基于RK3399+5G的医用视频终端设计

Posted 2023-03-05 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

当前在各种先进的信息通信技术的驱动下，医疗行业已呈现出信息化、移动化、智能化的发展趋势。特别是 5G 通信技术的落地应用推动了智慧医疗行业的 蓬勃发展，涌现出大量基于 5G 技术的医疗健康应用与服务，进一步融合了 5G 、 物联网与大数据等先进信息技术，促进传统医疗服务向数字化、信息化、智慧化转型升级已成为行业研究与应用热点。其中，移动远程医疗场景作为智慧医疗体系中的重要应用领域，有效利用 5G 移动通信网络的技术优势，能够实现影像和生理体征等大量医疗异构数据的移动化采集与高速实时传输。由此，本文基于高 性能国产处理器，研究设计了一种融合 5G 通信技术的移动医用终端，并完成终端上医疗影像、检测等数据采集与传输应用软件开发。 本论文的主要研究工作及内容如下： 1. 研究分析了 5G 通信技术与移动医疗深度融合及其应用研究的发展现状与 趋势。根据移动医疗救护的实际应用场景与技术需求，对 5G 医用终端的功能与 技术指标进行了研究分析，选用高性能国产 RK3399Pro 处理器，在此基础上给出了 5G 医用终端系统软硬件总体方案，主要完成终端的 5G 网络接入、异构设备数据采集以及高清视频传输等功能设计。 2. 基于 Cadence 电路设计软件平台完成 5G 医用终端功能电路与整机系统原图设计。终端硬件平台主要包括以 RK3399Pro 处理器核心、配备 4GB 的 LPDDR4 内存模块、64GB 的 eMMC 存储模块、电源管理模块的核心主板，以及包含 5G 通 讯模块、Wi-Fi 模块、网口模块、显示模块、电源模块、通用串行外设接口的通 信接口板。然后，完成了 12 层的核心主板与 4 层的通信接口板的 PCB 版图设计， 并完成了 5G 医用终端硬件加工制作。 3. 在终端硬件实物完成的基础上，建立 RK3399Pro 处理器的 64 位 ARM 交叉 编译环境，移植了 U-Boot 、 Linux 内核、 Ubuntu 根文件系统以及相应的设备驱动， 然后基于 Ffmpeg 和 I/O 多路复用机制，完成 5G 医用终端数据采集传输的应用程 序设计开发，最后对基于高性能国产处理器的 5G 医用终端功能模块与整机系统进行了功能测试与应用验证。 作为 5G 技术重要垂直应用领域之一，自从 5G 通信技术问世以来， 5G 技术 不断在各行业落地应用，5G 技术改善医疗行业一直就是研究的热点。通过 5G 技 术将现有的医疗资源发挥更大的作用，将医疗服务不再因为地理位置而受到限制。 关于 5G 与医疗健康的研究主要包括 5G 智慧医疗系统架构、 5G 与医疗物联网技术的结合以及移动环境下的 5G 医疗健康技术。根据 5G 时代智慧医疗健康白皮书 [4] 总结出的基于 5G 的智慧医疗系统结构如图 1-1 所示，总体上可分为医疗资 源层、数据采集层、网络层、平台层以及应用层。         医疗资源层为医疗系统提供物质性保障，主要包括用于诊断救治的医药资源 以及医疗设备，奠定医疗体系的基础与医疗物联网数据的来源。数据采集层对应 于物联网体系中感知层面的技术，目的是实现各种医疗设备的数据采集。通过各 种医疗设备配置的异构通信接口、生理传感器、对医疗信息进行实时采集，然后 将采集到的数据提供给医院管理系统特定的接口，使数据得到进一步处理和管理。 该层面的技术就包括但不限于网关 AP 、物联网终端等相关技术。网络层利用 5G 基站、承载网、核心网作为医疗系统数字化信息的传输媒介。平台层主要实现智 能、准确、高效的医疗信息处理，利用先进的边缘计算、人工智能、云计算与大 数据等新技术运用，为前端的应用输出有价值的信息。应用层上主要针对行业的实际需求，实现成熟多样的医疗信息化应用。

