李震 張金海 詹立新 王強(qiáng)

1 山東省醫(yī)療器械研究所 （ 濟(jì)南 250014）

2.山東質(zhì)量認(rèn)證中心 （ 濟(jì)南 250014）

0.引言

20世紀(jì)下半葉，隨著計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)以及信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，各種控制系統(tǒng)逐步引入計(jì)算機(jī)智能化控制，進(jìn)而取代繼電器控制模式。以計(jì)算機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)工作過(guò)程中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、處理以達(dá)到對(duì)

整個(gè)過(guò)程的監(jiān)控。在計(jì)算機(jī)趨于成熟的今天，嵌入式系統(tǒng)得到更大的發(fā)展。憑借其優(yōu)異的兼容性、高性能等方面的優(yōu)勢(shì)，使得嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。

1.嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)概念

根據(jù)IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置[1]”。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國(guó)內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[2]。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展

20世紀(jì)60年代出現(xiàn)“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”用于對(duì)電子機(jī)械電話交換控制就是嵌入式控制系統(tǒng)的雛形。隨著上世紀(jì)70年代intel公司成功地把控制器電路及算術(shù)運(yùn)算集成于一體，推出微處理器intel 4004，隨后出現(xiàn)intel 公司的8080/8086、Motorola公司的6800以及Zilog公司的MCB，從而誕生出“工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線”。到上世紀(jì)80年代，電子制造商把微處理器、I/O接口、A/D轉(zhuǎn)換、RAM/ROM及串行口集成于VLSI中，從而形成模塊化的單片機(jī)。上世紀(jì)90年代，在柔性制造、數(shù)字通信等技術(shù)需求下，嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械、儀器儀表、家電、通信以及工業(yè)控制方面取得長(zhǎng)足的發(fā)展。

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展可分為四個(gè)階段，第一階段是以單芯片為基礎(chǔ)的可編程控制器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)大都應(yīng)用于一些專業(yè)性較強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，通過(guò)匯編語(yǔ)言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制；第二階段是以嵌入式CPU為基礎(chǔ)，系統(tǒng)具有一定的兼容性和擴(kuò)展性，但用戶界面不夠友好；第三階段是以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，這一階段，系統(tǒng)兼容性好且效率高，并具有高度的模塊化和擴(kuò)展性。以通用型嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)如Windows CE等就是這一階段的典型代表。它能運(yùn)行在不同類型的微處理器上；具有強(qiáng)大的通用型操作系統(tǒng)的功能，具有大量的豐富的應(yīng)用程序接口和嵌入式應(yīng)用軟件；第四階段是以基于Internet為標(biāo)志的嵌入式系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)性。

1.3 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)核心是嵌入式微處理器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)[3～5]：

（1）集成度高：它是新技術(shù)密集、資金密集、快速更新的知識(shí)集成系統(tǒng)；

（2）專用性強(qiáng)：一般是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力以及網(wǎng)絡(luò)耦合能力較強(qiáng)；

（3）系統(tǒng)精煉：它一般與具體應(yīng)用相結(jié)合，無(wú)軟硬件明顯區(qū)分，不需要用戶對(duì)程序功能進(jìn)行修改；

（4）實(shí)時(shí)性好：對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度；

（5)存儲(chǔ)功能強(qiáng)：具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，為了避免在軟件模塊之間發(fā)生交叉錯(cuò)誤，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能；

（6)擴(kuò)展性能好：一般采用可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便最迅速地開(kāi)發(fā)出滿足應(yīng)用的嵌入式微處理器；

（7）低功耗：隨著便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備增多（如移動(dòng)電話、PDA、MP3、飛機(jī)、艦船、數(shù)碼相機(jī)等），為了延長(zhǎng)系統(tǒng)使用時(shí)間，要求功耗較低，有的只有mW甚至μW級(jí)。

（8）可裁剪性好：把嵌人式系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可裁剪的，以便開(kāi)發(fā)入員根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行量體裁衣，以達(dá)到系統(tǒng)最精簡(jiǎn)的配置。

（9）可靠性高：嵌入式系統(tǒng)所承擔(dān)的計(jì)算任務(wù)涉及產(chǎn)品質(zhì)量、人身設(shè)備安全、國(guó)家機(jī)密等重大事務(wù)，加之有些嵌入式系統(tǒng)的宿主對(duì)象要工作在無(wú)人值守的場(chǎng)合，所以對(duì)嵌入式系統(tǒng)可靠性的要求極高。

