基于ADμC7024微處理器在醫(yī)療脈搏血氧計(jì)中的應(yīng)用

引言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的提高，極大地推動(dòng)了醫(yī)療電子設(shè)備的發(fā)展，當(dāng)今醫(yī)療電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、實(shí)時(shí)性、低功耗和小尺寸，作為醫(yī)療電子設(shè)備中核心地位的MCU（微處理器）也隨著這一發(fā)展趨勢(shì)向前不斷衍變著。由早期的8位MCU發(fā)展到目前的32位RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）MCU。美國(guó)ADI公司根據(jù)市場(chǎng)的需要最新推出了一款基于ARM（高級(jí)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）核的微處理器ADμC7024便是目前32位RISC MCU的杰出代表。ADμC7024卓越的處理能力、集成眾多片上外圍器件和芯片低功耗的特點(diǎn)，完全勝任目前醫(yī)療電子設(shè)備的需求及未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。

本文以ADμC7024在醫(yī)療電子中監(jiān)護(hù)產(chǎn)品脈搏血氧計(jì)的應(yīng)用為例，重點(diǎn)介紹其在醫(yī)療電子行業(yè)中的實(shí)際用途。

1、ARM內(nèi)核特點(diǎn)

英國(guó)ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供ARM處理器內(nèi)核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI及ARM10TDMI等）。由各半導(dǎo)體公司在上述處理器內(nèi)核基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種MCU。目前基于ARM內(nèi)核的芯片在嵌入式處理器市場(chǎng)上占據(jù)75％的份額。

ARM作為嵌入式系統(tǒng)的處理器，具有低電壓，低功耗和高集成度等特點(diǎn)，并具有開放性和可擴(kuò)充性。事實(shí)上，ARM內(nèi)核已成為嵌入式系統(tǒng)首選的處理器內(nèi)核。而對(duì)于醫(yī)療電子設(shè)備而言，并不需要圖像處理等方面更高的要求，因此，ARM7TDMI內(nèi)核以0.9MIPS（百萬(wàn)條指令每秒）/MHz的高效處理能力足以滿足應(yīng)用需要。

ARM7TDMI內(nèi)核是ARM核系列中32位通用內(nèi)核中的一個(gè)產(chǎn)品，它采用三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行分成取指、譯值和執(zhí)行3個(gè)階段。運(yùn)算器能夠?qū)崿F(xiàn)32位整數(shù)運(yùn)算。內(nèi)核不但能夠執(zhí)行32位高效ARM指令，同時(shí)還支持簡(jiǎn)潔的16位Thumb指令集以提高代碼密度。

ARM7TDMI名稱的含義為：

a）ARM7：ARM系列具有32位運(yùn)算能力的內(nèi)核，它采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以是8位，16位和32位，而指令長(zhǎng)度是32位。

b）T：內(nèi)含16位壓縮指令集Thumb，由于32位RISC型處理器的指令代碼利用率較低，ARM為了彌補(bǔ)不足，在新型ARM架構(gòu)（V4T版以上，成熟架構(gòu)由V3版發(fā)展到V6版）定義了16位的Thumb指令集，Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC處理器具有更好的代碼密度，而芯片面積只增加6％，可使程序存儲(chǔ)器更小。

c）D：支持片內(nèi)調(diào)試，該內(nèi)核包含用于調(diào)試的硬件結(jié)構(gòu)，可使CPU進(jìn)入調(diào)試模塊，可以方便地進(jìn)行斷點(diǎn)觀察點(diǎn)設(shè)置、單步調(diào)試和多步調(diào)試。

d）M：采用增強(qiáng)型乘法器。AARM7TDMI指令集包含2個(gè)32位×32位的乘法指令和2個(gè)乘法累加MAC指令，該結(jié)構(gòu)使得指令的執(zhí)行比其他類型的ARM7內(nèi)核減小了許多機(jī)器周期。

e）I：內(nèi)含嵌入式ICE宏單元，ARM架構(gòu)的處理器芯片都嵌入了Embedded ICE－RT邏輯塊，便于通過(guò)JTAG接口來(lái)仿真調(diào)試RAM架構(gòu)芯片。

