基于ADμC7O26硬件系統(tǒng)醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在技術(shù)領(lǐng)域，醫(yī)療儀器設(shè)備則開始呈現(xiàn)向便攜性和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)?？梢噪S身攜帶的血壓計(jì)、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀必然會(huì)有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。而網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)一步普及也正在進(jìn)入醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域，通過(guò)有線或無(wú)線技術(shù)，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)病人的資料;數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備使病人不必再攜帶大量的檢測(cè)資料奔波在醫(yī)院的各個(gè)科室甚至是遠(yuǎn)隔千里的不同醫(yī)院之間，從而節(jié)省了就醫(yī)者的時(shí)間和重復(fù)檢測(cè)的費(fèi)用;而網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療儀器設(shè)備和系統(tǒng)也使遠(yuǎn)程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，身在某些不發(fā)達(dá)地區(qū)的重癥患者有可能通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。在我國(guó)，由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)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(wèn)題。醫(yī)療儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化所帶來(lái)的這些益處對(duì)解決該問(wèn)題也有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

現(xiàn)代的醫(yī)學(xué)儀器一般都廣泛采用了嵌入式微處理器來(lái)增強(qiáng)儀器的智能化程度，提高其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理的精確性，使醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集、處理、通信一體化，并具有自診斷、自校驗(yàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)大、功耗低和穩(wěn)定性強(qiáng)、采用硬件與指令雙重加速來(lái)提高性能和指令速度的優(yōu)勢(shì)得到廣泛的應(yīng)用，成為多家醫(yī)療設(shè)備廠家的首選。

1 ADUC7026的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

ADC具有多達(dá)12路單端輸入。另外還可提供4路輸入與4個(gè)DAC輸出引腳復(fù)用。4路DAC輸出只是在特定型號(hào)上提供(ADuC7020和ADuC7026)。然而，在無(wú)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(dá)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(zhǔn)電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC的外設(shè)設(shè)置。 根據(jù)器件型號(hào)不同，片內(nèi)最多可內(nèi)置4個(gè)緩沖電壓輸出DAC.通過(guò)編程可以將DAC輸出范圍設(shè)置為三種電壓范圍之一。 這些器件通過(guò)一個(gè)片內(nèi)振蕩器和鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生41.78MHz的內(nèi)部高頻時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)一個(gè)可編程時(shí)鐘分頻器進(jìn)行中繼，在其中產(chǎn)生MCU內(nèi)核時(shí)鐘工作頻率。微控制器內(nèi)核為ARM7TDMI,它是一個(gè)16位/32位RISC機(jī)器，峰值性能最高可達(dá)41 MIPS.片內(nèi)集成有8 KB SRAM和62 KB非易失性Flash/EE存儲(chǔ)器。ARM7TDMI內(nèi)核將所有存儲(chǔ)器和寄存器視為一個(gè)線性陣列。

ADuC7026是美國(guó)ADI公司ADuC70xxARM系列中最典型的一種，其最大特點(diǎn)是具有一路12通道、12bit、速度達(dá)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(shè)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(jìn)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(shí)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(chǎn)生誤中斷(特別在中斷信號(hào)有毛刺時(shí))，但要注意在退出中斷處理程序前要撤銷中斷源的中斷請(qǐng)求，否則會(huì)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(nèi)部PLA將外部觸發(fā)信號(hào)的邊沿檢測(cè)出來(lái)，產(chǎn)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(wú)法改變的!)。其內(nèi)部框圖如圖1所示。

2 ADμC7026硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，一般的醫(yī)學(xué)院校針對(duì)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)都開設(shè)了《醫(yī)用影像設(shè)備學(xué)》這門課程。由于一些實(shí)際的醫(yī)療儀器的控制部分都是集成在機(jī)器內(nèi)部，很不方便學(xué)生完成單個(gè)電路的控制操作實(shí)驗(yàn)，并且還存在著諸如實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、缺少、很難滿足學(xué)生的實(shí)際需要等客觀條件，為此結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的實(shí)際情況，以美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的AUDC7026為核心開發(fā)一款既可以用于學(xué)生完成一般的電路硬件實(shí)驗(yàn)，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(xué)生完成醫(yī)療設(shè)備控制部分的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以幫助學(xué)生從實(shí)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(chǔ)上拓展軟、硬件開發(fā)的基本能力，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和今后的實(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。所開發(fā)的硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.1 晶振電路的設(shè)計(jì)

