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隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關注也提升到一個前所未有的高度。在今天，越來越多的高科技手段開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，各類型的監護儀器，超聲波、X射線成影設備，核磁共振儀器，以及各式各樣的物理治療儀都開始在各地醫院廣泛使用，并且醫學儀器正在向著組合式、多功能、智能化和微型化方向發展。現代的醫學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，提高其穩定性和數據處理的精確性，使醫學信號的采集、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勢得到廣泛的應用，成為多家醫療設備廠家的首選。 1 ADUC7026的結構與特點 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、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程序、操作系統、支撐軟件以及應用中間件等。可見，嵌入式系統是一個很大的概念，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)設計與生產的芯片生產公司，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，同時具備16通道、快速、12bit分辨率的ADC和4個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個獨立12bit分辨率DAC和一個溫漂優于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，一個比較器，可編程邏輯陣列(PLA)和3相脈寬調制(PWM)發生器，40個通用I／O口，1個ART,4個通用定時器，4個外部中斷，其它外設包括一個比較器，PLA和3相PWM發生器。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，一般的醫學院校針對醫學影像技術專業都開設了《醫用影像設備學》這門課程。由于一些實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備昂貴、缺少、很難滿足學生的實際需要等客觀條件，為此結合醫學影像技術專業的實際情況，以美國ADI公司生產的AUDC7026為核心開發一款既可以用于學生完成一般的電路硬件實驗，又可以用于師生硬件開發的ARM硬件系統，從而研制出適合學生完成醫療設備控制部分的實驗系統，以幫助學生從實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、硬件開發的基本能力，為培養學生的創新能力和今后的實際應用打下良好的基礎。所開發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32．768kHz晶振、一個時鐘分頻器和一個PLL(鎖相環)。內部的PLL能夠將晶振頻率放大1376倍，即為系統提供一個穩定的45MHz。為了降低系統功耗，可以通過軟件設置時鐘分頻器的控制寄存器PLLCON和POWCON將經過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，用戶可以選擇外接一個32．768kHz的晶振，通過軟件設置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直流電源經過以穩壓集成塊7805為核心的直流電源轉變為5V直流電壓，再經高精度、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型鎖存三態總線輸出的BiCMOS靜態隨機存儲器，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 提供一個復位按鈕允許用戶手動復位，按下S3時，該ADμC7026 RESET引腳將被拉到DGND實現系統復位操作。當按下IRQ0的按鈕開關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，同時按下和釋放復位按鈕。 3 ADUC7026系統在醫學設備上的應用 ADUC7026為核心的ARM硬件系統上可以拓寬許多專業實驗，特別是對影像設備課程的微觀實驗非常有益，如利用開發的ARM硬件系統配置ARM核微處理器集成開發工具，在μC／OS-II操作系統上，編寫源程序來實現對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或液晶屏的示數來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，按照精度要求通過數模轉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、管電流的重復性、精確性均較傳統X線機有了質的提高。且ARM控制電路尚可在曝光時對管電壓、管電流采樣，通過ADC將得到的二進制數字信號通過I／O口輸入ARM系統，與預設值進行比對，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性、精確性。 4 結束語 從醫療儀器領域發展來看，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，設備進一步地智能化、專業化、小型化，同時做到低功耗、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醫療儀器行業的飛速發展。 |