1.4 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域

目前嵌入式系統(tǒng)在以下領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展迅猛：

(1)傳感世界：傳感器網(wǎng)綜合了嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理；

(2)機(jī)器人：它是多種高新技術(shù)的集成體，它融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能、自動(dòng)控制、無(wú)線通信等許多學(xué)科的知識(shí)；

(3)身份識(shí)別：如何確定身份，保護(hù)信息安全是信息化時(shí)代必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。采用嵌入式技術(shù)和身份識(shí)別技術(shù)開(kāi)發(fā)的各種身份識(shí)別產(chǎn)品[6]，在現(xiàn)實(shí)中發(fā)揮著重要的作用；

(4)工業(yè)安全：隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度越來(lái)越高，工業(yè)安全成為安全生產(chǎn)的首要任務(wù)；

(5)網(wǎng)絡(luò)安全：通過(guò)因特網(wǎng)將世界聯(lián)到一起，信息安全發(fā)生了本質(zhì)性的變化，嵌入式網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，提供了較好的解決方法。

1.5 嵌入式操作系統(tǒng)的分類

嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成四類：

(1)單個(gè)微處理器系統(tǒng)

這類系統(tǒng)常利用在小型設(shè)備中如溫度傳感器、煙氣探測(cè)器及斷路器等中；

(2)不帶計(jì)時(shí)功能的微處理器裝置

這類系統(tǒng)常利用在過(guò)程控制、位置傳感器、信號(hào)放大器及閥門傳動(dòng)器等中；

(3)帶計(jì)時(shí)功能的組件

這類系統(tǒng)可見(jiàn)于開(kāi)關(guān)裝置、控制器、電梯、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、醫(yī)療監(jiān)視系統(tǒng)、診斷及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)等；

(4)在制造或過(guò)程控制中使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于這類系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)與儀器、機(jī)械及設(shè)備相連來(lái)控制這些裝置的工作。這類系統(tǒng)可包括自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)和自動(dòng)發(fā)貨系統(tǒng)。

2.嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成

嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序四個(gè)部分組成[7]，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

2.1 嵌入式硬件系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的硬件部分，包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。嵌入式微處理器對(duì)實(shí)時(shí)和多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。采用總線結(jié)構(gòu)便于部件和設(shè)備的擴(kuò)充，尤其是制定了統(tǒng)一的總線標(biāo)準(zhǔn)后更容易使不同的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互連。嵌入式系統(tǒng)的總線一般分為片內(nèi)總線和片外總線。片內(nèi)總線就是嵌入式微處理器內(nèi)的CPU 與片內(nèi)其他部件連接的總線；片外總線集成在嵌入式微處理器內(nèi)或外接芯片擴(kuò)展上，用于連接外部設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器分為高速緩存Cache、主存（片內(nèi)和片外）和外存。高速緩沖存儲(chǔ)器中存放的是當(dāng)前使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)，即主存中部分內(nèi)容的副本。主存是處理器能直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，用來(lái)存放系統(tǒng)和用戶的程序和數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)的主存可位于處理器內(nèi)和處理器外。片內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容容量小、速度快,片外存儲(chǔ)器容量大。外存是處理器不能直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)器，用來(lái)存放用戶的各種信息，容量大，存取速度相對(duì)于主存要慢的多，但它可以用來(lái)長(zhǎng)期保存用戶信息。在嵌入式系統(tǒng)中通常大多數(shù)接口和部分外設(shè)已經(jīng)集成到嵌入式處理器上，如Timer, UART, A/D, USB， RTC,D/A,DMA 控制器和終端控制器等等。

2.2 嵌入式軟件系統(tǒng)

嵌入式軟件就是基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件，由程序及其文檔組成，軟件可包括操作系統(tǒng)軟件和應(yīng)用程序編程。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為，操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，過(guò)去它主要應(yīng)用于工業(yè)控制和國(guó)防系統(tǒng)領(lǐng)域?，F(xiàn)在國(guó)際上有名的嵌入式操作系統(tǒng)有WindowsCE、Linux、Palm OS、VxWorks、QNX、pSOS、LynxOS、 OS-9等，已進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的國(guó)外產(chǎn)品有Microsoft、WindRiver、Nuclear和QNX等。支撐軟件是用于幫助和支持軟件開(kāi)發(fā)的軟件，通常包括數(shù)據(jù)庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具，其中以數(shù)據(jù)庫(kù)最為重要。國(guó)際上主要的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)有Sybase、Oracle等。嵌入式應(yīng)用軟件是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，基于某一固定的硬件平臺(tái)，用來(lái)達(dá)到用戶預(yù)期目標(biāo)的計(jì)算機(jī)軟件。

