徐 健，彭雪峰，宋耀華

XU Jian, PENG Xue-feng, SONG Yao-hua

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007）

基于LPC2131的電子影像診斷儀嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計

The embedded control system design for electrical image diagnostic instrument

徐 健，彭雪峰，宋耀華

XU Jian, PENG Xue-feng, SONG Yao-hua

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007）

電子影像診斷儀是一種常見的醫(yī)療電子設(shè)備。本文詳細闡述了整個控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計，采用LPC2131 ARM處理器作為核心控制器，通過產(chǎn)生6路PWM控制斬波電路導(dǎo)通時間，經(jīng)過微焦點X光發(fā)生器模塊來產(chǎn)生所需影像。針對醫(yī)療設(shè)備實時性要求，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)作為軟件開發(fā)平臺，測試結(jié)果表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，具有很高的實用價值。

ARM；電子影像診斷儀；斬波電路；PWM；RTOS

0 引言

隨著當今醫(yī)療現(xiàn)代化進程的快速發(fā)展，各種醫(yī)療電子儀器與設(shè)備朝著小型化，高精密化方向發(fā)展，人機界面更加友好，操作更加方便。傳統(tǒng)的采用單片機為控制器的醫(yī)療電子產(chǎn)品在性能，處理速度，硬件設(shè)計上都不能適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代的發(fā)展。ARM處理器是目前公認的業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器，以其卓越的性能、超低的功耗、豐富的外設(shè)接口、較高的性價比，代表了當今主流電子應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。實時操作系統(tǒng)uC/OS-II以其小巧、源代碼公開、注解詳細、實時性強、可移植性好、多任務(wù)、基于優(yōu)先級的可剝奪型調(diào)度的特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多對實時性要求比較高的產(chǎn)品中。本文以我們最近研制成功的電子影像診斷儀為案例，講述了其中各模塊電路的功能，以LPC2131為控制器，構(gòu)建了整個控制電路，分析了硬件電路設(shè)計，并詳細講述了uC/OS-II在LPC2131上的移植，各任務(wù)模塊的劃分和應(yīng)用程序的編寫。

圖1 電子影像儀硬件電路圖

1 電路整體構(gòu)成

電子影像診斷儀電路主要由四個模塊組成，包括：主電源模塊、輔助電源模塊、微焦點X光發(fā)生器模塊、微處理器控制及顯示模塊，電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主電源模塊由EMI濾波電路、整流濾波電路、恒壓斬波電路、恒流斬波電路、全橋斬波電路等電路組成。輔助電源模塊主要是給各電路提供工作電源，分別輸出5V、12V的直流穩(wěn)壓電源供各模塊使用。微焦點X光發(fā)生器模塊由主變壓器、倍壓整流電路、射線管和保護電路組成。

2 控制電路模塊

主控制電路模塊是通過控制斬波電路工作時間的長短來控制X光發(fā)生器曝光的時間。本系統(tǒng)中恒流斬波電路、恒壓斬波電路和全橋斬波電路需要控制導(dǎo)通時間，而傳統(tǒng)的單片機沒有6路PWM波輸出，如果使用軟件模擬PWM的產(chǎn)生，很難保證實時性的要求。為了能同時使用6路PWM控制斬波電路的導(dǎo)通時間，我們選擇ARM處理器作為主控制器。為了系統(tǒng)擴展和預(yù)留功能，我們選擇NXP公司的LPC2131 ARM微處理器作為主芯片。LPC2131的內(nèi)核是ARM7TDMI-S核，三級流水線，32位微處理器，采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)和指令混合編址）。較小的封裝（LQFP64）和極低的功耗使LPC2131可理想的應(yīng)用于小型系統(tǒng)中，如通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、聲音辨別、低端成像、工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)。8KB片內(nèi)SRAM；32KB片內(nèi)Flash，高達60MHz的操作頻率；8路10位A/D轉(zhuǎn)換器； 2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道），PWM單元（6路輸出）和看門狗； 2個UART，2個高速IIC接口（400Kb/s），SPI，SSP； 向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級和向量地址；47個（P0.0-P0.23，P0.24-P0.31，P1.16-P1.31）可承受5V電壓的通用I/O口；9個邊沿或者電平觸發(fā)的外部中斷引腳；片內(nèi)晶體振蕩電路支持頻率1-30MHz； 2個低功耗模式：空閑和掉電；單電源供電，含有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路，CPU操作電壓3.0-3.6V。

