基于A(yíng)RM核的微處理器ADμC7024在醫療電子中的應用
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0 引言
隨著(zhù)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的提高，極大地推動(dòng)了醫療電子設備的發(fā)展，當今醫療電子設備的發(fā)展趨勢是高精度、實(shí)時(shí)性、低功耗和小尺寸，作為醫療電子設備中核心地位的MCU（微處理器）也隨著(zhù)這一發(fā)展趨勢向前不斷衍變著(zhù)。由早期的8位MCU發(fā)展到目前的32位RISC（精簡(jiǎn)指令集計算機）MCU。美國ADI公司根據市場(chǎng)的需要最新推出了一款基于A(yíng)RM（高級精簡(jiǎn)指令集計算機）核的微處理器ADμC7024便是目前32位RISC MCU的杰出代表。ADμC7024卓越的處理能力、集成眾多片上外圍器件和芯片低功耗的特點(diǎn)，完全勝任目前醫療電子設備的需求及未來(lái)的發(fā)展目標。
本文以ADμC7024在醫療電子中監護產(chǎn)品脈搏血氧計的應用為例，重點(diǎn)介紹其在醫療電子行業(yè)中的實(shí)際用途。
1 ARM內核特點(diǎn)
英國ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP（知識產(chǎn)權）供應商，它為ARM架構處理器提供ARM處理器內核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI及ARM10TDMI等）。由各半導體公司在上述處理器內核基礎上進(jìn)行再設計，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種MCU。目前基于A(yíng)RM內核的芯片在嵌入式處理器市場(chǎng)上占據75％的份額。
ARM作為嵌入式系統的處理器，具有低電壓，低功耗和高集成度等特點(diǎn)，并具有開(kāi)放性和可擴充性。事實(shí)上，ARM內核已成為嵌入式系統首選的處理器內核。而對于醫療電子設備而言，并不需要圖像處理等方面更高的要求，因此，ARM7TDMI內核以0.9MIPS（百萬(wàn)條指令每秒）/MHz的高效處理能力足以滿(mǎn)足應用需要。
ARM7TDMI內核是ARM核系列中32位通用內核中的一個(gè)產(chǎn)品，它采用三級流水線(xiàn)結構，指令的執行分成取指、譯值和執行3個(gè)階段。運算器能夠實(shí)現32位整數運算。內核不但能夠執行32位高效ARM指令，同時(shí)還支持簡(jiǎn)潔的16位Thumb指令集以提高代碼密度。
ARM7TDMI名稱(chēng)的含義為：
a）ARM7：ARM系列具有32位運算能力的內核，它采用馮·諾依曼結構，數據長(cháng)度可以是8位，16位和32位，而指令長(cháng)度是32位。
b）T：內含16位壓縮指令集Thumb，由于32位RISC型處理器的指令代碼利用率較低，ARM為了彌補不足，在新型ARM架構（V4T版以上，成熟架構由V3版發(fā)展到V6版）定義了16位的Thumb指令集，Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC處理器具有更好的代碼密度，而芯片面積只增加6％，可使程序存儲器更小。
c）D：支持片內調試，該內核包含用于調試的硬件結構，可使CPU進(jìn)入調試模塊，可以方便地進(jìn)行斷點(diǎn)觀(guān)察點(diǎn)設置、單步調試和多步調試
d）M：采用增強型乘法器。AARM7TDMI指令集包含2個(gè)32位×32位的乘法指令和2個(gè)乘法累加MAC指令，該結構使得指令的執行比其他類(lèi)型的ARM7內核減小了許多機器周期。
e）I：內含嵌入式ICE宏單元，ARM架構的處理器芯片都嵌入了Embedded ICE－RT邏輯塊，便于通過(guò)JTAG接口來(lái)仿真調試RAM架構芯片。
2 芯片內部結構及特點(diǎn)
