基于ADμC7O26硬件系统医疗仪器的设计和实现

消费电子 时间:2018-08-27来源:网络

在技术领域,医疗仪器设备则开始呈现向便携性和网络化发展的趋势。可以随身携带的血压计、血糖仪,可以在家庭或小型社康医院中使用的呼吸机、心电监护仪必然会有越来越大的市场需求。而网络化的进一步普及也正在进入医疗仪器设备领域,通过有线或无线技术,医生可以远程访问病人的资料;数字化网络化的医疗检测设备使病人不必再携带大量的检测资料奔波在医院的各个科室甚至是远隔千里的不同医院之间,从而节省了就医者的时间和重复检测的费用;而网络化的医疗仪器设备和系统也使远程医疗变为现实,身在某些不发达地区的重症患者有可能通过远程医疗获得高水平医生的救治而重获新生。在我国,由于医疗资源尤其是高端优质医疗资源的缺乏和地区间分布不均衡引起了广被诟病的看病难问题。医疗仪器设备网络化所带来的这些益处对解决该问题也有着非常现实的意义。

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现代的医学仪器一般都广泛采用了嵌入式微处理器来增强仪器的智能化程度,提高其稳定性和数据处理的精确性,使医学信号的采集、处理、通信一体化,并具有自诊断、自校验等一系列优点。其中ARM(Advanced RISC Machines)嵌入式微型主板作为中央处理模块,凭借自身体积小巧、功能强大、功耗低和稳定性强、采用硬件与指令双重加速来提高性能和指令速度的优势得到广泛的应用,成为多家医疗设备厂家的首选。

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1 ADUC7026的结构与特点

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ADC具有多达12路单端输入。另外还可提供4路输入与4个DAC输出引脚复用。4路DAC输出只是在特定型号上提供(ADuC7020和ADuC7026)。然而,在无DAC输出的情况下,这些引脚仍然可以用作ADC的输入引脚,这样ADC的输入最多可以达到16通道。ADC可以工作在单端或差分输入模式下。ADC输入电压范围为0 V至VREF. 低漂移带隙基准电压源、温度传感器和电压比较器完善了ADC的外设设置。 根据器件型号不同,片内最多可内置4个缓冲电压输出DAC.通过编程可以将DAC输出范围设置为三种电压范围之一。 这些器件通过一个片内振荡器和锁相环(PLL)产生41.78MHz的内部高频时钟信号。该时钟信号通过一个可编程时钟分频器进行中继,在其中产生MCU内核时钟工作频率。微控制器内核为ARM7TDMI,它是一个16位/32位RISC机器,峰值性能最高可达41 MIPS.片内集成有8 KB SRAM和62 KB非易失性Flash/EE存储器。ARM7TDMI内核将所有存储器和寄存器视为一个线性阵列。

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ADuC7026是美国ADI公司ADuC70xxARM系列中最典型的一种,其最大特点是具有一路12通道、12bit、速度达1MSPS的ADC;4路12bit的DAC;以及可编程逻辑阵列(PLA)等。ADuC7026的SPI口只有8位,只能与8位外部SPI接口器件通信。如果外设SPI口是16位的,如AD9833(DDS),则只有采用普通I/O方式仿真SPI口进行通信。ADuC7026所有I/O专用置1、清0寄存器GPxSET/GPxCLR都是只写的,不能读!如果读,输入为全1(FF),不是实际的输出状态。

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所有ARM处理器一样,ADuC7026的外部中断也是电平触发,高电平有效。电平触发比边沿触发要可靠些,不易产生误中断(特别在中断信号有毛刺时),但要注意在退出中断处理程序前要撤销中断源的中断请求,否则会连续触发。如果确要使用边沿触发,可使用外部逻辑电路(或ADuC7026内部PLA将外部触发信号的边沿检测出来,产生宽度不小于4.5us的正脉冲送到ADuC7026即可,ADuC7026本身还是电平触发(无法改变的!)。其内部框图如图1所示。

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2 ADμC7026硬件系统设计

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目前,一般的医学院校针对医学影像技术专业都开设了《医用影像设备学》这门课程。由于一些实际的医疗仪器的控制部分都是集成在机器内部,很不方便学生完成单个电路的控制操作实验,并且还存在着诸如实验设备昂贵、缺少、很难满足学生的实际需要等客观条件,为此结合医学影像技术专业的实际情况,以美国ADI公司生产的AUDC7026为核心开发一款既可以用于学生完成一般的电路硬件实验,又可以用于师生硬件开发的ARM硬件系统,从而研制出适合学生完成医疗设备控制部分的实验系统,以帮助学生从实践中去掌握一些医疗仪器的基本组成、工作原理、接口电路以及硬件连接,并在此基础上拓展软、硬件开发的基本能力,为培养学生的创新能力和今后的实际应用打下良好的基础。所开发的硬件系统组成结构示意图如图2所示。

