基于ADμC7O26硬件系統(tǒng)醫(yī)療儀器的設(shè)計和實現(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?？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(wǎng)絡(luò)化的進一步普及也正在進入醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域，通過有線或無線技術(shù)，醫(yī)生可以遠程訪問病人的資料;數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測設(shè)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(fù)檢測的費用;而網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療儀器設(shè)備和系統(tǒng)也使遠程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)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(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題。醫(yī)療儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化所帶來的這些益處對解決該問題也有著非?，F(xiàn)實的意義。

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增強儀器的智能化程度，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(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

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(fù)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(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)器件型號不同，片內(nèi)最多可內(nèi)置4個緩沖電壓輸出DAC.通過編程可以將DAC輸出范圍設(shè)置為三種電壓范圍之一。 這些器件通過一個片內(nèi)振蕩器和鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生41.78MHz的內(nèi)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(chǎn)生MCU內(nèi)核時鐘工作頻率。微控制器內(nèi)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(nèi)集成有8 KB SRAM和62 KB非易失性Flash/EE存儲器。ARM7TDMI內(nèi)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(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(chǎn)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(nèi)部PLA將外部觸發(fā)信號的邊沿檢測出來，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

目前，一般的醫(yī)學(xué)院校針對醫(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。由于一些實際的醫(yī)療儀器的控制部分都是集成在機器內(nèi)部，很不方便學(xué)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(shè)備昂貴、缺少、很難滿足學(xué)生的實際需要等客觀條件，為此結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)的實際情況，以美國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(xué)生完成醫(yī)療設(shè)備控制部分的實驗系統(tǒng)，以幫助學(xué)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(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

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(nèi)部的PLL能夠?qū)⒕д耦l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(shè)置時鐘分頻器的控制寄存器PLLCON和POWCON將經(jīng)過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32.768kHz的晶振，通過軟件設(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

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(fù)雜，外接9V直流電源經(jīng)過以穩(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 存儲器擴展電路的設(shè)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(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(zhǔn)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(zhǔn)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(qū)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(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

提供一個復(fù)位按鈕允許用戶手動復(fù)位，按下S3時，該ADμC7026 RESET引腳將被拉到DGND實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位操作。當(dāng)按下IRQ0的按鈕開關(guān)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(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)實驗，特別是對影像設(shè)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(xiàn)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(shù)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(shù)來精確調(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線機有了質(zhì)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(shù)字信號通過I/O口輸入ARM系統(tǒng)，與預(yù)設(shè)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(jīng)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(fù)性、精確性。

4 結(jié)束語

從醫(yī)療儀器領(lǐng)域發(fā)展來看，現(xiàn)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(shè)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(yīng)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。