整個電路由顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、斬波電路控制模塊、遙控接收模塊組成，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示：

圖2 主控制電路原理框圖

2.1 LCD液晶顯示模塊

點陣式液晶模塊一般采用并行接口進行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計中采用中文圖形點陣液晶顯示模塊SMG240128A。SMG240128A點陣圖形液晶模塊的點像素為240×128點，黑色字/白色底，STN液晶屏，內(nèi)嵌控制器為東芝公司的T6963C，外部顯示存儲器為32KB。液晶模塊采用8位總線接口與微控制器連接，內(nèi)部集成了負壓DC-DC電路（LCD驅(qū)動電壓），使用時只需提供單5V電源即可。液晶模塊上裝有LED背光，使用5V電源供電，顯示字符或圖形時LED背光可點亮或熄滅。該模塊沒有地址總線，顯示地址和顯示數(shù)據(jù)均通過DB0～DB7接口實現(xiàn)。LPC2131與SMG240128A接口電路圖如圖3所示。

圖3 液晶接口模塊

2.2 斬波電路控制模塊

圖4 斬波驅(qū)動電路

由于本系統(tǒng)需要6路斬波驅(qū)動電路，因此可以利用LPC2131的PWM功能來控制斬波電路的導(dǎo)通時間。因為LPC2131 IO口電平為3.3V，因此需要電壓提升電路，本設(shè)計采用三極管提升電壓，使輸出端OUT1能驅(qū)動斬波電路。斬波驅(qū)動電路共需要6路，本文用LPC2131 的PWM1驅(qū)動恒壓斬波電路，PWM2驅(qū)動恒流斬波電路，PWM3～PWM6驅(qū)動全橋斬波電路。本文只畫出一路PWM驅(qū)動電路，其余5路電路完全相同，如圖4所示。

2.3 遙控接收模塊

遙控接收端采用價格便宜、性能可靠的一體化紅外接收頭HS0038B，它接收紅外型號的頻率為38KHz，同時對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號，再送給LPC2131,解碼并執(zhí)行，控制相關(guān)對象。接收端電路如圖5所示。

圖5 遙控接收端電路圖

2.4 矩陣鍵盤模塊

矩陣鍵盤主要用來設(shè)定X光曝光時間，傳統(tǒng)的按鍵輸入軟件接口程序通常非常簡單，在程序中一旦檢測到按鍵輸入口為低電平時，便調(diào)用軟件延時程序延時10ms。然后再次檢測按鍵輸入口，如果還是低電平則表示按鍵按下，轉(zhuǎn)入執(zhí)行按鍵處理程序。如果第二次檢測按鍵輸入口為高電平，則放棄本次按鍵的檢測，重新開始一次按鍵檢測過程。傳統(tǒng)的按鍵檢測處理方法，不僅由于采用了軟件延時而使得MCU的效率降低，而且也不容易同系統(tǒng)中其他功能模塊協(xié)調(diào)工作，系統(tǒng)的實時性也差。本文采用有限狀態(tài)機的程序設(shè)計思想，由于按鍵的檢測過程需要進行消抖處理，因此取狀態(tài)機的時間序列的周期約為10ms。按鍵狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示：狀態(tài)0為按鍵的初始狀態(tài)，當按鍵輸入為“1”時，表示按鍵處于放開，輸出“0”（1/0）,下一狀態(tài)仍為狀態(tài)0；當按鍵輸入為“0”時，表示按鍵閉合，但輸出還是“0”（0/0）（沒有經(jīng)過消抖，不能確認按鍵真正按下），下一狀態(tài)進入狀態(tài)1。狀態(tài)1為按鍵閉合確認狀態(tài)，它表示在10ms前按鍵為閉合的，因此當再次檢測到按鍵輸入為“0”時，可以確認按鍵被按下；輸出“1”表示確認按鍵閉合(0/1)，下一狀態(tài)進入狀態(tài)2。而當再次檢測到按鍵的輸入為“1”時，表示按鍵可能處在抖動干擾，輸出為“0”（1/0），下一狀態(tài)返回到狀態(tài)0。這樣，利用狀態(tài)1，實現(xiàn)了按鍵的消抖處理。狀態(tài)2為等待按鍵釋放狀態(tài)，因為只有等按鍵釋放后，一次完整的按鍵操作過程才算完成。

