基于ARM核的微處理器ADμC7024在醫(yī)療電子中的應用
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0 引言
隨著信息技術的迅猛發(fā)展和人民生活水平的提高，極大地推動了醫(yī)療電子設備的發(fā)展，當今醫(yī)療電子設備的發(fā)展趨勢是高精度、實時性、低功耗和小尺寸，作為醫(yī)療電子設備中核心地位的MCU（微處理器）也隨著這一發(fā)展趨勢向前不斷衍變著。由早期的8位MCU發(fā)展到目前的32位RISC（精簡指令集計算機）MCU。美國ADI公司根據(jù)市場的需要最新推出了一款基于ARM（高級精簡指令集計算機）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，完全勝任目前醫(yī)療電子設備的需求及未來的發(fā)展目標。
本文以ADμC7024在醫(yī)療電子中監(jiān)護產品脈搏血氧計的應用為例，重點介紹其在醫(yī)療電子行業(yè)中的實際用途。
1 ARM內核特點
英國ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP（知識產權）供應商，它為ARM架構處理器提供ARM處理器內核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI及ARM10TDMI等）。由各半導體公司在上述處理器內核基礎上進行再設計，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種MCU。目前基于ARM內核的芯片在嵌入式處理器市場上占據(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，并具有開放性和可擴充性。事實上，ARM內核已成為嵌入式系統(tǒng)首選的處理器內核。而對于醫(yī)療電子設備而言，并不需要圖像處理等方面更高的要求，因此，ARM7TDMI內核以0.9MIPS（百萬條指令每秒）/MHz的高效處理能力足以滿足應用需要。
ARM7TDMI內核是ARM核系列中32位通用內核中的一個產品，它采用三級流水線結構，指令的執(zhí)行分成取指、譯值和執(zhí)行3個階段。運算器能夠實現(xiàn)32位整數(shù)運算。內核不但能夠執(zhí)行32位高效ARM指令，同時還支持簡潔的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位運算能力的內核，它采用馮·諾依曼結構，數(shù)據(jù)長度可以是8位，16位和32位，而指令長度是32位。
b）T：內含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為了彌補不足，在新型ARM架構（V4T版以上，成熟架構由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％，可使程序存儲器更小。
c）D：支持片內調試，該內核包含用于調試的硬件結構，可使CPU進入調試模塊，可以方便地進行斷點觀察點設置、單步調試和多步調試
d）M：采用增強型乘法器。AARM7TDMI指令集包含2個32位×32位的乘法指令和2個乘法累加MAC指令，該結構使得指令的執(zhí)行比其他類型的ARM7內核減小了許多機器周期。
e）I：內含嵌入式ICE宏單元，ARM架構的處理器芯片都嵌入了Embedded ICE－RT邏輯塊，便于通過JTAG接口來仿真調試RAM架構芯片。
2 芯片內部結構及特點
美國ADI公司利用其在模擬電路領域的優(yōu)勢，綜合基于8052－8位ADμC8xx的技術積累，將ARM7TDMI內核和ADC（A/D轉換器），DAC（D/A轉換器）等外圍設備集成在一塊芯片上，就是最近推向市場的拳頭產品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（脈寬調制）相位數(shù)量有差別外，其他完全一致；而ADμC7026，ADμC7027具有外部擴展內存接口。
本文主要介紹其中具有代表性的一款--ADμC7024，工業(yè)級的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時鐘頻率下芯片最高功耗為5mA，在最大時鐘頻率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)時鐘頻率為45MHz下的最高采樣率高達1MSPS（百萬次采樣每秒）。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。ADC能夠工作于單端轉換模式或者差分轉換模式，在單端轉換模式下的輸入電壓范圍是0至VREF，在差分轉換模式下輸入電壓范圍是0至AVDD（AVDD通常情況下為3.3V）ADC單個或連續(xù)的轉換能夠被外部引腳CONVstar、片上PLA、定時器1或定時器2所觸發(fā)。
通過ADC控制寄存器ADCCON，通道選擇寄存器ADCCP和ADCCN軟件配置好ADC后，轉換結果將存儲在寄存器ADCDAT位27至位16中，通過ADC狀態(tài)寄存器ADCSTA的位0可以查看ADC轉換是否完成，當ADC轉換結束時，位0被置位；當讀取ADC－DAT時，該位自動被清空。當ADC正在執(zhí)行轉換操作時，片上引腳ADCBusy保持高電平，一旦轉換結束，該引腳馬上變?yōu)榈碗娖健?