2、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

美國(guó)ADI公司利用其在模擬電路領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，綜合基于8052－8位ADμC8xx的技術(shù)積累，將ARM7TDMI內(nèi)核和ADC（A/D轉(zhuǎn)換器），DAC（D/A轉(zhuǎn)換器）等外圍設(shè)備集成在一塊芯片上，就是最近推向市場(chǎng)的拳頭產(chǎn)品ADμC702x系列。其中ADμC7020、ADμC7021、ADμC7022、ADμC7026等芯片除了在片上Flash和SRAM容量大小、ADC和DAC通道數(shù)量、PWM（脈寬調(diào)制）相位數(shù)量有差別外，其他完全一致；而ADμC7026，ADμC7027具有外部擴(kuò)展內(nèi)存接口。

本文主要介紹其中具有代表性的一款--ADμC7024，工業(yè)級(jí)的ADμC7024工作于2.7V－3.6V電源電壓，64引腳CSP封裝的芯片面積僅為9mm×9mm，在1MHz時(shí)鐘頻率下芯片最高功耗為5mA，在最大時(shí)鐘頻率45MHz下芯片最高功耗為60mA。其原理框圖如圖1所示。

2.1 片上集成高性能的ADC和DAC

ADμC7024片上集成了10通道12位逐次逼近型ADC，能夠在電源電壓為2.7V－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（百萬(wàn)次采樣每秒）。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。ADC能夠工作于單端轉(zhuǎn)換模式或者差分轉(zhuǎn)換模式，在單端轉(zhuǎn)換模式下的輸入電壓范圍是0至VREF，在差分轉(zhuǎn)換模式下輸入電壓范圍是0至AVDD（AVDD通常情況下為3.3V）ADC單個(gè)或連續(xù)的轉(zhuǎn)換能夠被外部引腳CONVstar、片上PLA、定時(shí)器1或定時(shí)器2所觸發(fā)。

通過(guò)ADC控制寄存器ADCCON，通道選擇寄存器ADCCP和ADCCN軟件配置好ADC后，轉(zhuǎn)換結(jié)果將存儲(chǔ)在寄存器ADCDAT位27至位16中，通過(guò)ADC狀態(tài)寄存器ADCSTA的位0可以查看ADC轉(zhuǎn)換是否完成，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，位0被置位；當(dāng)讀取ADC－DAT時(shí)，該位自動(dòng)被清空。當(dāng)ADC正在執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作時(shí)，片上引腳ADCBusy保持高電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束，該引腳馬上變?yōu)榈碗娖健?/p>

還可以通過(guò)ADCRST寄存器將ADC模塊中所有寄存器恢復(fù)至默認(rèn)值；通過(guò)調(diào)整ADCOF和ADCGN寄存器的值可以調(diào)整ADC轉(zhuǎn)換精度，不過(guò)，該寄存器出廠時(shí)已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)。

由于該ADC的是逐次逼近型結(jié)構(gòu)，因此比較適合低功耗的產(chǎn)品應(yīng)用。

ADμC7024片上還集成有2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。

DAC的使用十分簡(jiǎn)單，通過(guò)DAC控制寄存器DAC0CON或者DAC1CON來(lái)選擇通道和配置DAC通道特性，然后通過(guò)向DAC0CON或DAC1CON的位27至位16寫入數(shù)值，就可以在DAC引腳上得到所需要的模擬電壓結(jié)果。

2.2 片上集成Flash寄存器和SRAM

ADμC7024片上集成了64KB的Flash存儲(chǔ)器，其中低62KB的Flash存儲(chǔ)器是用戶可以編程的，剩下的高2kB區(qū)域是用戶不可接觸的固件程序，里面包含了在線串行下載程序及出廠配置默認(rèn)方案。ADμC7024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。

1）串行編程模式

當(dāng)片上BM引腳芯片被拉低時(shí)，ADμC7024重啟動(dòng)將進(jìn)入串行下載模式，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的UART端口或IIC端口在線下載程序。

2）并行編程模式

并行編程協(xié)議使得片上Flash存儲(chǔ)器能夠通過(guò)工業(yè)級(jí)第三方編程器進(jìn)行編程。

3）JTAG編程模式

ADμC7024片上Flash存儲(chǔ)器完全遵守IEEE 1149.1規(guī)范，因而可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口來(lái)下載程序和進(jìn)行調(diào)試代碼，使得系統(tǒng)的開發(fā)十分簡(jiǎn)單易行。

而ADμC7024片上Flash存儲(chǔ)器通過(guò)FEEPRO、FEEHIDE寄存器的軟件設(shè)置可以防止程序通過(guò)JTAG接口或并行編程模式被讀出，有效地保障了開發(fā)人員的勞動(dòng)成果。

