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隨著(zhù)人們生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關(guān)注也提升到一個(gè)前所未有的高度。在今天，越來(lái)越多的高科技手段開(kāi)始運用到醫療儀器的設計當中。心電圖、腦電圖等生理參數檢測設備，各類(lèi)型的監護儀器，超聲波、X射線(xiàn)成影設備，核磁共振儀器，以及各式各樣的物理治療儀都開(kāi)始在各地醫院廣泛使用，并且醫學(xué)儀器正在向著(zhù)組合式、多功能、智能化和微型化方向發(fā)展�，F代的醫學(xué)儀器一般都廣泛采用了嵌入式微處理器來(lái)增強儀器的智能化程度，提高其穩定性和數據處理的精確性，使醫學(xué)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(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、功能強大、功耗低和穩定性強、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)勢得到廣泛的應用，成為多家醫療設備廠(chǎng)家的首選。 1 ADUC7026的結構與特點(diǎn) 從ARM體系結構上看，嵌入式系統主要由嵌入式處理器、支撐硬件和嵌入式軟件組成。處理器通常是單片機或微控制器；支撐硬件主要包括存儲介質(zhì)、通信部件和顯示部件等；嵌入式軟件則包括支撐硬件的驅動(dòng)程序、操作系統、支撐軟件以及應用中間件等�？梢�(jiàn)，嵌入式系統是一個(gè)很大的概念，一旦嵌入式處理器和支撐硬件選定了，那么工作最多的就集中在嵌入式軟件當中了。許多運算量大的儀器都采用了ARM系統，美國模擬器件公司ADI是一家精于運放和高精度模數轉換器(ADC)設計與生產(chǎn)的芯片生產(chǎn)公司，在得到ARM授權后把自己公司中的高精度ADC、成熟的脈沖調制、多路分頻等融合為一體，使ARM微控制器不僅具備功能強大的32bit RISC微控制器(MCU)內核，同時(shí)具備16通道、快速、12bit分辨率的ADC和4個(gè)12bit分辨率數模轉換器(DAC)的精密數據轉換器。因此ADμC7026集成了ARM7TDMI內核，它具有基于閃存的16bit ／32bit RISC(精簡(jiǎn)指令集計算機)微控制器，其最高處理能力高達45MIPS(Million Instructions Per Second)。模擬外設包括，多達16通道的快速、12bit分辨率ADC、4個(gè)獨立12bit分辨率DAC和一個(gè)溫漂優(yōu)于10ppm／℃的精密帶隙基準電壓源、8kB片內SRAM，62kBFLASH，可擴展存儲空間為512k，JTAG端口支持代碼下載與調試，一個(gè)比較器，可編程邏輯陣列(PLA)和3相脈寬調制(PWM)發(fā)生器，40個(gè)通用I／O口，1個(gè)ART,4個(gè)通用定時(shí)器，4個(gè)外部中斷，其它外設包括一個(gè)比較器，PLA和3相PWM發(fā)生器。該系列器件也支持靈活的待機(休眠)和喚醒模式，引腳采用了LFCSP或LQFP小封裝，從而避免或減少了外界的干擾，提高了測量精度。其內部框圖如圖1所示。 2 ADμC7026硬件系統設計 目前，一般的醫學(xué)院校針對醫學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設了《醫用影像設備學(xué)》這門(mén)課程。由于一些實(shí)際的醫療儀器的控制部分都是集成在機器內部，很不方便學(xué)生完成單個(gè)電路的控制操作實(shí)驗，并且還存在著(zhù)諸如實(shí)驗設備昂貴、缺少、很難滿(mǎn)足學(xué)生的實(shí)際需要等客觀(guān)條件，為此結合醫學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況，以美國ADI公司生產(chǎn)的AUDC7026為核心開(kāi)發(fā)一款既可以用于學(xué)生完成一般的電路硬件實(shí)驗，又可以用于師生硬件開(kāi)發(fā)的ARM硬件系統，從而研制出適合學(xué)生完成醫療設備控制部分的實(shí)驗系統，以幫助學(xué)生從實(shí)踐中去掌握一些醫療儀器的基本組成、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(kāi)發(fā)的基本能力，為培養學(xué)生的創(chuàng )新能力和今后的實(shí)際應用打下良好的基礎。所開(kāi)發(fā)的硬件系統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(gè)32．