基于ARM核的ADμC7O26硬件系统开发及其在医疗仪器中的应用 核磁共振, 微处理器, 检测设备, 超声波, 稳定性

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0引言
随着人们生活水平的不断提高，人们对于自身健康的关注也提升到一个前所未有的高度。在今天，越来越多的高科技手段开始运用到医疗仪器的设计当中。心电图、脑电图等生理参数检测设备，各类型的监护仪器，超声波、X射线成影设备，核磁共振仪器，以及各式各样的物理治疗仪都开始在各地医院广泛使用，并且医学仪器正在向着组合式、多功能、智能化和微型化方向发展。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。

1 ADUC7026的结构与特点

从ARM体系结构上看，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、支撑硬件和嵌入式软件组成。处理器通常是单片机或微控制器；支撑硬件主要包括存储介质、通信部件和显示部件等；嵌入式软件则包括支撑硬件的驱动程序、操作系统、支撑软件以及应用中间件等。可见，嵌入式系统是一个很大的概念，一旦嵌入式处理器和支撑硬件选定了，那么工作最多的就集中在嵌入式软件当中了。许多运算量大的仪器都采用了ARM系统，美国模拟器件公司ADI是一家精于运放和高精度模数转换器（ADC）设计与生产的芯片生产公司，在得到ARM授权后把自己公司中的高精度ADC、成熟的脉冲调制、多路分频等融合为一体，使ARM微控制器不仅具备功能强大的32bit RISC微控制器（MCU）内核，同时具备16通道、快速、12bit分辨率的ADC和4个12bit分辨率数模转换器（DAC）的精密数据转换器。因此ADμC7026集成了ARM7TDMI内核，它具有基于闪存的16bit /32bit RISC（精简指令集计算机）微控制器，其最高处理能力高达45MIPS（Million Instructions Per Second）。模拟外设包括，多达16通道的快速、12bit分辨率ADC、4个独立12bit分辨率DAC和一个温漂优于10ppm/℃的精密带隙基准电压源、8kB片内SRAM，62kBFLASH，可扩展存储空间为512k，JTAG端口支持代码下载与调试，一个比较器，可编程逻辑阵列（PLA）和3相脉宽调制（PWM）发生器，40个通用I/O口，1个ART，4个通用定时器，4个外部中断，其它外设包括一个比较器，PLA和3相PWM发生器。该系列器件也支持灵活的待机（休眠）和唤醒模式，引脚采用了LFCSP或LQFP小封装，从而避免或减少了外界的干扰，提高了测量精度。其内部框图如图1所示。


图1 ADμC7026内部组成框图


2 ADμC7026硬件系统设计

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。


图2 ADμC7026硬件系统的组成
2.1晶振电路的设计
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。


图3 晶振电路

2.2电源电路的设计

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。


图4 电源电路的组成

2.3存储器扩展电路的设计

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.


图5 存储器的扩展

2.4模数转换与数模转换

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.

2.5 RS-232接口电路和JTAG接口电路

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。


图6 RS-232接口电路和JTAG接口电路

2.6复位、中断、串行下载电路

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。


图7 复位，中断、串行下载电路


3 ADUC7026系统在医学设备上的应用

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。


图8 X线机控制系统应用组成框图

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。

4结束语

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。