2.3 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng)軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等[8]。Linux 是目前最為流行的一款開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)， 在當(dāng)今開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)中，70%以上的項(xiàng)目選擇的Linux 作為嵌入式系統(tǒng)。另一種常見(jiàn)的嵌入式Linux是UcLinux,它去掉了內(nèi)存管理單元，該系統(tǒng)直接訪問(wèn)內(nèi)存，所有的程序中訪問(wèn)的地址都是物理地址。

嵌入式操作系統(tǒng)一般由內(nèi)核、嵌入式TCP/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、嵌入式文件系統(tǒng)等組成。內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必備的部分。它提供任務(wù)管理、內(nèi)存管理、通信、同步與互斥機(jī)制、中斷管理、時(shí)間管理及任務(wù)擴(kuò)展等功能。內(nèi)核還提供特定的應(yīng)用編程接口，但目前沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。嵌入式內(nèi)核功能包括以下幾方面：

2.3.1 任務(wù)管理

內(nèi)核的核心部分，具有任務(wù)調(diào)度、創(chuàng)建任務(wù)、刪除任務(wù)、掛起任務(wù)、解掛任務(wù)、設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)等功能。通用計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)追求的是最大的吞吐率，為了達(dá)到最佳整體性能，其調(diào)度原則是公平，采用Round-Robin 或可變優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，調(diào)度時(shí)機(jī)主要以時(shí)間片為主驅(qū)動(dòng)。而嵌入式操作系統(tǒng)多采用基于靜態(tài)優(yōu)先級(jí)的可搶占的調(diào)度，任務(wù)優(yōu)先級(jí)是在運(yùn)行前通過(guò)某種策略靜態(tài)分配好的，一旦有優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)就緒就馬上進(jìn)行調(diào)度。

2.3.2 內(nèi)存管理

嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理比較簡(jiǎn)單。通常不采用虛擬存儲(chǔ)管理，而采用靜態(tài)內(nèi)存分配和動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配相結(jié)合的管理方式。有些內(nèi)核利用MMU 機(jī)制提供內(nèi)存保護(hù)功能。通用操作系統(tǒng)廣泛使用了虛擬內(nèi)存的技術(shù)，為用戶提供一個(gè)功能強(qiáng)大的虛存管理機(jī)制。

2.3.3 通信、同步和互斥機(jī)制

這些機(jī)制提供任務(wù)間、任務(wù)與中斷處理程序間的通信、同步和互斥功能。一般包括信號(hào)量、消息、事件、異步信號(hào)和共享內(nèi)存等功能。與通用操作系統(tǒng)不同的是，嵌入式操作系統(tǒng)需要解決在這些機(jī)制的使用中出現(xiàn)的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

2.3.4 中斷管理

一般具有以下功能：安裝中斷服務(wù)程序，中斷發(fā)生時(shí)，對(duì)中斷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存，并且轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序上執(zhí)行；中斷退出前，對(duì)中斷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行恢復(fù)；中斷棧切換以及中斷退出時(shí)的任務(wù)調(diào)度功能。

2.3.5 時(shí)間管理

提供高精度、應(yīng)用可設(shè)置的系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘是嵌入式系統(tǒng)的時(shí)基，可設(shè)置為十毫秒以下。提供日歷時(shí)間，負(fù)責(zé)與時(shí)間相關(guān)的任務(wù)管理工作如任務(wù)對(duì)資源有限等待的計(jì)時(shí)、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度等，提供軟定時(shí)器的管理功能等。通用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘的精度由操作系統(tǒng)確定，應(yīng)用不可調(diào)，且一般是幾十個(gè)毫秒。

2.3.6 任務(wù)擴(kuò)展功能

任務(wù)擴(kuò)展功能就是在內(nèi)核中設(shè)置一些Hook的調(diào)用點(diǎn)，在這些調(diào)用點(diǎn)上內(nèi)核調(diào)用應(yīng)用設(shè)置的、應(yīng)用自己編寫的擴(kuò)展處理程序，以擴(kuò)展內(nèi)核的有關(guān)功能。Hook 調(diào)用點(diǎn)有任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)切換、任務(wù)刪除、出錯(cuò)處理等。

3.嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一般包括系統(tǒng)需求分析、體 系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟硬件及機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)測(cè)試以及產(chǎn)品改進(jìn)。

3.1 系統(tǒng)需求分析

確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并撰寫出設(shè)計(jì)規(guī)格任務(wù)書作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分為功能性需求和非功能性需求兩個(gè)方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號(hào)、操作方法等。非功能性需求通常包括系統(tǒng)的成本、性能、體積、重量、功率等因素。