還可以通過ADCRST寄存器將ADC模塊中所有寄存器恢復至默認值；通過調整ADCOF和ADCGN寄存器的值可以調整ADC轉換精度，不過，該寄存器出廠時已經過校準。
由于該ADC的是逐次逼近型結構，因此比較適合低功耗的產品應用。
ADμC7024片上還集成有2通道12位DAC。每個DAC都具有軌至軌的輸出電壓范圍，驅動能力可達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。
DAC的使用十分簡單，通過DAC控制寄存器DAC0CON或者DAC1CON來選擇通道和配置DAC通道特性，然后通過向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果。
2.2 片上集成Flash寄存器和SRAM
ADμC7024片上集成了64KB的Flash存儲器，其中低62KB的Flash存儲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方案。ADμC7024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。
1）串行編程模式
當片上BM引腳芯片被拉低時，ADμC7024重啟動將進入串行下載模式，通過標準的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存儲器能夠通過工業(yè)級第三方編程器進行編程。
3）JTAG編程模式
ADμC7024片上Flash存儲器完全遵守IEEE 1149.1規(guī)范，因而可以通過標準的JTAG接口來下載程序和進行調試代碼，使得系統(tǒng)的開發(fā)十分簡單易行。
而ADμC7024片上Flash存儲器通過FEEPRO、FEEHIDE寄存器的軟件設置可以防止程序通過JTAG接口或并行編程模式被讀出，有效地保障了開發(fā)人員的勞動成果。
2.3 晶振和PLL
ADμC7024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)）。內部的PLL能夠將晶振頻率放大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，可以通過軟件設置時鐘分頻器的控制寄存器PLLCON和POWCON將經過PLL后輸出的45MHz降頻，最大可降低至352KHz，由于內部晶振有±3％的誤差，因此，用戶可以選擇外接一個32.768kHz的晶振，通過軟件設置PLLCON值使用外部晶振，使系統(tǒng)的性能穩(wěn)定可靠。
2.4 復用I/O及標準的UART、SPI、IIC
ADμC7024提供30個通用型雙向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備引腳復用。在默認情況下，所有的GPIO都是I/O模式，如果在實際中需要將I/O口復用成其他情況的，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，可以通過置位數(shù)據(jù)寄存器GPxDAT中某些位的值使引腳輸出"1"；同時可以清除數(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，具體設置請參考ADμC7024手冊）。
ADμC7024片上集成了2個標準的、全雙工模式的異步串口UART（通用異步收發(fā)器），它們與16450串口標準所兼容。片上UART的波特率產生器中包含一個小數(shù)分頻器，使得UART波特率的產生更加精確。同時，其中一個UART還支持網絡尋址模式下的串口發(fā)送接收模式。UART的使用首先通過I/O的配置成UART端口引腳。然后通過軟件配置UART配置寄存器及波特率設定寄存器就可以通過COMTX寄存器、COMRX寄存器分別發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
ADμC7024片上也集成了標準工業(yè)級同步串口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5.6Mbit/s。該SPI能夠被配置成主（Master）或者從（Slave）兩種工作模式，關于SPI使能、選擇工作模式、串行時鐘相位及極性、先發(fā)送低有效位還是高有效位等多項設置，均是通過SPICON編程而得到，而主模式發(fā)送的串行時鐘頻率由SPIDIV來設定，從模式則不用設定串行時鐘頻率，因為串行時鐘是由主模式的SPI來決定的，通過讀取SPISTA中某些數(shù)據(jù)位的值，可以知道SPI是否發(fā)送結束或者接收結束。