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2.1 晶振电路的设计

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ADμC7026片上集成了一个32.768kHz晶振、一个时钟分频器和一个PLL(锁相环)。内部的PLL能够将晶振频率放大1376倍,即为系统提供一个稳定的45MHz。为了降低系统功耗,可以通过软件设置时钟分频器的控制寄存器PLLCON和POWCON将经过PLL后输出的45MHz降频,最大可降低至352kHz,由于内部晶振有±3%的误差,因此,用户可以选择外接一个32.768kHz的晶振,通过软件设置PLLCON值使用外部晶振,使系统的性能稳定可靠。

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2.2 电源电路的设计

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电源是系统可靠工作的保证,整个系统的外部电源输入采用直流9V,系统的供电较为复杂,外接9V直流电源经过以稳压集成块7805为核心的直流电源转变为5V直流电压,再经高精度、低压差稳压芯片ADP3333转为3.3V基准电压输出给主电路供电及部分外围电路。

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2.3 存储器扩展电路的设计

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ADμC7026片上集成了62kB的Flash存储器,8kB的SRAM,ADμC7026片上Flash存储器能够通过串行编程模式、JTAG编程模式或并行编程模式在系统中编程。为了提高系统的存储能力,这里用两片不同的存储器扩展了32kB×16的外部扩展存储器。CY7C1020CV33是一种高性能、低功耗CMOS静态随机存储器,并且具有自动断电功能。74INTl6373A是一个高性能、16位D型锁存三态总线输出的BiCMOS静态随机存储器,其工作电压为3.3V。

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2.4 模数转换与数模转换

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ADμC7026片上集成了16通道12位逐次逼近型ADC,能够在电源电压为2.7~3.6V的范围正常工作,在系统时钟频率为45MHz下的最高采样率高达1MSPS。该ADC模块提供一个高精度、低漂移的片上2.5V基准电压VREF,该电压通过片上REFCON寄存器的软件配置也能作为输出,向外提供基准参考源。ADμC7026片上还集成有4通道12位DAC。每个DAC都具有轨至轨的输出电压范围,驱动能力可达100pF或者5kΩ,每个DAC也能通过软件配置来选择输出范围0至VREF(内部基准电压)、0至DACref(外部基准电压)和0至AVDD,而DACref(的取值范围是0V至AVDD。

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2.5 RS-232接口电路和JTAG接口电路

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该ADμC7026(U1)的端口P1.1置和P1.0通过连接线连接到RS-232接口电缆(JB的)。接口电缆另一端可以直接连接到PC串行端口完成所需的电平转换,完成串行编程模式功能。20针的标准JTAG连接器连接到ULINK仿真器以实现Flash下载和片上调试。如图6所示。

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2.6 复位、中断、串行下载电路

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提供一个复位按钮允许用户手动复位,按下S3时,该ADμC7026 RESET引脚将被拉到DGND实现系统复位操作。当按下IRQ0的按钮开关S4时使ADμC7026的P0.4/IRQ0拉为高电平,用来启动一个外部中断0。进入串行下载模式,用户必须按住串行下载按钮S2使P0.0/BM低,同时按下和释放复位按钮。

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3 ADUC7026系统在医学设备上的应用

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ADUC7026为核心的ARM硬件系统上可以拓宽许多专业实验,特别是对影像设备课程的微观实验非常有益,如利用开发的ARM硬件系统配置ARM核微处理器集成开发工具,在μC/OS-II操作系统上,编写源程序来实现对X线机中的曝光时间、X线机管电压、X线管管电流三大参数及其它辅助电路的控制,其控制框图如图8所示。

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通过按动控制面板表面的按钮或触摸屏,观察LED或液晶屏的示数来精确调节曝光所需的管电压、管电流,设定好管电压、管电流数字由ARM控制系统后,按照精度要求通过数模转换模拟控制电压输送到高压控制器,控制X线管高压与强电流,其操作的便利性、直观性、管电压、管电流的重复性、精确性均较传统X线机有了质的提高。且ARM控制电路尚可在曝光时对管电压、管电流采样,通过ADC将得到的二进制数字信号通过I/O口输入ARM系统,与预设值进行比对,对差值部分在今后的曝光过程中进行补偿,通过这种负反馈的控制方式,即使在经过一段较长时间的使用后x线机的管电压、管电流仍然能保持较高的重复性、精确性。

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4 结束语

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从医疗仪器领域发展来看,现在的医疗仪器不仅对其所采集信息的分析、存储和显示等方面提出了更高的要求而且要求其具有更强大的计算、存储能力,更稳定可靠的性能,设备进一步地智能化、专业化、小型化,同时做到低功耗、零污染。这就为ARM系统在医疗仪器中的应用提供了更广阔的天地,这也必将不断地推动医疗仪器行业的飞速发展。

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关键词: 控制 通信

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