2.3 晶振和PLL

ADμC7024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。

2.4 復(fù)用I/O及標(biāo)準(zhǔn)的UART、SPI、IIC

ADμC7024提供30個(gè)通用型雙向I/O引腳。所有的I/O引腳具有5V電壓耐壓能力，一些I/O引腳中與其他外圍設(shè)備引腳復(fù)用。在默認(rèn)情況下，所有的GPIO都是I/O模式，如果在實(shí)際中需要將I/O口復(fù)用成其他情況的，只需要按照I/O控制配置寄存器GPxCON的手冊(cè)配置方案軟件編程即可（這里x表示端口0，端口1，…，端口4，如1端口5引腳則是P1.5）。在配置成I/O情況下，可以通過(guò)置位數(shù)據(jù)寄存器GPxDAT中某些位的值使引腳輸出“1”；同時(shí)可以清除數(shù)據(jù)寄存器GPxDAT中的某些位的值使引腳輸出“0”；還可以讀數(shù)據(jù)寄存器GPxDAT中某些位的值得到輸入引腳的值（x同前面介紹，具體設(shè)置請(qǐng)參考ADμC7024手冊(cè)）。

ADμC7024片上集成了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、全雙工模式的異步串口UART（通用異步收發(fā)器），它們與16450串口標(biāo)準(zhǔn)所兼容。片上UART的波特率產(chǎn)生器中包含一個(gè)小數(shù)分頻器，使得UART波特率的產(chǎn)生更加精確。同時(shí)，其中一個(gè)UART還支持網(wǎng)絡(luò)尋址模式下的串口發(fā)送接收模式。UART的使用首先通過(guò)I/O的配置成UART端口引腳。然后通過(guò)軟件配置UART配置寄存器及波特率設(shè)定寄存器就可以通過(guò)COMTX寄存器、COMRX寄存器分別發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

ADμC7024片上也集成了標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)級(jí)同步串口SPI（串行外圍接口），SPI接口可以同步接收和發(fā)送8位數(shù)據(jù)，最高速率可達(dá)5.6Mbit/s。該SPI能夠被配置成主（Master）或者從（Slave）兩種工作模式，關(guān)于SPI使能、選擇工作模式、串行時(shí)鐘相位及極性、先發(fā)送低有效位還是高有效位等多項(xiàng)設(shè)置，均是通過(guò)SPICON編程而得到，而主模式發(fā)送的串行時(shí)鐘頻率由SPIDIV來(lái)設(shè)定，從模式則不用設(shè)定串行時(shí)鐘頻率，因?yàn)榇袝r(shí)鐘是由主模式的SPI來(lái)決定的，通過(guò)讀取SPISTA中某些數(shù)據(jù)位的值，可以知道SPI是否發(fā)送結(jié)束或者接收結(jié)束。

ADμC7024還具有兩個(gè)經(jīng)Philips公司授權(quán)的IIC接口，IIC是Philips公司20世紀(jì)80年代開發(fā)的一個(gè)簡(jiǎn)單的兩線總線，包括一條數(shù)據(jù)線和一條時(shí)鐘線，速率有100kHz和400kHz兩種方式，目前IIC已經(jīng)成為重要的全球業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，被所有主要的集成電路廠商所認(rèn)同和使用。它采用主－從通信方式，采用總線仲裁特性，使得在某一時(shí)刻只有兩個(gè)器件進(jìn)行通信，具體數(shù)據(jù)指標(biāo)參考ADμC7024數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2.5 中斷系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)是一個(gè)MCU在應(yīng)用中的靈魂所在。ADμC7024片上中斷控制器控制著24個(gè)中斷源。這些中斷源包括片上ADC中斷、UART中斷、2個(gè)外部中斷請(qǐng)求XIRQ0和XIRQ1等，而ARM7TDMI內(nèi)核僅僅將這些中斷源分成兩大類來(lái)識(shí)別，一類是IRQ，另一類是FIQ。所有中斷源能夠單獨(dú)地被屏蔽。中斷系統(tǒng)的控制和配置管理由9個(gè)關(guān)于中斷方面的寄存器所控制，4個(gè)涉及到IRQ的寄存器、4個(gè)涉及到FIQ的寄存器，1個(gè)用來(lái)選擇已編程的中斷源寄存器SWICFG。雖然作為一個(gè)已編程的中斷源是不能夠被屏蔽掉的，但是它們可以被SWICFG來(lái)控制。