美國ADI公司利用其在模擬電路領(lǐng)域的優(yōu)勢，綜合基于8052－8位ADμC8xx的技術(shù)積累，將ARM7TDMI內核和ADC（A/D轉換器），DAC（D/A轉換器）等外圍設備集成在一塊芯片上，就是最近推向市場(chǎng)的拳頭產(chǎn)品ADμC702x系列。其中ADμC7020、ADμC7021、ADμC7022、ADμC7026等芯片除了在片上Flash和SRAM容量大小、ADC和DAC通道數量、PWM（脈寬調制）相位數量有差別外，其他完全一致；而ADμC7026，ADμC7027具有外部擴展內存接口。
本文主要介紹其中具有代表性的一款--ADμC7024，工業(yè)級的ADμC7024工作于2.7V－3.6V電源電壓，64引腳CSP封裝的芯片面積僅為9mm×9mm，在1MHz時(shí)鐘頻率下芯片最高功耗為5mA，在最大時(shí)鐘頻率45MHz下芯片最高功耗為60mA。其原理框圖如圖1所示。
2.1 片上集成高性能的ADC和DAC
ADμC7024片上集成了10通道12位逐次逼近型ADC，能夠在電源電壓為2.7V－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（百萬(wàn)次采樣每秒）。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。ADC能夠工作于單端轉換模式或者差分轉換模式，在單端轉換模式下的輸入電壓范圍是0至VREF，在差分轉換模式下輸入電壓范圍是0至AVDD（AVDD通常情況下為3.3V）ADC單個(gè)或連續的轉換能夠被外部引腳CONVstar、片上PLA、定時(shí)器1或定時(shí)器2所觸發(fā)。
通過(guò)ADC控制寄存器ADCCON，通道選擇寄存器ADCCP和ADCCN軟件配置好ADC后，轉換結果將存儲在寄存器ADCDAT位27至位16中，通過(guò)ADC狀態(tài)寄存器ADCSTA的位0可以查看ADC轉換是否完成，當ADC轉換結束時(shí)，位0被置位；當讀取ADC－DAT時(shí)，該位自動(dòng)被清空。當ADC正在執行轉換操作時(shí)，片上引腳ADCBusy保持高電平，一旦轉換結束，該引腳馬上變?yōu)榈碗娖健?
還可以通過(guò)ADCRST寄存器將ADC模塊中所有寄存器恢復至默認值；通過(guò)調整ADCOF和ADCGN寄存器的值可以調整ADC轉換精度，不過(guò)，該寄存器出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)過(guò)校準。
由于該ADC的是逐次逼近型結構，因此比較適合低功耗的產(chǎn)品應用。
ADμC7024片上還集成有2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。
DAC的使用十分簡(jiǎn)單，通過(guò)DAC控制寄存器DAC0CON或者DAC1CON來(lái)選擇通道和配置DAC通道特性，然后通過(guò)向DAC0CON或DAC1CON的位27至位16寫(xiě)入數值，就可以在DAC引腳上得到所需要的模擬電壓結果。
2.2 片上集成Flash寄存器和SRAM
ADμC7024片上集成了64KB的Flash存儲器，其中低62KB的Flash存儲器是用戶(hù)可以編程的，剩下的高2kB區域是用戶(hù)不可接觸的固件程序，里面包含了在線(xiàn)串行下載程序及出廠(chǎng)配置默認方案。ADμC7024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。
1）串行編程模式
當片上BM引腳芯片被拉低時(shí)，ADμC7024重啟動(dòng)將進(jìn)入串行下載模式，通過(guò)標準的UART端口或IIC端口在線(xiàn)下載程序。
2）并行編程模式
并行編程協(xié)議使得片上Flash存儲器能夠通過(guò)工業(yè)級第三方編程器進(jìn)行編程。
3）JTAG編程模式
ADμC7024片上Flash存儲器完全遵守IEEE 1149.1規范，因而可以通過(guò)標準的JTAG接口來(lái)下載程序和進(jìn)行調試代碼，使得系統的開(kāi)發(fā)十分簡(jiǎn)單易行。
