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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)展趨勢是高精度、實(shí)時性、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(jī)）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(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ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP（知識產(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，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)核中的一個產(chǎn)品，它采用三級流水線結(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(yùn)算能力的內(nèi)核，它采用馮•諾依曼結(jié)構(gòu)，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(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32位×32位的乘法指令和2個乘法累加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JTAG接口來仿真調(diào)試RAM架構(gòu)芯片。 2 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 美國ADI公司利用其在模擬電路領(lǐng)域的優(yōu)勢，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(dá)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(zhǔn)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(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單個或連續(xù)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換是否完成，當(dāng) ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束時，位0被置位；當(dāng)讀取ADC－DAT時，該位自動被清空。當(dāng)ADC正在執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作時，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?br /> 還可以通過ADCRST寄存器將ADC模塊中所有寄存器恢復(fù)至默認(rèn)值；通過調(diào)整ADCOF和ADCGN寄存器的值可以調(diào)整ADC轉(zhuǎn)換精度，不過，該寄存器出廠時已經(jīng)過校準(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DAC都具有軌至軌的輸出電壓范圍，驅(qū)動能力可達(dá)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(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(jié)果。 |
