基于ARM嵌入式技術(shù)的牙椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 引言

目前，市場(chǎng)高端牙椅設(shè)備基本被國外公司獨(dú)斷，一般其價(jià)格昂貴而且技術(shù)不轉(zhuǎn)讓。隨著人們對(duì)口腔健康的日益重視，開發(fā)適合國情的高端一體化口腔診療系統(tǒng)顯得尤為必要。牙椅控制器是一體化口腔診療系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)水平反映了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，也是判定牙椅檔次的一個(gè)重要依據(jù)。

本文研究開發(fā)了基于ARM嵌入式技術(shù)的牙椅控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)，利用多任務(wù)管理、任務(wù)間同步與通信等功能，可更進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)智能控制和管理水平。

2 整體功能概述

系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。牙椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足醫(yī)療需求并方便使用操作。高檔牙椅在實(shí)際工作中除了要滿足上下仰臥四個(gè)基本方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還必須能夠完成茶杯給水、沖洗痰盂、無影燈調(diào)控、位置數(shù)據(jù)采集、X 光透射、及與上位機(jī)通信功能，還要保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)可靠和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。牙椅控制系統(tǒng)CPU 響應(yīng)外接鍵盤輸入，執(zhí)行相應(yīng)的命令，驅(qū)動(dòng)外部的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)牙椅的運(yùn)動(dòng)和其他外部設(shè)備的工作。

由于牙椅控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)較多，且集中于器械盤面板和牙椅底座兩個(gè)地方，因此本文將牙椅控制系統(tǒng)主要分為三大模塊：面板控制模塊、底座控制模塊、供電模塊。

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于芯片性能、功耗、系統(tǒng)需求等多方面的要求，本系統(tǒng)采用S3C44B0X芯片與ATmega16 芯片構(gòu)成雙CPU 模塊進(jìn)行協(xié)同控制。S3C44B0X 是Samsung 公司生產(chǎn)的16/32 位RISC 處理器，其總線結(jié)構(gòu)采用三星ARM CPU 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)。S3C44B0X提供了全面的、通用的片上外設(shè)，包括1 個(gè)LCD 控制器、5 個(gè)PWM 通道的定時(shí)器和1 通道內(nèi)部定時(shí)器、71 個(gè)通用I/O 口和8 通道外部中斷源、8 通道10 位的ADC、SPI 同步數(shù)據(jù)通信串行ARM 嵌入式牙椅控制系統(tǒng)接口等，具有良好的可擴(kuò)展性，作為牙椅系統(tǒng)的主處理器。

ATmega16 是增強(qiáng)的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS 微控制器，內(nèi)部資源豐富，具有32 路可編程I/O 口、512 字節(jié)的EEPROM、四通道的PWM 輸出、8 路10 位ADC 轉(zhuǎn)換通道和3 個(gè)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和SPI 同步數(shù)據(jù)通信串行口，作為牙椅系統(tǒng)的底座模塊的核心和控制芯片，控制牙椅的移動(dòng)和進(jìn)行牙椅的位置數(shù)據(jù)采集。

牙椅控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。底座控制板CPU 外接一個(gè)3×2 腳踏鍵盤，CPU 接收鍵盤輸入執(zhí)行相應(yīng)的命令，并控制底座模塊上的各液壓傳動(dòng)控制繼電器的通斷，控制牙椅向上下仰臥四個(gè)方向、漱口位置和就診位置運(yùn)動(dòng)?？紤]到使用者的安全和牙椅設(shè)備的穩(wěn)定可靠問題，在運(yùn)動(dòng)過程中CPU 必須對(duì)四個(gè)方向的限位開關(guān)和底座障礙物保護(hù)開關(guān)的反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

為達(dá)到方便使用的目的，面板控制模塊同樣也要能夠控制牙椅的上述運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)記憶牙椅的位置，因此系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)底座板和面板的實(shí)時(shí)通信。結(jié)合CPU芯片的特點(diǎn)和實(shí)際需求兩者采用串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)同步傳輸。面板CPU 可接收外部擴(kuò)展鍵盤的輸入來執(zhí)行響應(yīng)的命令，并預(yù)留了擴(kuò)展接口。

由于外部設(shè)備對(duì)于CPU 來說都屬于強(qiáng)電控制部分，為了使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要避免電氣干擾，即實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，面板控制模塊增加了光電隔離電路。無影燈的亮度數(shù)字調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)采用了PWM 方式。S3C44B0X 有5 個(gè)定時(shí)器可以提供PWM輸出。由于系統(tǒng)使用的無影燈額定功率為50W，額定電壓為12V，屬于大電流工作，為了保證無影燈的調(diào)節(jié)精度，在控制電路上采用場(chǎng)效應(yīng)管IRF540 與光電隔離電路配合控制。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)將來可擴(kuò)展圖像采集功能和復(fù)雜的人機(jī)界面等因素，在S3C44B0X 上移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)。μC/OS-II 是目前流行的免費(fèi)公開源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它不僅具有結(jié)構(gòu)小巧、可固化、可裁剪、多任務(wù)和可剝奪型的實(shí)時(shí)內(nèi)核等特點(diǎn)，其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可靠性也得到了廣泛認(rèn)可。μC/OS-II 的最小內(nèi)核可編譯至1.5KB，可廣泛應(yīng)用于從8 位到64 位單片機(jī)的各種不同類型、不同規(guī)模的嵌入式系統(tǒng)。在內(nèi)存使用方面，μC/OS-II 是可裁剪的實(shí)時(shí)內(nèi)核，在應(yīng)用中需要調(diào)度的任務(wù)越多，需要的RAM 空間越大。

