高性能嵌入式ARM MPU在醫(yī)療電子系統(tǒng)中的設計應用

　　當前，全球醫(yī)療電子行業(yè)正逐漸展現出誘人的發(fā)展前景，產品更新換代的速度不斷提高，同時，由于醫(yī)療電子產品自身的特殊性，對元器件的性能、功耗、可靠性和集成度等方面都提出了極高的要求。全球各大著名的半導體廠商紛紛推出一系列適合該應用領域的產品。

　　基于ARM內核的32位嵌入式微處理器(MPU)，以其高性能、低功耗和豐富的片內資源，成為目前眾多醫(yī)療電子產品開發(fā)平臺的首選。其中，Cirrus Logic公司推出的旗艦產品EP9315，是目前集成度最高的ARM處理器。該處理器采用ARM920T內核，擁有200MHz主頻的高性能，內嵌數學協(xié)處理器、圖形加速引擎，集成包括IDE和PCMCIA等接口在內的豐富的外圍電路，滿足工業(yè)級的標準和極具吸引力的性價比，使其在眾多嵌入式微處理器中脫穎而出，成為下一代醫(yī)療電子產品開發(fā)平臺的理想選擇。


　　應用需求


　　醫(yī)療電子產品種類繁多，功能不一。根據其應用場合分類，包括超聲成像系統(tǒng)、多參數監(jiān)護系統(tǒng)、常規(guī)檢驗系統(tǒng)等。


　　現在的醫(yī)療電子產品總是采用最新的技術，以期獲得強大的性能來完成日益復雜的算法和眾多的功能，滿足不斷升級的臨床應用需求。其應用需求主要表現在以下方面：


1. 隨著產品性能的逐步提升，需要硬件來完成大量的算法和邏輯運算。如B超和高端監(jiān)護儀等產品已開始大量使用FPGA器件；


2. 大尺寸顯示屏和觸摸屏的廣泛應用。目前超聲產品，多參數監(jiān)護儀和一些檢驗產品如血球儀、生化分析儀等大多使用10'~15'范圍內的大尺寸顯示屏，采用640×480、800×600或者1024×768的分辨率。另外，觸摸屏在該領域的使用也越來越廣泛；


3. 大數據量的存儲。像B超和彩超等產品由于應用層軟件的日益龐大和圖像深度存儲的需要，已開始外接標準IDE硬盤；


4. 外圍接口的需要。如網絡接口和USB接口在醫(yī)療電子產品中已不可或缺；


5. 音頻Codec的應用。例如在彩超系統(tǒng)中，就需要通過音頻Codec來完成多普勒血流音頻數據的編解碼；


6. 便攜式產品的出現增加了對功耗的關注程度。


　　上述一系列的應用需求對微處理器平臺提出了更高的要求，工程師在選型時往往希望速度更快、集成度更高而功耗更低，尤其是在高集成度方面，不僅可以保證設計工作的便捷性和可靠性，而且能夠有效地控制成本。


　　EP9315的獨特優(yōu)勢


　　微處理器作為系統(tǒng)的核心控制器件，其各項指標往往是工程師們在選型時最為關注的。與其他基于ARM9內核的嵌入式微處理器相比較，Cirrus Logic公司的EP9315無論是在整體性能、片內外圍接口，以及系統(tǒng)成本方面，都有比較明顯的優(yōu)勢。EP9315的結構框圖如圖1所示。







EP9315各項指標如下：


1. 集成主頻為200MHz的ARM920T內核以及支持Linux、Windows CE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的內存管理單元(MMU)。擁有16KB指令緩存和16KB數據緩存；


2. 內嵌MaverickCrunch數學協(xié)處理器，顯著提高了對單/雙精度整數及浮點的運算速度，有助于復雜算法的運算。這在其他ARM微處理器中非常少見；


3. 集成2D圖形加速引擎，通過塊復制、塊填充等操作，增強系統(tǒng)的圖像處理能力。該圖像加速引擎獨立于微處理器，不會增加系統(tǒng)開銷。最高可支持到1024×768的分辨率，基本滿足大多數醫(yī)療電子產品的大尺寸屏應用；


4. 豐富的片內/外圍接口資源，完全可以滿足目前各類醫(yī)療電子產品的應用需求。從表1中可以看到Cirrus Logic的基于ARM9的全系列微處理器的各項參數。





