ARM處理器LPC2210在腦血氧監(jiān)測儀中的應(yīng)用

　　引言

　　氧是人體新陳代謝的重要物質(zhì),腦組織新陳代謝率高,耗氧量占全身總量的20%左右。在心腦血管疾病及腦外傷病人的臨床搶救與治療中,如果缺乏對腦組織供氧的監(jiān)護(hù)手段,就有可能造成腦組織神經(jīng)功能的喪失或損害。因此,提供一種連續(xù)監(jiān)測大腦供氧狀況的臨床設(shè)備,對提高心腦血管和腦外傷等多種疾病的診斷和治療具有重大意義。在健康監(jiān)護(hù)和臨床診斷中,對腦組織血氧參數(shù)的監(jiān)測是不可缺少的。

　　本文即應(yīng)用ARM微處理器開發(fā)了一種帶有網(wǎng)絡(luò)通信功能的嵌入式腦組織血氧參數(shù)監(jiān)測設(shè)備。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)硬件系統(tǒng)由腦血氧檢測探頭脈沖驅(qū)動(dòng)電路、濾波放大電路、LPC2210系統(tǒng)及接口電路組成。由LPC2210產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào),經(jīng)探頭脈沖驅(qū)動(dòng)電路放大,用于驅(qū)動(dòng)探頭的光源發(fā)光,并產(chǎn)生周期性的光信號(hào)。探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號(hào),經(jīng)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號(hào)。濾波放大電路將得到的電信號(hào)進(jìn)行低通濾波和信號(hào)放大。LPC2210對放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并進(jìn)行數(shù)字處理,同時(shí)通過接口電路擴(kuò)展鍵盤、LCM圖形液晶顯示、RS232串口和以太網(wǎng)接口,用于整個(gè)系統(tǒng)的控制、顯示、與上位機(jī)(PC機(jī))的通訊以及網(wǎng)絡(luò)通信。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　LPC2210系統(tǒng)及接口電路

　　LPC2210是飛利浦公司基于一個(gè)16/32位ARM7內(nèi)核的微控制器。它具有極低的功耗,16KB片內(nèi)SRAM,多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)外部中斷,特別適合用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)等。

　　系統(tǒng)電源電路如圖2所示。220V市電輸入后經(jīng)過B1單相橋式整流,再由三端穩(wěn)壓器件U1和U2穩(wěn)壓,分別產(chǎn)生+5V和-5V電壓,給探頭集成電路和集成運(yùn)放LM324供電。由于LPC2210微控制器要使用兩組電源,I/O供電電源為3.3V,內(nèi)核及片內(nèi)外設(shè)供電電源為1.8V,因此在+5V后面再使用低壓差電源芯片穩(wěn)壓輸出3.3V和1.8V電壓,低壓差電源芯片U11、U12采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3,其特點(diǎn)為輸出電流大,輸出電壓精度高。

　　本系統(tǒng)的復(fù)位電路使用了SP708S,由于在進(jìn)行JTAG調(diào)試時(shí)nRST和nTRST可由JTAG仿真器控制復(fù)位,因此使用了三態(tài)緩沖門74HC125進(jìn)行驅(qū)動(dòng),如圖3所示。系統(tǒng)時(shí)鐘電路采用了外部11.0592MHz晶振,使串口波特率更精確,同時(shí)能夠支持LPC2210片內(nèi)PLL功能,用1M電阻R45并接到晶振兩端,使系統(tǒng)容易起振。JTAG接口電路采用了ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口,其信號(hào)的定義與LPC2210的連接電路如圖3所示。根據(jù)LPC2210的應(yīng)用手冊說明,在RTCK引腳接一個(gè)4.7K的下拉電阻,使系統(tǒng)復(fù)位后,LPC2210內(nèi)部的JTAG接口使能,這樣就可以直接進(jìn)行JTAG仿真調(diào)試了。本系統(tǒng)擴(kuò)展了4MbSRAM(IS6ILV25616AL)和16MbFLASH(SST39VF160)。為了方便程序調(diào)試和固化, 使用了Bank0和Bank1的地址空間,可以通過跳線將LPC2210的CS0和CS1分別分配給SRAM或者FLASH。程序調(diào)試時(shí),分配SRAM為Bank0地址;最終代碼固化到FLASH時(shí),分配FLASH為Bank0地址。

　　由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng),所以使用了SP3232E進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換。SP3232E是3V工作電源的RS232轉(zhuǎn)換芯片,接收端和發(fā)送端分別接到LPC2210的P0.0_TxD0和P0.1_RxD0口。本系統(tǒng)具有16個(gè)按鍵,用于菜單選擇,輸入病人的信息等功能。系統(tǒng)使用了I2C接口的鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片ZLG7290,ZLG7290是一款功能強(qiáng)大的鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片,最多可支持64個(gè)鍵盤。

　　本系統(tǒng)采用點(diǎn)陣圖形液晶模塊接口電路,可以直接與T6963C液晶驅(qū)動(dòng)模塊連接使用。系統(tǒng)采用8位總線方式,液晶模塊沒有地址總線,顯示地址和顯示數(shù)據(jù)地址均通過DB0～DB7實(shí)現(xiàn)。模塊的工作電壓是5V,而LPC2210的I/O電壓為3.3V,所以在總線上串接470的保護(hù)電阻。讓圖形液晶模塊的C/D與A1連接,使用A1控制模塊處理數(shù)據(jù)命令,并且可以利用LPC2210的16位總線方式操作圖形液晶模塊(高8位數(shù)據(jù)被忽略)。模塊片選信號(hào)CE由LPC2210的A22和外部存儲(chǔ)器Bank3片選CS3相"或"后得到,當(dāng)A22和nCS3同時(shí)為0時(shí),模塊被選中。LCM接口電路如圖4所示。

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以RTL8019AS芯片為核心的以太網(wǎng)接口電路,其電路原理圖如圖5所示。由于LPC2210是開放式總線,所以電路設(shè)計(jì)為16位總線方式對RTL8019AS進(jìn)行訪問,數(shù)據(jù)總線D0～D15與芯片SD0～SD15連接。由于RTL8019AS的工作電壓是5V,而LPC2210的I/O電壓為3. 3V,所以在總線上串接470Ω的保護(hù)電阻。RTL8019AS工作在跳線模式,基地址為0x300H,所以電路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地,SA9接電源。SA8與地址總線A22相連,SA5與LPC2210的外部存儲(chǔ)器Bank3片選CS3相連,當(dāng)SA8為1,SA5為0時(shí),選中RTL8019AS。其它引腳的連接方法可參考RTL8019AS的應(yīng)用手冊。