基于ADμC7O26硬件系統(tǒng)醫(yī)療儀器的設計和實現
在技術領域,醫(yī)療儀器設備則開始呈現向便攜性和網絡化發(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(yī)院中使用的呼吸機、心電監(jiān)護儀必然會有越來越大的市場需求。而網絡化的進一步普及也正在進入醫(yī)療儀器設備領域,通過有線或無線技術,醫(yī)生可以遠程訪問病人的資料;數字化網絡化的醫(yī)療檢測設備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫(yī)院的各個科室甚至是遠隔千里的不同醫(yī)院之間,從而節(jié)省了就醫(yī)者的時間和重復檢測的費用;而網絡化的醫(yī)療儀器設備和系統(tǒng)也使遠程醫(yī)療變?yōu)楝F實,身在某些不發(fā)達地區(qū)的重癥患者有可能通過遠程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。在我國,由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的看病難問題。醫(yī)療儀器設備網絡化所帶來的這些益處對解決該問題也有著非?,F實的意義。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387818.htm現代的醫(yī)學儀器一般都廣泛采用了嵌入式微處理器來增強儀器的智能化程度,提高其穩(wěn)定性和數據處理的精確性,使醫(yī)學信號的采集、處理、通信一體化,并具有自診斷、自校驗等一系列優(yōu)點。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(wěn)定性強、采用硬件與指令雙重加速來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(yī)療設備廠家的首選。
1 ADUC7026的結構與特點
ADC具有多達12路單端輸入。另外還可提供4路輸入與4個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個緩沖電壓輸出DAC.通過編程可以將DAC輸出范圍設置為三種電壓范圍之一。 這些器件通過一個片內振蕩器和鎖相環(huán)(PLL)產生41.78MHz的內部高頻時鐘信號。該時鐘信號通過一個可編程時鐘分頻器進行中繼,在其中產生MCU內核時鐘工作頻率。微控制器內核為ARM7TDMI,它是一個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線性陣列。
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口進行通信。ADuC7026所有I/O專用置1、清0寄存器GPxSET/GPxCLR都是只寫的,不能讀!如果讀,輸入為全1(FF),不是實際的輸出狀態(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,不易產生誤中斷(特別在中斷信號有毛刺時),但要注意在退出中斷處理程序前要撤銷中斷源的中斷請求,否則會連續(xù)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,產生寬度不小于4.5us的正脈沖送到ADuC7026即可,ADuC7026本身還是電平觸發(fā)(無法改變的!)。其內部框圖如圖1所示。
2 ADμC7026硬件系統(tǒng)設計
目前,一般的醫(yī)學院校針對醫(yī)學影像技術專業(yè)都開設了《醫(yī)用影像設備學》這門課程。由于一些實際的醫(yī)療儀器的控制部分都是集成在機器內部,很不方便學生完成單個電路的控制操作實驗,并且還存在著諸如實驗設備昂貴、缺少、很難滿足學生的實際需要等客觀條件,為此結合醫(yī)學影像技術專業(yè)的實際情況,以美國ADI公司生產的AUDC7026為核心開發(fā)一款既可以用于學生完成一般的電路硬件實驗,又可以用于師生硬件開發(fā)的ARM硬件系統(tǒng),從而研制出適合學生完成醫(yī)療設備控制部分的實驗系統(tǒng),以幫助學生從實踐中去掌握一些醫(yī)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、硬件開發(fā)的基本能力,為培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和今后的實際應用打下良好的基礎。所開發(fā)的硬件系統(tǒng)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32.768kHz晶振、一個時鐘分頻器和一個PLL(鎖相環(huán))。內部的PLL能夠將晶振頻率放大1376倍,即為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的45MHz。為了降低系統(tǒng)功耗,可以通過軟件設置時鐘分頻器的控制寄存器PLLCON和POWCON將經過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,用戶可以選擇外接一個32.768kHz的晶振,通過軟件設置PLLCON值使用外部晶振,使系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠。
2.2 電源電路的設計
電源是系統(tǒng)可靠工作的保證,整個系統(tǒng)的外部電源輸入采用直流9V,系統(tǒng)的供電較為復雜,外接9V直流電源經過以穩(wěn)壓集成塊7805為核心的直流電源轉變?yōu)?V直流電壓,再經高精度、低壓差穩(wěn)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存儲器能夠通過串行編程模式、JTAG編程模式或并行編程模式在系統(tǒng)中編程。為了提高系統(tǒng)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,并且具有自動斷電功能。74INTl6373A是一個高性能、16位D型鎖存三態(tài)總線輸出的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(tǒng)時鐘頻率為45MHz下的最高采樣率高達1MSPS。該ADC模塊提供一個高精度、低漂移的片上2.5V基準電壓VREF,該電壓通過片上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DAC都具有軌至軌的輸出電壓范圍,驅動能力可達100pF或者5kΩ,每個DAC也能通過軟件配置來選擇輸出范圍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通過連接線連接到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
提供一個復位按鈕允許用戶手動復位,按下S3時,該ADμC7026 RESET引腳將被拉到DGND實現系統(tǒng)復位操作。當按下IRQ0的按鈕開關S4時使ADμC7026的P0.4/IRQ0拉為高電平,用來啟動一個外部中斷0。進入串行下載模式,用戶必須按住串行下載按鈕S2使P0.0/BM低,同時按下和釋放復位按鈕。
3 ADUC7026系統(tǒng)在醫(yī)學設備上的應用
ADUC7026為核心的ARM硬件系統(tǒng)上可以拓寬許多專業(yè)實驗,特別是對影像設備課程的微觀實驗非常有益,如利用開發(fā)的ARM硬件系統(tǒng)配置ARM核微處理器集成開發(fā)工具,在μC/OS-II操作系統(tǒng)上,編寫源程序來實現對X線機中的曝光時間、X線機管電壓、X線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。
通過按動控制面板表面的按鈕或觸摸屏,觀察LED或液晶屏的示數來精確調節(jié)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(tǒng)后,按照精度要求通過數模轉換模擬控制電壓輸送到高壓控制器,控制X線管高壓與強電流,其操作的便利性、直觀性、管電壓、管電流的重復性、精確性均較傳統(tǒng)X線機有了質的提高。且ARM控制電路尚可在曝光時對管電壓、管電流采樣,通過ADC將得到的二進制數字信號通過I/O口輸入ARM系統(tǒng),與預設值進行比對,對差值部分在今后的曝光過程中進行補償,通過這種負反饋的控制方式,即使在經過一段較長時間的使用后x線機的管電壓、管電流仍然能保持較高的重復性、精確性。
4 結束語
從醫(yī)療儀器領域發(fā)展來看,現在的醫(yī)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(wěn)定可靠的性能,設備進一步地智能化、專業(yè)化、小型化,同時做到低功耗、零污染。這就為ARM系統(tǒng)在醫(yī)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醫(yī)療儀器行業(yè)的飛速發(fā)展。
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