基于A(yíng)DμC7O26硬件系統醫療儀器的設計和實(shí)現

在技術(shù)領(lǐng)域，醫療儀器設備則開(kāi)始呈現向便攜性和網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的趨勢?？梢噪S身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫院中使用的呼吸機、心電監護儀必然會(huì )有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。而網(wǎng)絡(luò )化的進(jìn)一步普及也正在進(jìn)入醫療儀器設備領(lǐng)域，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)，醫生可以遠程訪(fǎng)問(wèn)病人的資料;數字化網(wǎng)絡(luò )化的醫療檢測設備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫院的各個(gè)科室甚至是遠隔千里的不同醫院之間，從而節省了就醫者的時(shí)間和重復檢測的費用;而網(wǎng)絡(luò )化的醫療儀器設備和系統也使遠程醫療變?yōu)楝F實(shí)，身在某些不發(fā)達地區的重癥患者有可能通過(guò)遠程醫療獲得高水平醫生的救治而重獲新生。在我國，由于醫療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫療資源的缺乏和地區間分布不均衡引起了廣被詬病的看病難問(wèn)題。醫療儀器設備網(wǎng)絡(luò )化所帶來(lái)的這些益處對解決該問(wèn)題也有著(zhù)非?，F實(shí)的意義。

現代的醫學(xué)儀器一般都廣泛采用了嵌入式微處理器來(lái)增強儀器的智能化程度，提高其穩定性和數據處理的精確性，使醫學(xué)信號的采集、處理、通信一體化，并具有自診斷、自校驗等一系列優(yōu)點(diǎn)。其中ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式微型主板作為中央處理模塊，憑借自身體積小巧、功能強大、功耗低和穩定性強、采用硬件與指令雙重加速來(lái)提高性能和指令速度的優(yōu)勢得到廣泛的應用，成為多家醫療設備廠(chǎng)家的首選。

1 ADUC7026的結構與特點(diǎn)

ADC具有多達12路單端輸入。另外還可提供4路輸入與4個(gè)DAC輸出引腳復用。4路DAC輸出只是在特定型號上提供(ADuC7020和ADuC7026)。然而，在無(wú)DAC輸出的情況下，這些引腳仍然可以用作ADC的輸入引腳，這樣ADC的輸入最多可以達到16通道。ADC可以工作在單端或差分輸入模式下。ADC輸入電壓范圍為0 V至VREF. 低漂移帶隙基準電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC的外設設置。 根據器件型號不同，片內最多可內置4個(gè)緩沖電壓輸出DAC.通過(guò)編程可以將DAC輸出范圍設置為三種電壓范圍之一。 這些器件通過(guò)一個(gè)片內振蕩器和鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生41.78MHz的內部高頻時(shí)鐘信號。該時(shí)鐘信號通過(guò)一個(gè)可編程時(shí)鐘分頻器進(jìn)行中繼，在其中產(chǎn)生MCU內核時(shí)鐘工作頻率。微控制器內核為ARM7TDMI,它是一個(gè)16位/32位RISC機器，峰值性能最高可達41 MIPS.片內集成有8 KB SRAM和62 KB非易失性Flash/EE存儲器。ARM7TDMI內核將所有存儲器和寄存器視為一個(gè)線(xiàn)性陣列。

ADuC7026是美國ADI公司ADuC70xxARM系列中最典型的一種，其最大特點(diǎn)是具有一路12通道、12bit、速度達1MSPS的ADC;4路12bit的DAC;以及可編程邏輯陣列(PLA)等。ADuC7026的SPI口只有8位，只能與8位外部SPI接口器件通信。如果外設SPI口是16位的，如AD9833(DDS)，則只有采用普通I/O方式仿真SPI口進(jìn)行通信。ADuC7026所有I/O專(zhuān)用置1、清0寄存器GPxSET/GPxCLR都是只寫(xiě)的，不能讀!如果讀，輸入為全1(FF)，不是實(shí)際的輸出狀態(tài)。