2.6 定時(shí)器

ADμC7024有4個(gè)通用定時(shí)器：定時(shí)器0、定時(shí)器1、定時(shí)器2和定時(shí)器3。這4個(gè)定時(shí)器在一般的操作模式下均能按照默認(rèn)值計(jì)數(shù)或者按照預(yù)設(shè)值寄存器TxLD（x表示0，1，2，和3中的某一個(gè)寄存器）中值來(lái)計(jì)算。在任意時(shí)刻可以通過(guò)讀取TxVAL寄存器中的值了解定時(shí)器中的當(dāng)前計(jì)數(shù)值。通過(guò)配置TxCON的值可以設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)器按照一定的方式開始計(jì)數(shù)。

定時(shí)器0是一個(gè)通用型16位倒計(jì)數(shù)定時(shí)器，該定時(shí)器的刻度尺頻率來(lái)源是系統(tǒng)時(shí)鐘，計(jì)數(shù)默認(rèn)值可以是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的16分頻和256分頻。

定時(shí)器1是一個(gè)32位通用型累加定時(shí)器或者倒計(jì)時(shí)定時(shí)器。該定時(shí)器的刻度尺頻率來(lái)源可以是32kHz晶振、系統(tǒng)時(shí)鐘和外部GPIO三者之一。計(jì)數(shù)默認(rèn)值可以是刻度尺頻率、刻度尺頻率的16分頻、256分頻和32768分頻。定時(shí)器1可以被設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的32位時(shí)間值，如Hours：Minutes：Seconds：Hundreths這樣的格式。定時(shí)器1通過(guò)預(yù)設(shè)響應(yīng)IRQ事件，可以比通常情況下定時(shí)器0響應(yīng)IRQ中斷請(qǐng)求要準(zhǔn)確得多。它還可以用來(lái)觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程。

定時(shí)器2的系統(tǒng)刻度尺頻率來(lái)源是內(nèi)部集成的32.768kHz晶振，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘停止工作時(shí)，該定時(shí)器還可以繼續(xù)運(yùn)行，這一特性可以用來(lái)將處于休眠狀態(tài)的系統(tǒng)內(nèi)核恢復(fù)至正常工作狀態(tài)。

定時(shí)器3由兩種工作模式，一種通常模式與前面3個(gè)定時(shí)器一樣，還有一種是看門狗模式。一旦程序跑飛時(shí)，可以利用該定時(shí)器看門狗模式來(lái)重啟動(dòng)處理器，令其恢復(fù)正常工作。

2.7 其他外圍設(shè)備及特性

片上還集成有獨(dú)立的比較器、電源監(jiān)控模塊、三相PWM（在ADμC7020、ADμC7021、ADμC7022是單相PWM）以及PLA（可編程邏輯陣列）。其中PLA的輸入輸出引腳與GPIO復(fù)用。

3、引腳定義

ADμC7024引腳定義見表1。

4 、應(yīng)用實(shí)例

該芯片卓越的數(shù)據(jù)處理能力、片上集成的高精度ADC及DAC等豐富的片上外圍設(shè)備以及時(shí)鐘頻率可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，使得在要求低功耗、高精度、實(shí)時(shí)性等嵌入式微信號(hào)處理系統(tǒng)中的應(yīng)用如魚得水。現(xiàn)以脈搏血氧計(jì)為例，介紹其中一個(gè)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

ADμC7024作為系統(tǒng)的核心MCU，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)其他電路模塊的正常工作，它將采集到的血氧信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)SPI總線傳送給LCD顯示屏得以顯示。

根據(jù)實(shí)際臨床結(jié)果顯示，ADμC7024已完全勝任設(shè)計(jì)血氧模塊的任務(wù)，處理能力、采樣率、采樣精度、功耗、實(shí)時(shí)性要求等指標(biāo)完全達(dá)到系統(tǒng)的要求，ARM體系架構(gòu)使得醫(yī)療電子的穩(wěn)定性得到極大保障。最后，采用第三方Keil公司μVision開發(fā)工具，用C語(yǔ)言作為開發(fā)語(yǔ)言，利用GNU的ARM－ELF－GCC等工具作為編譯器及鏈接器，易學(xué)易用，它的調(diào)試仿真工具也是Keil公司開發(fā)的Ulink仿真器，調(diào)試簡(jiǎn)單，縮短上市時(shí)間，便于移植。

可以預(yù)料，在不久的將來(lái)，ADμC7024以其獨(dú)樹一幟的性能必將在醫(yī)療電子行業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

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