以運(yùn)行20 個(gè)任務(wù)進(jìn)行估算，μC/OS-II 內(nèi)核占用不到2KB 的RAM 空間，可以使用20 個(gè)信號(hào)量、郵箱等來完成任務(wù)間的同步與通信。

系統(tǒng)以S3C44B0X 的T0 定時(shí)器作為操作系統(tǒng)的時(shí)鐘源，中斷頻率為10ms。系統(tǒng)每隔10ms 就調(diào)用一下鍵盤查詢程序以實(shí)時(shí)響應(yīng)鍵盤事件，串口和CPU之間的SPI 通信采用中斷方式接收和發(fā)送。任何時(shí)候只要沒有關(guān)中斷，中斷的執(zhí)行就高于任何任務(wù)以保證通信的實(shí)時(shí)性。根據(jù)控制系統(tǒng)的工作要求，任務(wù)可劃分為鍵盤任務(wù)，茶杯給水任務(wù)，茶杯給水定時(shí)設(shè)置任務(wù)，無影燈任務(wù)，LED 指示燈任務(wù)，報(bào)警信息任務(wù)和沖洗痰盂任務(wù)。

因?yàn)槿蝿?wù)間、任務(wù)和中斷間的通信都是基于信號(hào)量機(jī)制集中管理，所以要建立起信號(hào)量的保護(hù)機(jī)制。

在起始任務(wù)StartTask 中，首先建立一系列的信號(hào)量和郵箱：

然后，用OSTaskCreate( )函數(shù)建立7 個(gè)任務(wù)。最后，在起始任務(wù)中將它本身刪除掉。

(1) 鍵盤任務(wù)：調(diào)用OSSemPend(Sem_Keyboard，0，err)來獲得信號(hào)量。獲得信號(hào)量后，任務(wù)將調(diào)用郵箱發(fā)送消息任務(wù)OSMboxPost (OS_EVENT*pevent，void*msg)喚醒相應(yīng)的其它任務(wù)。

(2) 茶杯給水任務(wù)：向茶杯中加水。該任務(wù)通過OSMboxPost(Mbox_Cup，Msg_Cup)被喚醒。

(3) 茶杯給水定時(shí)設(shè)置任務(wù)：設(shè)置茶杯給水定時(shí)時(shí)間。該任務(wù)通過OSMboxPost(Mbox_CupSetting，Msg_CupSetting)被喚醒。

(4) 報(bào)警信息任務(wù)：牙椅運(yùn)動(dòng)到達(dá)障礙位置報(bào)警等的報(bào)警信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。該任務(wù)調(diào)用OSSemPend(Sem_AlarmTask，0，err)獲得信號(hào)量。

(5) 沖洗痰盂任務(wù)：沖洗痰盂。該任務(wù)通過OSMboxPost (Mbox_Ty，Msg_Ty 被喚醒。

(6) LED 燈指示任務(wù)：通過動(dòng)態(tài)掃描方式點(diǎn)亮相應(yīng)的鍵盤指示燈來指示當(dāng)前的系統(tǒng)工作狀態(tài)。該任務(wù)通過OSMboxPost (Mbox_LED，Msg_LED)被喚醒。

(7) 無影燈任務(wù)：開關(guān)及連續(xù)調(diào)節(jié)無影燈亮度。

該任務(wù)通過OSMboxPost(Mbox_Move，Msg_Move)被喚醒。

在系統(tǒng)中，設(shè)置任務(wù)1 的優(yōu)先級(jí)最高，依次為任務(wù)2、任務(wù)3 至任務(wù)6，程序流程如圖3所示。

在上述任務(wù)中，CPU 主要是接受鍵盤的輸入以喚醒其它相應(yīng)任務(wù)，另外還有相應(yīng)的記錄位置的任務(wù)和與上位機(jī)通信的任務(wù)，這里不再做詳細(xì)介紹。

3 控制系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

長時(shí)間口腔診療應(yīng)用調(diào)試運(yùn)行，本牙椅控制系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)輸入并按要求運(yùn)動(dòng)，返回的記憶位置誤差控制在1mm 內(nèi)，茶杯水位誤差不超過2mm，運(yùn)行結(jié)果表明，控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通信及兩CPU 之間通信實(shí)時(shí)性、可靠性均滿足設(shè)計(jì)要求，且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，便于調(diào)試和維護(hù)，提高了牙椅自動(dòng)化水平和檔次。

4 結(jié)語

本文采用嵌入式處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)增強(qiáng)了系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性并使系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，便于后續(xù)擴(kuò)展圖像采集和人機(jī)界面功能，為進(jìn)一步開發(fā)高端產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。

該牙椅控制系統(tǒng)可提高國內(nèi)牙椅生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平，已在廣州某醫(yī)療器械廠投入生產(chǎn)，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。