3.2 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所指定的功能和非功能需求，包括對(duì)軟硬件和執(zhí)行裝置的功能劃分以及系統(tǒng)的軟硬件選型等，一個(gè)完整的體系結(jié)構(gòu)是衡量設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

3.3 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)基本步驟主要包括：系統(tǒng)描述、軟硬件功能劃分、協(xié)同仿真、測(cè)試驗(yàn)證[9]。基于體系結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的軟件、硬件以及機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。為了縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，設(shè)計(jì)流程通常是并行的。實(shí)際上嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作大部分是軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、軟硬組件技術(shù)以及模塊化設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的常用方法。

3.4 系統(tǒng)集成

將系統(tǒng)的軟硬件和執(zhí)行裝置集成在一起進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)設(shè)計(jì)流程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

3.5 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足規(guī)格任務(wù)書中指定的需求。

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法耗時(shí)耗成本的問(wèn)題，在各個(gè)環(huán)節(jié)都同時(shí)考慮和權(quán)衡硬件與軟件，最大限度地優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。支持并行工程以減少設(shè)計(jì)周期，采用設(shè)計(jì)自動(dòng)化或半自動(dòng)化技術(shù)以及集成可靠的軟硬件組件的方法提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，用驗(yàn)證測(cè)評(píng)技術(shù)及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

4.嵌入式系統(tǒng)與醫(yī)療器械

4.1 醫(yī)療器械對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求

鑒于醫(yī)療器械自身的特點(diǎn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品要求更高的控制精度、更強(qiáng)的安全性能、更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力及速度、較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性以及較強(qiáng)的與醫(yī)院管理系統(tǒng)匹配性，這往往需要多個(gè)嵌入式CPU同時(shí)作業(yè)，來(lái)提高其性能。

4.2 嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械產(chǎn)品方面普及率較高。醫(yī)療器械設(shè)計(jì)要求嵌入式系統(tǒng)具備以下幾點(diǎn)特征：

（1）模塊化設(shè)計(jì)：不同的醫(yī)療機(jī)構(gòu)對(duì)同一種產(chǎn)品功能要求不一致，就需要在基本功能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)不同的模塊，支持不同功能[10]。

（2）便攜式設(shè)計(jì)：醫(yī)護(hù)工作不分時(shí)間、地點(diǎn)，這就要求產(chǎn)品體積小、功耗低、易于使用。

（3）背板設(shè)計(jì)：為了節(jié)約資源，一般嵌入式系統(tǒng)都要求有背板[11]，以實(shí)現(xiàn)快系統(tǒng)多功能響應(yīng)。

（4）較長(zhǎng)的生命周期：醫(yī)療器械往往全天候工作，產(chǎn)品價(jià)格較高，更需要較長(zhǎng)的產(chǎn)品生命周期。

目前，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品應(yīng)用到醫(yī)療器械各個(gè)領(lǐng)域。生理檢測(cè)設(shè)備、化驗(yàn)設(shè)備、監(jiān)護(hù)設(shè)備、超聲波、核磁共振、X射線成像系統(tǒng)以及各種各樣的物理治療儀均需要嵌入式系統(tǒng)的支持。隨著數(shù)字化醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)療，HIS（醫(yī)院信息系統(tǒng)）、病人呼叫中心等理念的普及，更離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)先進(jìn)的技術(shù)支持。

4.3 嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械中的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展，醫(yī)護(hù)需求的提高，以嵌入式系統(tǒng)為支撐的醫(yī)療器械產(chǎn)品會(huì)在以下方面有較高的要求：

（1）產(chǎn)品性能：隨著精密儀器、高精尖技術(shù)以及生產(chǎn)工藝的發(fā)展，產(chǎn)品系統(tǒng)控制越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)嵌入式系統(tǒng)要求要有更高的處理能力、高可靠性以及高實(shí)時(shí)測(cè)試性。我們需要使用專為多內(nèi)核處理器設(shè)計(jì)的成熟的商業(yè)操作系統(tǒng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)支持與遠(yuǎn)程控制：隨著醫(yī)院數(shù)字化的發(fā)展，要求嵌入式系統(tǒng)要內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)接口、支持多種通信協(xié)議、支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸以及較強(qiáng)的數(shù)據(jù)保密能力[12]。嵌入式系統(tǒng)正朝網(wǎng)絡(luò)連接化發(fā)展，支持遠(yuǎn)程控制和現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)。許多嵌入式系統(tǒng)還需要圖形用戶界面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能。隨著計(jì)算技術(shù)由集中式計(jì)算、桌面計(jì)算、分布式計(jì)算向普適計(jì)算模式的演進(jìn)，支持網(wǎng)絡(luò)接入的嵌入式系統(tǒng)(如信息家電、智能導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制)會(huì)占主導(dǎo)地位。醫(yī)療器械開(kāi)發(fā)應(yīng)關(guān)注應(yīng)該選用或設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)什么樣的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，才能將這樣的嵌入式系統(tǒng)融入到網(wǎng)絡(luò)之中，一方面是要實(shí)現(xiàn)信息互通，更關(guān)鍵的是讓嵌入式系統(tǒng)享用豐富的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)，且隨著技術(shù)的發(fā)展其中大部分將轉(zhuǎn)為無(wú)線方式。