768kHz晶振、一個(gè)時(shí)鐘分頻器和一個(gè)PLL(鎖相環(huán))。內部的PLL能夠將晶振頻率放大1376倍，即為系統提供一個(gè)穩定的45MHz。為了降低系統功耗，可以通過(guò)軟件設置時(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，由于內部晶振有±3％的誤差，因此，用戶(hù)可以選擇外接一個(gè)32．768kHz的晶振，通過(guò)軟件設置PLLCON值使用外部晶振，使系統的性能穩定可靠。 2．2 電源電路的設計 電源是系統可靠工作的保證，整個(gè)系統的外部電源輸入采用直流9V，系統的供電較為復雜，外接9V直流電源經(jīng)過(guò)以穩壓集成塊7805為核心的直流電源轉變?yōu)?V直流電壓，再經(jīng)高精度、低壓差穩壓芯片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(guò)串行編程模式、JTAG編程模式或并行編程模式在系統中編程。為了提高系統的存儲能力，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(dòng)斷電功能。74INTl6373A是一個(gè)高性能、16位D型鎖存三態(tài)總線(xiàn)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，在系統時(shí)鐘頻率為45MHz下的最高采樣率高達1MSPS。該ADC模塊提供一個(gè)高精度、低漂移的片上2．5V基準電壓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，驅動(dòng)能力可達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(guò)連接線(xiàn)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(shí)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(gè)復位按鈕允許用戶(hù)手動(dòng)復位，按下S3時(shí)，該ADμC7026 RESET引腳將被拉到DGND實(shí)現系統復位操作。當按下IRQ0的按鈕開(kāi)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(hù)必須按住串行下載按鈕S2使P0．0／BM低，同時(shí)按下和釋放復位按鈕。 3 ADUC7026系統在醫學(xué)設備上的應用 ADUC7026為核心的ARM硬件系統上可以拓寬許多專(zhuān)業(yè)實(shí)驗，特別是對影像設備課程的微觀(guān)實(shí)驗非常有益，如利用開(kāi)發(fā)的ARM硬件系統配置ARM核微處理器集成開(kāi)發(fā)工具，在μC／OS-II操作系統上，編寫(xiě)源程序來(lái)實(shí)現對X線(xiàn)機中的曝光時(shí)間、X線(xiàn)機管電壓、X線(xiàn)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(guò)按動(dòng)控制面板表面的按鈕或觸摸屏，觀(guān)察LED或液晶屏的示數來(lái)精確調節曝光所需的管電壓、管電流，設定好管電壓、管電流數字由ARM控制系統后，按照精度要求通過(guò)數模轉換模擬控制電壓輸送到高壓控制器，控制X線(xiàn)管高壓與強電流，其操作的便利性、直觀(guān)性、管電壓、管電流的重復性、精確性均較傳統X線(xiàn)機有了質(zhì)的提高。且ARM控制電路尚可在曝光時(shí)對管電壓、管電流采樣，通過(guò)ADC將得到的二進(jìn)制數字信號通過(guò)I／O口輸入ARM系統，與預設值進(jìn)行比對，對差值部分在今后的曝光過(guò)程中進(jìn)行補償，通過(guò)這種負反饋的控制方式，即使在經(jīng)過(guò)一段較長(cháng)時(shí)間的使用后x線(xiàn)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(yǔ) 從醫療儀器領(lǐng)域發(fā)展來(lái)看，現在的醫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，更穩定可靠的性能，設備進(jìn)一步地智能化、專(zhuān)業(yè)化、小型化，同時(shí)做到低功耗、零污染。這就為ARM系統在醫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(dòng)醫療儀器行業(yè)的飛速發(fā)展。 |