而ADμC7024片上Flash存儲器通過(guò)FEEPRO、FEEHIDE寄存器的軟件設置可以防止程序通過(guò)JTAG接口或并行編程模式被讀出，有效地保障了開(kāi)發(fā)人員的勞動(dòng)成果。
2.3 晶振和PLL
ADμC7024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。
2.4 復用I/O及標準的UART、SPI、IIC
ADμC7024提供30個(gè)通用型雙向I/O引腳。所有的I/O引腳具有5V電壓耐壓能力，一些I/O引腳中與其他外圍設備引腳復用。在默認情況下，所有的GPIO都是I/O模式，如果在實(shí)際中需要將I/O口復用成其他情況的，只需要按照I/O控制配置寄存器GPxCON的手冊配置方案軟件編程即可（這里x表示端口0，端口1，…，端口4，如1端口5引腳則是P1.5）。在配置成I/O情況下，可以通過(guò)置位數據寄存器GPxDAT中某些位的值使引腳輸出"1"；同時(shí)可以清除數據寄存器GPxDAT中的某些位的值使引腳輸出"0"；還可以讀數據寄存器GPxDAT中某些位的值得到輸入引腳的值（x同前面介紹，具體設置請參考ADμC7024手冊）。
ADμC7024片上集成了2個(gè)標準的、全雙工模式的異步串口UART（通用異步收發(fā)器），它們與16450串口標準所兼容。片上UART的波特率產(chǎn)生器中包含一個(gè)小數分頻器，使得UART波特率的產(chǎn)生更加精確。同時(shí)，其中一個(gè)UART還支持網(wǎng)絡(luò )尋址模式下的串口發(fā)送接收模式。UART的使用首先通過(guò)I/O的配置成UART端口引腳。然后通過(guò)軟件配置UART配置寄存器及波特率設定寄存器就可以通過(guò)COMTX寄存器、COMRX寄存器分別發(fā)送和接收數據。
ADμC7024片上也集成了標準工業(yè)級同步串口SPI（串行外圍接口），SPI接口可以同步接收和發(fā)送8位數據，最高速率可達5.6Mbit/s。該SPI能夠被配置成主（Master）或者從（Slave）兩種工作模式，關(guān)于SPI使能、選擇工作模式、串行時(shí)鐘相位及極性、先發(fā)送低有效位還是高有效位等多項設置，均是通過(guò)SPICON編程而得到，而主模式發(fā)送的串行時(shí)鐘頻率由SPIDIV來(lái)設定，從模式則不用設定串行時(shí)鐘頻率，因為串行時(shí)鐘是由主模式的SPI來(lái)決定的，通過(guò)讀取SPISTA中某些數據位的值，可以知道SPI是否發(fā)送結束或者接收結束。
ADμC7024還具有兩個(gè)經(jīng)Philips公司授權的IIC接口，IIC是Philips公司20世紀80年代開(kāi)發(fā)的一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線(xiàn)總線(xiàn)，包括一條數據線(xiàn)和一條時(shí)鐘線(xiàn)，速率有100kHz和400kHz兩種方式，目前IIC已經(jīng)成為重要的全球業(yè)界標準，被所有主要的集成電路廠(chǎng)商所認同和使用。它采用主－從通信方式，采用總線(xiàn)仲裁特性，使得在某一時(shí)刻只有兩個(gè)器件進(jìn)行通信，具體數據指標參考ADμC7024數據手冊。
2.5 中斷系統
中斷系統是一個(gè)MCU在應用中的靈魂所在。ADμC7024片上中斷控制器控制著(zhù)24個(gè)中斷源。這些中斷源包括片上ADC中斷、UART中斷、2個(gè)外部中斷請求XIRQ0和XIRQ1等，而ARM7TDMI內核僅僅將這些中斷源分成兩大類(lèi)來(lái)識別，一類(lèi)是IRQ，另一類(lèi)是FIQ。所有中斷源能夠單獨地被屏蔽。中斷系統的控制和配置管理由9個(gè)關(guān)于中斷方面的寄存器所控制，4個(gè)涉及到IRQ的寄存器、4個(gè)涉及到FIQ的寄存器，1個(gè)用來(lái)選擇已編程的中斷源寄存器SWICFG。雖然作為一個(gè)已編程的中斷源是不能夠被屏蔽掉的，但是它們可以被SWICFG來(lái)控制。