（3）開(kāi)發(fā)周期：隨著醫(yī)護(hù)要求越來(lái)越高，要求醫(yī)療器械產(chǎn)品更新速度加快，必須縮短嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的研發(fā)周期。盡可能采用多任務(wù)編程技術(shù)，研發(fā)更完善的交叉開(kāi)發(fā)工具。

（4）人-機(jī)界面：系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不能轉(zhuǎn)嫁給最終用戶。系統(tǒng)必須保持簡(jiǎn)單易用。智能手機(jī)已經(jīng)證明，小型設(shè)備也可以支持一個(gè)具有完整的多點(diǎn)觸摸屏幕、流暢的畫面切換和動(dòng)畫的直觀用戶界面。更人性的人-機(jī)界面是醫(yī)療器械產(chǎn)品永遠(yuǎn)的追求目標(biāo)，良好的人-機(jī)交互界面，靈活的控制方式將是一個(gè)永無(wú)止境的追求過(guò)程。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，視頻、音頻信息的處理水平越來(lái)越高，為嵌入式系統(tǒng)的多媒體化創(chuàng)造了良好的條件，嵌入式系統(tǒng)的多媒體化將變成現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，嵌入式系統(tǒng)需要提供多媒體化的人機(jī)交互，更加方便用戶使用。

（5）安全問(wèn)題：公眾對(duì)醫(yī)療安全問(wèn)題的關(guān)注度越來(lái)越升級(jí)。這就要求嵌入式系統(tǒng)既要遵從功能安全標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC61508 SIL 3，也要符合信息安全標(biāo)準(zhǔn)，例如ISO/IEC 15408 EAL 4+。既要考慮誤操作風(fēng)險(xiǎn)，又要考慮數(shù)據(jù)錯(cuò)誤帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

（6）低成本與低功耗：隨著便攜式醫(yī)療器械的增加，對(duì)設(shè)備能源要求越來(lái)越高。嵌人式硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高可靠性、低成本、低功耗的設(shè)計(jì)，包括微功耗材料／元器件的選擇及其IC設(shè)計(jì)、電源管理、模塊化設(shè)計(jì)與可復(fù)用性、系統(tǒng)的綜合布局。

（7）實(shí)時(shí)性：醫(yī)療設(shè)備是個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)該采用實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)[13]，比如實(shí)時(shí)Linux、uc/OS-II是必要的。在IT接口的設(shè)備上可以采用通用的操作系統(tǒng)，比如Windows和Linux，在設(shè)備的部件之間應(yīng)該采用具有實(shí)時(shí)的和容錯(cuò)能力的CAN技術(shù)。

（8）可診斷性：醫(yī)療設(shè)備的可用性要求很高，一般要求24小時(shí)工作甚至365天不間斷，使得設(shè)備應(yīng)該有一個(gè)方便且一致性好的診斷方式（軟件），能夠完成定期的檢測(cè)和診斷，有方便的診斷接口以及易識(shí)別的故障診斷報(bào)告等。

5.總結(jié)

本文從嵌入式系統(tǒng)的概念、發(fā)展、特點(diǎn)、分類以及設(shè)計(jì)方法講起，分析了其在在現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用分析，指出了其在醫(yī)療器械產(chǎn)品中的發(fā)展趨勢(shì)。相信不久的將來(lái)，未來(lái)的電子技術(shù)就主要指嵌入式系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，醫(yī)療設(shè)備則呈現(xiàn)便攜性和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)?？梢噪S身攜帶的血壓計(jì)、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀等必然會(huì)有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。網(wǎng)絡(luò)化早已進(jìn)入醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，通過(guò)有線或無(wú)線技術(shù)，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)正逐步使遠(yuǎn)程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)療器械產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新和軟件增值的關(guān)鍵要素。伴隨著新的傳感技術(shù)運(yùn)用、更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)處理能力以及更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸，加上醫(yī)療器械產(chǎn)品便攜要求，這為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療器械領(lǐng)域提供了一個(gè)更加廣闊的開(kāi)發(fā)空間。

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