高性能嵌入式ARM MPU在醫(yī)療電子系統(tǒng)中的應(yīng)用

當(dāng)前，全球醫(yī)療電子行業(yè)正逐漸展現(xiàn)出誘人的發(fā)展前景，產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度不斷提高，同時(shí)，由于醫(yī)療電子產(chǎn)品自身的特殊性，對(duì)元器件的性能、功耗、可靠性和集成度等方面都提出了極高的要求。全球各大著名的半導(dǎo)體廠商紛紛推出一系列適合該應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品。

基于ARM內(nèi)核的32位嵌入式微處理器（MPU），以其高性能、低功耗和豐富的片內(nèi)資源，成為目前眾多醫(yī)療電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)的首選。其中，Cirrus Logic公司推出的旗艦產(chǎn)品EP9315，是目前集成度最高的ARM處理器。該處理器采用ARM920T內(nèi)核，擁有200MHz主頻的高性能，內(nèi)嵌數(shù)學(xué)協(xié)處理器、圖形加速引擎，集成包括IDE和PCMCIA等接口在內(nèi)的豐富的外圍電路，滿足工業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)和極具吸引力的性?xún)r(jià)比，使其在眾多嵌入式微處理器中脫穎而出，成為下一代醫(yī)療電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)的理想選擇。

應(yīng)用需求

醫(yī)療電子產(chǎn)品種類(lèi)繁多，功能不一。根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合分類(lèi)，包括超聲成像系統(tǒng)、多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、常規(guī)檢驗(yàn)系統(tǒng)等。

現(xiàn)在的醫(yī)療電子產(chǎn)品總是采用最新的技術(shù)，以期獲得強(qiáng)大的性能來(lái)完成日益復(fù)雜的算法和眾多的功能，滿足不斷升級(jí)的臨床應(yīng)用需求。其應(yīng)用需求主要表現(xiàn)在以下方面：

1. 隨著產(chǎn)品性能的逐步提升，需要硬件來(lái)完成大量的算法和邏輯運(yùn)算。如B超和高端監(jiān)護(hù)儀等產(chǎn)品已開(kāi)始大量使用FPGA器件；

2. 大尺寸顯示屏和觸摸屏的廣泛應(yīng)用。目前超聲產(chǎn)品，多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀和一些檢驗(yàn)產(chǎn)品如血球儀、生化分析儀等大多使用10~15范圍內(nèi)的大尺寸顯示屏，采用640×480、800×600或者1024×768的分辨率。另外，觸摸屏在該領(lǐng)域的使用也越來(lái)越廣泛；

3. 大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)。像B超和彩超等產(chǎn)品由于應(yīng)用層軟件的日益龐大和圖像深度存儲(chǔ)的需要，已開(kāi)始外接標(biāo)準(zhǔn)IDE硬盤(pán)；

4. 外圍接口的需要。如網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口在醫(yī)療電子產(chǎn)品中已不可或缺；

5. 音頻Codec的應(yīng)用。例如在彩超系統(tǒng)中，就需要通過(guò)音頻Codec來(lái)完成多普勒血流音頻數(shù)據(jù)的編解碼；

6. 便攜式產(chǎn)品的出現(xiàn)增加了對(duì)功耗的關(guān)注程度。

上述一系列的應(yīng)用需求對(duì)微處理器平臺(tái)提出了更高的要求，工程師在選型時(shí)往往希望速度更快、集成度更高而功耗更低，尤其是在高集成度方面，不僅可以保證設(shè)計(jì)工作的便捷性和可靠性，而且能夠有效地控制成本。

EP9315的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

微處理器作為系統(tǒng)的核心控制器件，其各項(xiàng)指標(biāo)往往是工程師們?cè)谶x型時(shí)最為關(guān)注的。與其他基于ARM9內(nèi)核的嵌入式微處理器相比較，Cirrus Logic公司的EP9315無(wú)論是在整體性能、片內(nèi)外圍接口，以及系統(tǒng)成本方面，都有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。EP9315的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

EP9315各項(xiàng)指標(biāo)如下：

1. 集成主頻為200MHz的ARM920T內(nèi)核以及支持Linux、Windows CE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理單元（MMU）。擁有16KB指令緩存和16KB數(shù)據(jù)緩存；

2. 內(nèi)嵌MaverickCrunch數(shù)學(xué)協(xié)處理器，顯著提高了對(duì)單/雙精度整數(shù)及浮點(diǎn)的運(yùn)算速度，有助于復(fù)雜算法的運(yùn)算。這在其他ARM微處理器中非常少見(jiàn)；

3. 集成2D圖形加速引擎，通過(guò)塊復(fù)制、塊填充等操作，增強(qiáng)系統(tǒng)的圖像處理能力。該圖像加速引擎獨(dú)立于微處理器，不會(huì)增加系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)。最高可支持到1024×768的分辨率，基本滿足大多數(shù)醫(yī)療電子產(chǎn)品的大尺寸屏應(yīng)用；

4. 豐富的片內(nèi)/外圍接口資源，完全可以滿足目前各類(lèi)醫(yī)療電子產(chǎn)品的應(yīng)用需求。從表1中可以看到Cirrus Logic的基于ARM9的全系列微處理器的各項(xiàng)參數(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)及Cirrus Logic完善的技術(shù)支持

為了配合客戶的同步開(kāi)發(fā)，縮短研發(fā)周期，提升設(shè)計(jì)品質(zhì)，Cirrus Logic公司專(zhuān)程在北京成立了一個(gè)由20多位工程師組成的技術(shù)支持中心，負(fù)責(zé)EP93xx系列產(chǎn)品的軟硬件技術(shù)支持。不僅可以提供開(kāi)發(fā)板等設(shè)計(jì)參考，而且提供大量的軟件支持服務(wù)，包括Windows CE平臺(tái)下的BSP源碼，驅(qū)動(dòng)源碼以及Linux平臺(tái)完整內(nèi)核源碼和開(kāi)發(fā)工具包。Cirrus Logic中國(guó)及香港區(qū)總經(jīng)理Peter說(shuō)：“我們不僅僅為客戶提供芯片，更重要的是我們能夠提供全套的解決方案和開(kāi)發(fā)中的技術(shù)支持。毫無(wú)疑問(wèn)，這對(duì)降低客戶的開(kāi)發(fā)難度有極大的幫助?！?/p>

成功的案例

目前已經(jīng)有一些公司選擇EP9315作為系統(tǒng)的處理平臺(tái)。Emperor公司的硬件設(shè)計(jì)師說(shuō)：“我們選擇EP9315作為B超系統(tǒng)升級(jí)的平臺(tái)，主要是看重以下3點(diǎn)：1. 集成數(shù)學(xué)協(xié)處理器，相比較同類(lèi)型產(chǎn)品在算法處理速度上會(huì)快很多；2. 支持高分辨率，滿足了對(duì)圖像顯示的要求，而不用額外增加一個(gè)視頻編解碼芯片；3. 提供IDE接口，因?yàn)樵贐超產(chǎn)品中會(huì)用到硬盤(pán)和DVD光驅(qū)?！?/p>

開(kāi)發(fā)多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品的深圳A decon公司也已經(jīng)大量使用該芯片，總工程師認(rèn)為EP9315具備工業(yè)級(jí)芯片的可靠性，這一點(diǎn)在醫(yī)療設(shè)備中極為重要；另外，完善的技術(shù)支持也為前期的開(kāi)發(fā)工作掃清了障礙。

EP9315提供商業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)兩種型號(hào)（表2），同時(shí)提供無(wú)鉛產(chǎn)品。