圖6 按鍵狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)要靠軟硬件來完成，硬件是軀體，軟件是靈魂，二者相互依存，缺一不可。電子影像診斷儀要求響應(yīng)速度快，可靠性好，因此在控制系統(tǒng)中使用實時操作系統(tǒng)作為軟件運行平臺是非常適合的。源代碼公開的實時操作系統(tǒng)uC/OS II以其小巧，執(zhí)行時間確定性而廣泛使用在醫(yī)療電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域，特別適合于沒有MMU的ARM7處理器上。

3.1 uC/OS II移植到LPC2131

在確定所選的微處理器和編譯器能夠滿足所選的實時操作系統(tǒng)后，就可以動手編寫移植代碼了。移植工作包括以下幾個內(nèi)容：

用#define 設(shè)置一個常量的值（OS_CPU.H）；

聲明10個數(shù)據(jù)類型（OS_CPU.H）；

用#define 聲明3個宏（OS_CPU_C.H）；

用C語言編寫6個簡單的函數(shù)（OS_CPU_C.C）；

編寫4個匯編語言函數(shù)（OS_CPU_A.ASM）；

圖7 按鍵任務(wù)

圖8 顯示任務(wù)

我們所用的編譯器為ADS1.2，所以將OS_CPU_A.ASM的后綴名改為OS_CPU_A.S，詳細的移植代碼可以參考文獻[3]。

3.2 功能實現(xiàn)

嵌入式電子影像診斷儀應(yīng)包含一個ISR（遙控接收ISR）和3個任務(wù)：“初始化任務(wù)”、“鍵盤掃描任務(wù)”、“液晶顯示任務(wù)”。初始化任務(wù)創(chuàng)建其余2個任務(wù)，因此優(yōu)先級最高，設(shè)為7，鍵盤掃描任務(wù)設(shè)為9，液晶顯示任務(wù)設(shè)為11。

void initial_task(void *pdata); //初始化創(chuàng)建任務(wù)，優(yōu)先級7

void key_task(void *pdata); //鍵盤掃描任務(wù)，優(yōu)先級9

void display_task(void *pdata); //液晶顯示任務(wù)，優(yōu)先級11

在以上任務(wù)中，initial_task()為一次性任務(wù)，創(chuàng)建完其它任務(wù)后自行刪除，其他任務(wù)都是周期性任務(wù)。按鍵和顯示流程圖如圖7、圖8所示。

4 結(jié)束語

本套系統(tǒng)的設(shè)計，充分考慮了電子影像儀的特點，尤其突出其對于實時性與可靠性的要求?？刂瓢弩w積小、功能齊全、直觀性強、人機界面友好、操作方便，經(jīng)過實際使用，完全滿足需要，可以批量生產(chǎn)。

[1] 周立功,等.ARM微控制器基礎(chǔ)與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[2] 杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3] 周立功.張華.深入淺出ARM7-LPC213x/214x(上、下冊)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[4] 任哲,等.嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)uC/OS II和Linux[M].北京:北京抗空航天大學(xué)出版社,2006.

[5] 杜春蕾.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[6] 魯昀,陳明.基于LPC2210的液晶顯示器的設(shè)計[J].計算機技術(shù)與應(yīng)用,2006,(4):42-43.

TH166

A

1009-0134(2010)10(上)-0188-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.10(上).59

2010-05-17

科研項目：江西省教育廳科研項目（GJJ10657）

徐建（1979 -），男，副教授，碩士，研究方向為嵌入式軟硬件技術(shù)、高頻電源技術(shù)。