ADμC7O26硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

　　隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)于自身健康的關(guān)注也提升到一個(gè)前所未有的高度。在今天，越來(lái)越多的高科技手段開(kāi)始運(yùn)用到醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)當(dāng)中。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備，各類(lèi)型的監(jiān)護(hù)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(kāi)始在各地醫(yī)院廣泛使用，并且醫(yī)學(xué)儀器正在向著組合式、多功能、智能化和微型化方向發(fā)展?，F(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(lái)增強(qiáng)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(hào)的采集、處理、通信一體化，并具有自診斷、自校驗(yàn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。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(qiáng)大、功耗低和穩(wěn)定性強(qiáng)、采用硬件與指令雙重加速來(lái)提高性能和指令速度的優(yōu)勢(shì)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(diǎn)

　　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(jī)或微控制器；支撐硬件主要包括存儲(chǔ)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(dòng)程序、操作系統(tǒng)、支撐軟件以及應(yīng)用中間件等?？梢?jiàn)，嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)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(dāng)中了。許多運(yùn)算量大的儀器都采用了ARM系統(tǒng)，美國(guó)模擬器件公司ADI是一家精于運(yùn)放和高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)設(shè)計(jì)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(qiáng)大的32bit RISC微控制器(MCU)內(nèi)核，同時(shí)具備16通道、快速、12bit分辨率的ADC和4個(gè)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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))微控制器，其最高處理能力高達(dá)45MIPS(Million Instructions Per Second)。模擬外設(shè)包括，多達(dá)16通道的快速、12bit分辨率ADC、4個(gè)獨(dú)立12bit分辨率DAC和一個(gè)溫漂優(yōu)于10ppm／℃的精密帶隙基準(zhǔn)電壓源、8kB片內(nèi)SRAM，62kBFLASH，可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間為512k，JTAG端口支持代碼下載與調(diào)試，一個(gè)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(gè)通用I／O口，1個(gè)ART,4個(gè)通用定時(shí)器，4個(gè)外部中斷，其它外設(shè)包括一個(gè)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(jī)(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(cè)量精度。其內(nèi)部框圖如圖1所示。

2 ADμC7026硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　目前，一般的醫(yī)學(xué)院校針對(duì)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設(shè)了《醫(yī)用影像設(shè)備學(xué)》這門(mén)課程。由于一些實(shí)際的醫(yī)療儀器的控制部分都是集成在機(jī)器內(nèi)部，很不方便學(xué)生完成單個(gè)電路的控制操作實(shí)驗(yàn)，并且還存在著諸如實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、缺少、很難滿足學(xué)生的實(shí)際需要等客觀條件，為此結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際情況，以美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的AUDC7026為核心開(kāi)發(fā)一款既可以用于學(xué)生完成一般的電路硬件實(shí)驗(yàn)，又可以用于師生硬件開(kāi)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以幫助學(xué)生從實(shí)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(kāi)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(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。所開(kāi)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(jì)

　　ADμC7026片上集成了一個(gè)32．768kHz晶振、一個(gè)時(shí)鐘分頻器和一個(gè)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(gè)穩(wěn)定的45MHz。為了降低系統(tǒng)功耗，可以通過(guò)軟件設(shè)置時(shí)鐘分頻器的控制寄存器PLLCON和POWCON將經(jīng)過(guò)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(gè)32．768kHz的晶振，通過(guò)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(jì)

　　電源是系統(tǒng)可靠工作的保證，整個(gè)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(guò)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(chǔ)器擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)

　　ADμC7026片上集成了62kB的Flash存儲(chǔ)器，8kB的SRAM，ADμC7026片上Flash存儲(chǔ)器能夠通過(guò)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(chǔ)能力，這里用兩片不同的存儲(chǔ)器擴(kuò)展了32kB×16的外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。CY7C1020CV33是一種高性能、低功耗CMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，并且具有自動(dòng)斷電功能。74INTl6373A是一個(gè)高性能、16位D型鎖存三態(tài)總線輸出的BiCMOS靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(shí)鐘頻率為45MHz下的最高采樣率高達(dá)1MSPS。該ADC模塊提供一個(gè)高精度、低漂移的片上2．5V基準(zhǔn)電壓VREF，該電壓通過(guò)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(gè)DAC都具有軌至軌的輸出電壓范圍，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)100pF或者5kΩ，每個(gè)DAC也能通過(guò)軟件配置來(lái)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。