ADμC7026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(nèi)部的PLL能夠?qū)⒕д耦l率放大1376倍，即為系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的45MHz。為了降低系統(tǒng)功耗，可以通過(guò)軟件設(shè)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(nèi)部晶振有±3%的誤差，因此，用戶可以選擇外接一個(gè)32.768kHz的晶振，通過(guò)軟件設(shè)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(shè)計(jì)

電源是系統(tǒng)可靠工作的保證，整個(gè)系統(tǒng)的外部電源輸入采用直流9V，系統(tǒng)的供電較為復(fù)雜，外接9V直流電源經(jīng)過(guò)以穩(wěn)壓集成塊7805為核心的直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)?V直流電壓，再經(jīng)高精度、低壓差穩(wěn)壓芯片ADP3333轉(zhuǎn)為3.3V基準(zhǔn)電壓輸出給主電路供電及部分外圍電路。

2.3 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

ADμC7026片上集成了62kB的Flash存儲(chǔ)器，8kB的SRAM，ADμC7026片上Flash存儲(chǔ)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(tǒng)中編程。為了提高系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力，這里用兩片不同的存儲(chǔ)器擴(kuò)展了32kB×16的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。CY7C1020CV33是一種高性能、低功耗CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，并且具有自動(dòng)斷電功能。74INTl6373A是一個(gè)高性能、16位D型鎖存三態(tài)總線輸出的BiCMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，其工作電壓為3.3V。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)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(shí)鐘頻率為45MHz下的最高采樣率高達(dá)1MSPS。該ADC模塊提供一個(gè)高精度、低漂移的片上2.5V基準(zhǔn)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(zhǔn)參考源。ADμC7026片上還集成有4通道12位DAC。每個(gè)DAC都具有軌至軌的輸出電壓范圍，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)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(nèi)部基準(zhǔn)電壓)、0至DACref(外部基準(zhǔn)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(guò)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(zhuǎn)換，完成串行編程模式功能。20針的標(biāo)準(zhǔn)JTAG連接器連接到ULINK仿真器以實(shí)現(xiàn)Flash下載和片上調(diào)試。如圖6所示。

2.6 復(fù)位、中斷、串行下載電路

提供一個(gè)復(fù)位按鈕允許用戶手動(dòng)復(fù)位，按下S3時(shí)，該ADμC7026 RESET引腳將被拉到DGND實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位操作。當(dāng)按下IRQ0的按鈕開關(guān)S4時(shí)使ADμC7026的P0.4/IRQ0拉為高電平，用來(lái)啟動(dòng)一個(gè)外部中斷0。進(jìn)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(shí)按下和釋放復(fù)位按鈕。

3 ADUC7026系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)設(shè)備上的應(yīng)用

ADUC7026為核心的ARM硬件系統(tǒng)上可以拓寬許多專業(yè)實(shí)驗(yàn)，特別是對(duì)影像設(shè)備課程的微觀實(shí)驗(yàn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)X線機(jī)中的曝光時(shí)間、X線機(jī)管電壓、X線管管電流三大參數(shù)及其它輔助電路的控制，其控制框圖如圖8所示。

通過(guò)按動(dòng)控制面板表面的按鈕或觸摸屏，觀察LED或液晶屏的示數(shù)來(lái)精確調(diào)節(jié)曝光所需的管電壓、管電流，設(shè)定好管電壓、管電流數(shù)字由ARM控制系統(tǒng)后，按照精度要求通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模擬控制電壓輸送到高壓控制器，控制X線管高壓與強(qiáng)電流，其操作的便利性、直觀性、管電壓、管電流的重復(fù)性、精確性均較傳統(tǒng)X線機(jī)有了質(zhì)的提高。且ARM控制電路尚可在曝光時(shí)對(duì)管電壓、管電流采樣，通過(guò)ADC將得到的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過(guò)I/O口輸入ARM系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)差值部分在今后的曝光過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)這種負(fù)反饋的控制方式，即使在經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間的使用后x線機(jī)的管電壓、管電流仍然能保持較高的重復(fù)性、精確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

從醫(yī)療儀器領(lǐng)域發(fā)展來(lái)看，現(xiàn)在的醫(yī)療儀器不僅對(duì)其所采集信息的分析、存儲(chǔ)和顯示等方面提出了更高的要求而且要求其具有更強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)能力，更穩(wěn)定可靠的性能，設(shè)備進(jìn)一步地智能化、專業(yè)化、小型化，同時(shí)做到低功耗、零污染。這就為ARM系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用提供了更廣闊的天地，這也必將不斷地推動(dòng)醫(yī)療儀器行業(yè)的飛速發(fā)展。