根据对 5G 移动医疗终端系统应用需求分析后，设计基于 RK3399Pro 处理器 的终端系统总体结构如图 3-2 所示。终端以瑞芯微 RK3399Pro 处理器作为主处理 单元，通过配置内存、存储、电源以及多种外设接口，使终端具备一个全功能的 医用物联网网关的硬件配置。 对于终端的硬件设计关键点，其一为提高 PCB 的集成度，如何在保证功能实 现的同时尽可能缩小面积与制造成本；其二为保证高速接口信号传输的完整性， 使其高速数据传输的性能不因硬件设计而受限，充分发挥硬件能力。

 

现代的智能终端设备中，双倍速率同步动态随机存储器（ Double Data Rate SDRAM， DDR ）属于标配器件，系统应用程序的运行离不开 DDR 。在相同的硬 件条件下，内存越大，系统性能更高。RK3399Pro 宏观上可看作由 CPU 部分 RK3399 与独立的 NPU 运算单元组成，并且 NPU 部分可配置独立的 2GB LPDDR3 内存，用于加快各种智能算法的运算速度。因此，为了更好地提高终端性能， DDR 器件选用第三代低功耗双数据速率内存（ Low Power Double Data Rate 3 ， LPDDR3 ）、第四代低功耗双数据速率内存（ Low Power Double Data Rate 4 ， LPDDR4）器件。 对于终端存储功能的需求，设计中提供两种存储方式，其一现代的移动终端 设备（手机、平板）中常使用嵌入式媒体卡 [39] （ Embedded Multi Media Card ， eMMC）。并且 eMMC 在嵌入式系统中，作为存储设备，起到硬盘一样的作用， 用于存储系统镜像、引导操作系统启动。另一种方式为 SD 卡外置存储，对于需 要存储的大容量数据，可配备外置的高速存储卡。 eMMC 中包含 NAND Flash 控制器和 NAND Flash 存储介质。 NAND Flash 由内部控制器管理，它管理 ECC 、磨损平整和坏块管理。 eMMC 控制器对复杂的NAND Flash 管理提供的标准的集成封装，SOC 通过 NAND Flash 控制器访问 NAND Flash，完成数据读写操作。经过封装后的接口模块，可通过简单的连接关 系至 SOC 。 eMMC 与 SOC 之间的工作关系如图 3-3 所示。 3.4 终端软件系统架构设计 5G 医用终端软件系统架构如图 3-4 所示，包含 Linux 系统以及应用程序。软 件系统需以 RK3399Pro 处理器为硬件基础，在 Linux 系统下，移植 BootLoader 、 内核、设备驱动等完成对硬件层的适配，以提供终端应用程序的运行环境。因此， 对终端软件系统的开发设计包含硬件驱动、操作系统、应用软件等多方面。

 

设备驱动部分实现核心为根据板级硬件信息，在 Linux 系统下驱动硬件模块的全功能实现，为应用软件提供对外设接口的读写数据功能。对于 Linux 系统及 其驱动框架的运用是实现硬件功能驱动的关键。 数据采集部分实现需要保证多设备接口采集的并行性与实时性。因此，程序 不仅要针对具体的医疗设备接口，根据设备的协议规范，从接口数据中解析出需 要的目标值，同时还需保证多接口同时采集，保证数据之间的实时有效性。 视频传输功能具体包括从环境的摄像头中采集出高清音视频流，在终端平台 处理后，通过 5G 网络推送给远程医疗中心。如何减少处理流程的时延，保证视频的高质量为该部分程序的关键。 状态监控部分提供对终端平台运行状态的管理控制功能，实时获取终端平台 的各项状态信息，比如内存、CPU 、通信接口速率等。网页显示部分让终端的状 态数据让用户可视化，具备良好的人机交互性。以此，来实现终端面向移动医院 的完整应用软件系统。 针对以上业务需求，如何实现系统多任务处理的有序调度，是保证终端软件系统可靠性、健壮性的关键。