所有ARM處理器一樣，ADuC7026的外部中斷也是電平觸發(fā)，高電平有效。電平觸發(fā)比邊沿觸發(fā)要可靠些，不易產(chǎn)生誤中斷(特別在中斷信號有毛刺時(shí))，但要注意在退出中斷處理程序前要撤銷(xiāo)中斷源的中斷請求，否則會(huì )連續觸發(fā)。如果確要使用邊沿觸發(fā)，可使用外部邏輯電路(或ADuC7026內部PLA將外部觸發(fā)信號的邊沿檢測出來(lái)，產(chǎn)生寬度不小于4.5us的正脈沖送到ADuC7026即可，ADuC7026本身還是電平觸發(fā)(無(wú)法改變的!)。其內部框圖如圖1所示。

2 ADμC7026硬件系統設計

目前，一般的醫學(xué)院校針對醫學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設了《醫用影像設備學(xué)》這門(mén)課程。由于一些實(shí)際的醫療儀器的控制部分都是集成在機器內部，很不方便學(xué)生完成單個(gè)電路的控制操作實(shí)驗，并且還存在著(zhù)諸如實(shí)驗設備昂貴、缺少、很難滿(mǎn)足學(xué)生的實(shí)際需要等客觀(guān)條件，為此結合醫學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況，以美國ADI公司生產(chǎn)的AUDC7026為核心開(kāi)發(fā)一款既可以用于學(xué)生完成一般的電路硬件實(shí)驗，又可以用于師生硬件開(kāi)發(fā)的ARM硬件系統，從而研制出適合學(xué)生完成醫療設備控制部分的實(shí)驗系統，以幫助學(xué)生從實(shí)踐中去掌握一些醫療儀器的基本組成、工作原理、接口電路以及硬件連接，并在此基礎上拓展軟、硬件開(kāi)發(fā)的基本能力，為培養學(xué)生的創(chuàng )新能力和今后的實(shí)際應用打下良好的基礎。所開(kāi)發(fā)的硬件系統組成結構示意圖如圖2所示。

2.1 晶振電路的設計

ADμC7026片上集成了一個(gè)32.768kHz晶振、一個(gè)時(shí)鐘分頻器和一個(gè)PLL(鎖相環(huán))。內部的PLL能夠將晶振頻率放大1376倍，即為系統提供一個(gè)穩定的45MHz。為了降低系統功耗，可以通過(guò)軟件設置時(shí)鐘分頻器的控制寄存器PLLCON和POWCON將經(jīng)過(guò)PLL后輸出的45MHz降頻，最大可降低至352kHz，由于內部晶振有±3%的誤差，因此，用戶(hù)可以選擇外接一個(gè)32.768kHz的晶振，通過(guò)軟件設置PLLCON值使用外部晶振，使系統的性能穩定可靠。

2.2 電源電路的設計

電源是系統可靠工作的保證，整個(gè)系統的外部電源輸入采用直流9V，系統的供電較為復雜，外接9V直流電源經(jīng)過(guò)以穩壓集成塊7805為核心的直流電源轉變?yōu)?V直流電壓，再經(jīng)高精度、低壓差穩壓芯片ADP3333轉為3.3V基準電壓輸出給主電路供電及部分外圍電路。

2.3 存儲器擴展電路的設計

ADμC7026片上集成了62kB的Flash存儲器，8kB的SRAM，ADμC7026片上Flash存儲器能夠通過(guò)串行編程模式、JTAG編程模式或并行編程模式在系統中編程。為了提高系統的存儲能力，這里用兩片不同的存儲器擴展了32kB×16的外部擴展存儲器。CY7C1020CV33是一種高性能、低功耗CMOS靜態(tài)隨機存儲器，并且具有自動(dòng)斷電功能。74INTl6373A是一個(gè)高性能、16位D型鎖存三態(tài)總線(xiàn)輸出的BiCMOS靜態(tài)隨機存儲器，其工作電壓為3.3V。