ADμC7024還具有兩個經Philips公司授權的IIC接口，IIC是Philips公司20世紀80年代開發(fā)的一個簡單的兩線總線，包括一條數(shù)據(jù)線和一條時鐘線，速率有100kHz和400kHz兩種方式，目前IIC已經成為重要的全球業(yè)界標準，被所有主要的集成電路廠商所認同和使用。它采用主－從通信方式，采用總線仲裁特性，使得在某一時刻只有兩個器件進行通信，具體數(shù)據(jù)指標參考ADμC7024數(shù)據(jù)手冊。
2.5 中斷系統(tǒng)
中斷系統(tǒng)是一個MCU在應用中的靈魂所在。ADμC7024片上中斷控制器控制著24個中斷源。這些中斷源包括片上ADC中斷、UART中斷、2個外部中斷請求XIRQ0和XIRQ1等，而ARM7TDMI內核僅僅將這些中斷源分成兩大類來識別，一類是IRQ，另一類是FIQ。所有中斷源能夠單獨地被屏蔽。中斷系統(tǒng)的控制和配置管理由9個關于中斷方面的寄存器所控制，4個涉及到IRQ的寄存器、4個涉及到FIQ的寄存器，1個用來選擇已編程的中斷源寄存器SWICFG。雖然作為一個已編程的中斷源是不能夠被屏蔽掉的，但是它們可以被SWICFG來控制。
2.6 定時器
ADμC7024有4個通用定時器：定時器0、定時器1、定時器2和定時器3。這4個定時器在一般的操作模式下均能按照默認值計數(shù)或者按照預設值寄存器TxLD（x表示0，1，2，和3中的某一個寄存器）中值來計算。在任意時刻可以通過讀取TxVAL寄存器中的值了解定時器中的當前計數(shù)值。通過配置TxCON的值可以設置相應的定時器按照一定的方式開始計數(shù)。
定時器0是一個通用型16位倒計數(shù)定時器，該定時器的刻度尺頻率來源是系統(tǒng)時鐘，計數(shù)默認值可以是系統(tǒng)時鐘頻率、系統(tǒng)時鐘頻率的16分頻和256分頻。
定時器1是一個32位通用型累加定時器或者倒計時定時器。該定時器的刻度尺頻率來源可以是32kHz晶振、系統(tǒng)時鐘和外部GPIO三者之一。計數(shù)默認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。定時器1可以被設置為標準的32位時間值，如Hours：Minutes：Seconds：Hundreths這樣的格式。定時器1通過預設響應IRQ事件，可以比通常情況下定時器0響應IRQ中斷請求要準確得多。它還可以用來觸發(fā)ADC轉換過程。
定時器2的系統(tǒng)刻度尺頻率來源是內部集成的32.768kHz晶振，當系統(tǒng)時鐘停止工作時，該定時器還可以繼續(xù)運行，這一特性可以用來將處于休眠狀態(tài)的系統(tǒng)內核恢復至正常工作狀態(tài)。
定時器3由兩種工作模式，一種通常模式與前面3個定時器一樣，還有一種是看門狗模式。一旦程序跑飛時，可以利用該定時器看門狗模式來重啟動處理器，令其恢復正常工作。
2.7 其他外圍設備及特性
片上還集成有獨立的比較器、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復用。
3 引腳定義
ADμC7024引腳定義見表1。
4 應用實例
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備以及時鐘頻率可調節(jié)的特點，使得在要求低功耗、高精度、實時性等嵌入式微信號處理系統(tǒng)中的應用如魚得水。現(xiàn)以脈搏血氧計為例，介紹其中一個廣泛的應用領域。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。
ADμC7024作為系統(tǒng)的核心MCU，負責控制和協(xié)調其他電路模塊的正常工作，它將采集到的血氧信號經過數(shù)據(jù)處理后，通過SPI總線傳送給LCD顯示屏得以顯示。
根據(jù)實際臨床結果顯示，ADμC7024已完全勝任設計血氧模塊的任務，處理能力、采樣率、采樣精度、功耗、實時性要求等指標完全達到系統(tǒng)的要求，
ARM體系架構使得醫(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語言作為開發(fā)語言，利用GNU的ARM－ELF－GCC等工具作為編譯器及鏈接器，易學易用，它的調試仿真工具也是Keil公司開發(fā)的Ulink仿真器，調試簡單，縮短上市時間，便于移植。
可以預料，在不久的將來，ADμC7024以其獨樹一幟的性能必將在醫(yī)療電子行業(yè)中發(fā)揮越來越大的作用。
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