件診斷;
　〈鄙凇（3）可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以便最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器;
　∩┍恪（4）嵌入式微處理器必須功耗很低捞镰，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級毙替。
　　嵌入式系統(tǒng)同通用型計算機系統(tǒng)相比具有六大重要特征
　“妒邸（1）專用性強：嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中弯枢，它通常都具有功耗低玖远、體積小、集成度高等特點涡瀑，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部契惶，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計趨于小型化，移動能力大大增強婉错，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密;
　〔得伞（2）知識集成度高：嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物姐药。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集组缎、資金密集、高度分散削晦、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng);
　∑雍洹（3）系統(tǒng)內(nèi)核小：嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計挥昵，量體裁衣唆阿、去除冗余益涧，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力;
　⊙北睢（4）系統(tǒng)精簡：嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起闲询，一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分。它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行臼隔，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場嘹裂，便具有較長的生命周期;
　　（5）高實時性和可靠性：為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性摔握，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中寄狼，而不是存儲于磁盤等載體中;
　　（6）系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力氨淌，設(shè)計完成以后用戶通常不能直接對其中的程序功能進行修改泊愧，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。
嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用
　　醫(yī)療儀器設(shè)備的最新發(fā)展趨勢
　　進入2008年盛正，越來越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域删咱。近期，德國矢骚、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領(lǐng)域加大投入凭坪。而我國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也將在2008年繼續(xù)其備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級別的投入將增加全社會對醫(yī)療儀器設(shè)備的需求县防。隨著生活水平的不斷提高连谁，人們對于自身健康的關(guān)注也提升到一個前所未有的高度。今天窍蟹，越來越多的高科技手段開始運用到醫(yī)療儀器的設(shè)計中醋皂。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測設(shè)備舟到，各類型的監(jiān)護儀器辖芍、超聲波、X射線成影設(shè)備章理、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開始在各地醫(yī)院廣泛使用所硅。遠程醫(yī)療、HIS丙卧、病人呼叫中心琴致、數(shù)字化醫(yī)院等先進理念的出現(xiàn)和應(yīng)用，使醫(yī)院的管理比以往任何時候都更加完善和高效洪鸭，同時病人享受到更加快捷方便和人性化的服務(wù)。
　　在技術(shù)領(lǐng)域仑扑，醫(yī)療儀器設(shè)備則開始呈現(xiàn)向便攜性和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢览爵≈帽牵可以隨身攜帶的血壓計、血糖儀蜓竹，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機箕母、心電監(jiān)護儀必然會有越來越大的市場需求。而網(wǎng)絡(luò)化的進一步普及也正在進入醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域俱济，通過有線或無線技術(shù)嘶是，醫(yī)生可以遠程訪問病人的資料;數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測設(shè)備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫(yī)院的各個科室甚至是遠隔千里的不同醫(yī)院之間，從而節(jié)省了就醫(yī)者的時間和重復(fù)檢測的費用;而網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療儀器設(shè)備和系統(tǒng)也使遠程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實蛛碌，身在某些不發(fā)達地區(qū)的重癥患者有可能通過遠程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生聂喇。在我國，由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問題蔚携。醫(yī)療儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化所帶來的這些益處對解決該問題也有著非诚Ｌ現(xiàn)實的意義。
嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用
　　由于醫(yī)療儀器設(shè)備固有的自身特點和以上提到的最新發(fā)展趨勢的要求那辰，用于醫(yī)療儀器設(shè)備的技術(shù)和系統(tǒng)也應(yīng)該與這些特點和要求相適應(yīng)拳鹉。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備，符合發(fā)展趨勢帶來的要求和變化绑燃。
　　醫(yī)療儀器領(lǐng)域大量醫(yī)療儀器的應(yīng)用乍之，如心臟起搏器、放射設(shè)備及分析監(jiān)護設(shè)備出毁，都需要嵌入式系統(tǒng)的支持促奇。各種化驗設(shè)備，如肌動電流描記器酌峻、離散光度化學(xué)分析盈综、分光光度計等坊阎，都需要使用高性能的寒圃、專用化的DSP系統(tǒng)來提高其精度和速度。引入嵌入式系統(tǒng)后惶政，現(xiàn)有的各種監(jiān)護儀的功能與性能都將得到大幅度的提高背涉。
　　一般來說，醫(yī)療系統(tǒng)都非常龐大移必，但我們看到的一個趨勢是便攜式室谚、低成本產(chǎn)品漸漸流行。便攜醫(yī)療產(chǎn)品可分為兩種：一種是手持產(chǎn)品崔泵，如用于患者監(jiān)控的產(chǎn)品秒赤，像測量脈搏、血壓等的產(chǎn)品憎瘸，醫(yī)生可以隨身攜帶;另一種則不一定能夠隨身攜帶入篮，但它們是低成本陈瘦、簡單的設(shè)備潮售，一般用于設(shè)備較簡單的醫(yī)院痊项。針對便攜化的趨勢酥诽，要求醫(yī)療電子設(shè)備必須具備體積小鞍泉、功耗低肮帐、價格低和易于使用的特點。
　　在醫(yī)療儀器的設(shè)計方面依堆，有三個設(shè)計策略非常重要：一是采用模塊化設(shè)計方法，采用這種方法可以在基本的平臺上設(shè)計出不同型號的產(chǎn)品;二是背板設(shè)計方法驮荚，每個大系統(tǒng)一般都會有背板蔼紫，上面可以插很多不同的板，它可以使系統(tǒng)的速度很快;三是便攜產(chǎn)品兆送。由于嵌入式系統(tǒng)具有的特點恒焕，上述醫(yī)療儀器設(shè)計策略都可以采用嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。
　　在醫(yī)療儀器應(yīng)用中棺距，嵌入式系統(tǒng)的普及率非常高余二。在設(shè)計過程中，根據(jù)需要對嵌入式系統(tǒng)重新編程榴蜻，可避免前端流片（NRE）成本，減少和ASIC相關(guān)的訂量瞎喉，降低芯片多次試制的巨大風(fēng)險好唯。此外，隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展或者當(dāng)需求出現(xiàn)變化時燥翅，還可以在現(xiàn)場更新骑篙。而且，設(shè)計人員能夠反復(fù)使用公共硬件平臺森书，在一個基本設(shè)計基礎(chǔ)上靶端，建立不同的系統(tǒng)，支持各種功能凛膏，從而大大降低了生成成本杨名。使產(chǎn)品具有較長的生命周期，可以保護醫(yī)療儀器不會太快過時，醫(yī)療行業(yè)的產(chǎn)品生命周期比較長镣煮，因此這一特性非常重要〗慊簦現(xiàn)代數(shù)字醫(yī)療儀器設(shè)備不但包括診療設(shè)備鄙麦，而且還有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和接口軟件典唇。嵌入式系統(tǒng)可為醫(yī)療儀器設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)和使用提供先進的技術(shù)支持胯府。
嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用前景
　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展贾焊，數(shù)字化產(chǎn)品空前繁榮。嵌入式軟件已經(jīng)成為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新和軟件增值的關(guān)鍵因素痪猛，是未來市場競爭力的重要體現(xiàn)占赤。從醫(yī)療儀器領(lǐng)域來看，除了新的傳感檢測技術(shù)不斷運用推廣之外算换，對所采集信息的分析嫩玻、存儲和顯示也提出了更高的目標(biāo)。這就要求現(xiàn)代的醫(yī)療儀器具備更強大的計算和存儲能力以及更穩(wěn)定可靠的性能客惨。另外尘腕，醫(yī)療儀器作為一個特殊的行業(yè)，又要求設(shè)備能夠達到更高級別的環(huán)保要求践赁。如何進一步地智能化摸马、專業(yè)化、小型化胧扇，同時做到低功耗五逢、零污染，將會是一個無止境的追求過程牢贸，這為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用提供了更廣闊的天地和更高的要求竹观。
　　我國目前有19.2萬家醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)，擁有的醫(yī)療儀器設(shè)備中有15%是上世紀(jì)70年代前后的產(chǎn)品潜索，需要更新?lián)Q代臭增，這將會推動未來幾年甚至更長一段時間我國醫(yī)療儀器設(shè)備需求增長。2007是醫(yī)療體制改革啟動之年帮辟，政府加大了公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施的投入速址，給醫(yī)療儀器帶來較大的發(fā)展空間。根據(jù)“十一五”規(guī)劃由驹，2007年“新農(nóng)村合作醫(yī)療”試點覆蓋面將逐步擴大芍锚，2008年在全國基本推行，2010年實現(xiàn)基本覆蓋農(nóng)村居民的目標(biāo)蔓榄，這對于我國醫(yī)療儀器將是重大利好并炮。同時，中國醫(yī)療儀器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器也提供了一個很好的發(fā)展機會逃魄，同時也對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)荤西，開發(fā)出的產(chǎn)品除了應(yīng)具有獨特的創(chuàng)新功能外,開發(fā)者還應(yīng)遵循一定的原則。只有這樣窄兜，才能使嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用事半功倍饲肪。

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電子軟件儀表量具傳輸機械

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