系統(tǒng)設計及Cirrus Logic完善的技術支持


為了配合客戶的同步開發(fā)，縮短研發(fā)周期，提升設計品質，Cirrus Logic公司專程在北京成立了一個由20多位工程師組成的技術支持中心，負責EP93xx系列產品的軟硬件技術支持。不僅可以提供開發(fā)板等設計參考，而且提供大量的軟件支持服務，包括Windows CE平臺下的BSP源碼，驅動源碼以及Linux平臺完整內核源碼和開發(fā)工具包。Cirrus Logic中國及香港區(qū)總經理Peter說：“我們不僅僅為客戶提供芯片，更重要的是我們能夠提供全套的解決方案和開發(fā)中的技術支持。毫無疑問，這對降低客戶的開發(fā)難度有極大的幫助。”


成功的案例


目前已經有一些公司選擇EP9315作為系統(tǒng)的處理平臺。Emperor公司的硬件設計師說：“我們選擇EP9315作為B超系統(tǒng)升級的平臺，主要是看重以下3點：1. 集成數學協(xié)處理器，相比較同類型產品在算法處理速度上會快很多；2. 支持高分辨率，滿足了對圖像顯示的要求，而不用額外增加一個視頻編解碼芯片；3. 提供IDE接口，因為在B超產品中會用到硬盤和DVD光驅。”


開發(fā)多參數監(jiān)護儀產品的深圳Adecon公司也已經大量使用該芯片，總工程師認為EP9315具備工業(yè)級芯片的可靠性，這一點在醫(yī)療設備中極為重要；另外，完善的技術支持也為前期的開發(fā)工作掃清了障礙。


EP9315提供商業(yè)級和工業(yè)級兩種型號(表2)，同時提供無鉛產品。







產品解決方案

產品信息：


EDB9315A工程開發(fā)套件(EDB9315A Kit)包括：

1. EDB9315A 開發(fā)板(Development Board)

2. RS-232串口線（Null-Modem制）

3. 開關電源：+5V, 4A, 110V/220V 相容

4. 《快速上手指南》(Quick Start Guide)

5. 產品注冊卡(Registration Card)

6. IDC10-to-DB9 轉換線

7. IDE 硬盤排線

8. 3.5-to-2.5 筆記本硬盤適配器

9. 硬盤電源適配器(2x1 Header to HDD Power Connector Adapter)

10. 微軟WinCE 5.0 Platform Builder 開發(fā)環(huán)境光碟

11. ARM RealView Suite 開發(fā)環(huán)境光碟

12. IAR 開發(fā)環(huán)境光碟

13. EDB9315A 開發(fā)板系統(tǒng)光盤(EDB9315A system resource CD)，內容包括：

EDB9315A開發(fā)板文檔

EDB9315A開發(fā)板原理圖

EDB9315A軟件【包括WINCE5.0平臺BSP源碼、驅動源碼，及LINUX平臺完整LINUX 2.6.8.1內核源碼樹（包含QT/Opie開發(fā)包）、Linux下的開發(fā)工具包】


EDB9315A開發(fā)板資源與接口：

1. Cirrus Logic 高集成度ARM9 SOC芯片：EP9315， 時鐘頻率：200MHz

2. SDRAM：64MByte

3. FLASH：16MByte NOR flash Memory

4. USB HOST：2個USB 2.0 全速主端口

5. USB DEVICE：1個USB 2.0 高速從端口

6. 音頻輸出(Audio Out)

7. 音頻輸入(Audio In)

8. 串口：3個UART 串口

9. Ethernet：10/100以太網接口

10. VGA 視頻輸出接口

11. IDE 硬盤光盤接口

12. JTAG 調試接口

13. 紅外接口：Consumer IR (CIR)

14. 板載總線與IO擴充接口(Expansion Connectors)

15. LCD接口與觸摸屏接口(LCD Interface with Touch Screen Support)


A. EP9315處理器

B. 處理器狀態(tài)指示燈：一綠一紅

C. USB 2.0 高速從設備接口IC (ISP1581)

D. SDRAM - 2 個16位SDRAM顆粒IC

E. 存儲總線擴充接口

F. 主電源開關

G. 5V 電源輸入連接座

H. 3.3V 電源輸出芯片, 3A

I. 串口啟動按鈕 - 標記： SERIAL BOOT

J. 復位按鈕 - 標記： /POR

K. UART2 連接頭 - 5x2

L. UART1 連接頭 - 5x2

M. UART1 - DB9 公座

N. USB從設備連接座（用于連接PC機）

O. 以太網連接座

P. 雙USB主端口連接座(用于連接鼠標、鍵盤、U盤、攝像頭、打印機等等USB從設備)

Q. 音頻輸出連接座

R. 音頻輸入連接座

S. 設備總線擴充接口

T. 觸摸屏連接頭

U. JTAG仿真器連接頭

V. VGA輸出連接座 - DB15 母座

W. LCD 連接頭

X. IDE 連接頭

Y. IDE +5V 電源（用于輸出給硬盤供電）

Z. 紅外通訊收發(fā)器(IR)

作者：田錚 李黎明 周誼偉