2.6 定時(shí)器
ADμC7024有4個(gè)通用定時(shí)器：定時(shí)器0、定時(shí)器1、定時(shí)器2和定時(shí)器3。這4個(gè)定時(shí)器在一般的操作模式下均能按照默認值計數或者按照預設值寄存器TxLD（x表示0，1，2，和3中的某一個(gè)寄存器）中值來(lái)計算。在任意時(shí)刻可以通過(guò)讀取TxVAL寄存器中的值了解定時(shí)器中的當前計數值。通過(guò)配置TxCON的值可以設置相應的定時(shí)器按照一定的方式開(kāi)始計數。
定時(shí)器0是一個(gè)通用型16位倒計數定時(shí)器，該定時(shí)器的刻度尺頻率來(lái)源是系統時(shí)鐘，計數默認值可以是系統時(shí)鐘頻率、系統時(shí)鐘頻率的16分頻和256分頻。
定時(shí)器1是一個(gè)32位通用型累加定時(shí)器或者倒計時(shí)定時(shí)器。該定時(shí)器的刻度尺頻率來(lái)源可以是32kHz晶振、系統時(shí)鐘和外部GPIO三者之一。計數默認值可以是刻度尺頻率、刻度尺頻率的16分頻、256分頻和32768分頻。定時(shí)器1可以被設置為標準的32位時(shí)間值，如Hours：Minutes：Seconds：Hundreths這樣的格式。定時(shí)器1通過(guò)預設響應IRQ事件，可以比通常情況下定時(shí)器0響應IRQ中斷請求要準確得多。它還可以用來(lái)觸發(fā)ADC轉換過(guò)程。
定時(shí)器2的系統刻度尺頻率來(lái)源是內部集成的32.768kHz晶振，當系統時(shí)鐘停止工作時(shí)，該定時(shí)器還可以繼續運行，這一特性可以用來(lái)將處于休眠狀態(tài)的系統內核恢復至正常工作狀態(tài)。
定時(shí)器3由兩種工作模式，一種通常模式與前面3個(gè)定時(shí)器一樣，還有一種是看門(mén)狗模式。一旦程序跑飛時(shí)，可以利用該定時(shí)器看門(mén)狗模式來(lái)重啟動(dòng)處理器，令其恢復正常工作。
2.7 其他外圍設備及特性
片上還集成有獨立的比較器、電源監控模塊、三相PWM（在A(yíng)DμC7020、ADμC7021、ADμC7022是單相PWM）以及PLA（可編程邏輯陣列）。其中PLA的輸入輸出引腳與GPIO復用。
3 引腳定義
ADμC7024引腳定義見(jiàn)表1。
4 應用實(shí)例
該芯片卓越的數據處理能力、片上集成的高精度ADC及DAC等豐富的片上外圍設備以及時(shí)鐘頻率可調節的特點(diǎn)，使得在要求低功耗、高精度、實(shí)時(shí)性等嵌入式微信號處理系統中的應用如魚(yú)得水?，F以脈搏血氧計為例，介紹其中一個(gè)廣泛的應用領(lǐng)域。其系統框圖如圖2所示。
ADμC7024作為系統的核心MCU，負責控制和協(xié)調其他電路模塊的正常工作，它將采集到的血氧信號經(jīng)過(guò)數據處理后，通過(guò)SPI總線(xiàn)傳送給LCD顯示屏得以顯示。
根據實(shí)際臨床結果顯示，ADμC7024已完全勝任設計血氧模塊的任務(wù)，處理能力、采樣率、采樣精度、功耗、實(shí)時(shí)性要求等指標完全達到系統的要求，
ARM體系架構使得醫療電子的穩定性得到極大保障。最后，采用第三方Keil公司μVision開(kāi)發(fā)工具，用C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，利用GNU的ARM－ELF－GCC等工具作為編譯器及鏈接器，易學(xué)易用，它的調試仿真工具也是Keil公司開(kāi)發(fā)的Ulink仿真器，調試簡(jiǎn)單，縮短上市時(shí)間，便于移植。
可以預料，在不久的將來(lái)，ADμC7024以其獨樹(shù)一幟的性能必將在醫療電子行業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
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