2.4 模數轉換與數模轉換

ADμC7026片上集成了16通道12位逐次逼近型ADC，能夠在電源電壓為2.7～3.6V的范圍正常工作，在系統時(shí)鐘頻率為45MHz下的最高采樣率高達1MSPS。該ADC模塊提供一個(gè)高精度、低漂移的片上2.5V基準電壓VREF，該電壓通過(guò)片上REFCON寄存器的軟件配置也能作為輸出，向外提供基準參考源。ADμC7026片上還集成有4通道12位DAC。每個(gè)DAC都具有軌至軌的輸出電壓范圍，驅動(dòng)能力可達100pF或者5kΩ，每個(gè)DAC也能通過(guò)軟件配置來(lái)選擇輸出范圍0至VREF(內部基準電壓)、0至DACref(外部基準電壓)和0至AVDD，而DACref(的取值范圍是0V至AVDD。

2.5 RS-232接口電路和JTAG接口電路

該ADμC7026(U1)的端口P1.1置和P1.0通過(guò)連接線(xiàn)連接到RS-232接口電纜(JB的)。接口電纜另一端可以直接連接到PC串行端口完成所需的電平轉換，完成串行編程模式功能。20針的標準JTAG連接器連接到ULINK仿真器以實(shí)現Flash下載和片上調試。如圖6所示。

2.6 復位、中斷、串行下載電路

提供一個(gè)復位按鈕允許用戶(hù)手動(dòng)復位，按下S3時(shí)，該ADμC7026 RESET引腳將被拉到DGND實(shí)現系統復位操作。當按下IRQ0的按鈕開(kāi)關(guān)S4時(shí)使ADμC7026的P0.4/IRQ0拉為高電平，用來(lái)啟動(dòng)一個(gè)外部中斷0。進(jìn)入串行下載模式，用戶(hù)必須按住串行下載按鈕S2使P0.0/BM低，同時(shí)按下和釋放復位按鈕。

3 ADUC7026系統在醫學(xué)設備上的應用

ADUC7026為核心的ARM硬件系統上可以拓寬許多專(zhuān)業(yè)實(shí)驗，特別是對影像設備課程的微觀(guān)實(shí)驗非常有益，如利用開(kāi)發(fā)的ARM硬件系統配置ARM核微處理器集成開(kāi)發(fā)工具，在μC/OS-II操作系統上，編寫(xiě)源程序來(lái)實(shí)現對X線(xiàn)機中的曝光時(shí)間、X線(xiàn)機管電壓、X線(xiàn)管管電流三大參數及其它輔助電路的控制，其控制框圖如圖8所示。

通過(guò)按動(dòng)控制面板表面的按鈕或觸摸屏，觀(guān)察LED或液晶屏的示數來(lái)精確調節曝光所需的管電壓、管電流，設定好管電壓、管電流數字由ARM控制系統后，按照精度要求通過(guò)數模轉換模擬控制電壓輸送到高壓控制器，控制X線(xiàn)管高壓與強電流，其操作的便利性、直觀(guān)性、管電壓、管電流的重復性、精確性均較傳統X線(xiàn)機有了質(zhì)的提高。且ARM控制電路尚可在曝光時(shí)對管電壓、管電流采樣，通過(guò)ADC將得到的二進(jìn)制數字信號通過(guò)I/O口輸入ARM系統，與預設值進(jìn)行比對，對差值部分在今后的曝光過(guò)程中進(jìn)行補償，通過(guò)這種負反饋的控制方式，即使在經(jīng)過(guò)一段較長(cháng)時(shí)間的使用后x線(xiàn)機的管電壓、管電流仍然能保持較高的重復性、精確性。

4 結束語(yǔ)

從醫療儀器領(lǐng)域發(fā)展來(lái)看，現在的醫療儀器不僅對其所采集信息的分析、存儲和顯示等方面提出了更高的要求而且要求其具有更強大的計算、存儲能力，更穩定可靠的性能，設備進(jìn)一步地智能化、專(zhuān)業(yè)化、小型化，同時(shí)做到低功耗、零污染。這就為ARM系統在醫療儀器中的應用提供了更廣闊的天地，這也必將不斷地推動(dòng)醫療儀器行業(yè)的飛速發(fā)展。