0 引言
隨著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(yī)療儀器的設(shè)計當中,。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測設(shè)備,，各類型的監(jiān)護儀器,，超聲波、X射線成影設(shè)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(yī)院廣泛使用，并且醫(yī)學儀器正在向著組合式,、多功能,、智能化和微型化方向發(fā)展。現(xiàn)代的醫(yī)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(wěn)定性和數(shù)據(jù)處理的精確性,，使醫(yī)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(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
從ARM體系結(jié)構(gòu)上看,，嵌入式系統(tǒng)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(qū)動程序,、操作系統(tǒng)、支撐軟件以及應(yīng)用中間件等,?？梢?，嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)，美國模擬器件公司ADI是一家精于運放和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)設(shè)計與生產(chǎn)的芯片生產(chǎn)公司,，在得到ARM授權(quán)后把自己公司中的高精度ADC,、成熟的脈沖調(diào)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(nèi)核,，同時具備16通道、快速,、12bit分辨率的ADC和4個12bit分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,。因此ADμC7026集成了ARM7TDMI內(nèi)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(shè)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(yōu)于10ppm／℃的精密帶隙基準電壓源,、8kB片內(nèi)SRAM,，62kBFLASH，可擴展存儲空間為512k,，JTAG端口支持代碼下載與調(diào)試,，一個比較器，可編程邏輯陣列(PLA)和3相脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)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(shè)包括一個比較器,，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(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)學院校針對醫(yī)學影像技術(shù)專業(yè)都開設(shè)了《醫(yī)用影像設(shè)備學》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,、很難滿足學生的實際需要等客觀條件,，為此結(jié)合醫(yī)學影像技術(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),，從而研制出適合學生完成醫(yī)療設(shè)備控制部分的實驗系統(tǒng)，以幫助學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(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(zhuǎn)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(xiàn)Flash下載和片上調(diào)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(xiàn)系統(tǒng)復位操作。當按下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,，同時按下和釋放復位按鈕,。
3 ADUC7026系統(tǒng)在醫(yī)學設(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。