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基于SPCE061A处理器医疗模型人训练系统设计

2 硬件系统设计 从功能方面,硬件系统分为模型人信息采集模块、系统通信模块、电源模块和胎儿分娩控制模块四个部分,如图2所示。

该系统采用16位嵌入式控制芯片作为主控制器,该具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构紧凑、中断处理能力强等特点,内嵌32 KB闪存FLASH,处理速度高,能够方便地完成普通单片机的功能。该芯片内集成有ADC,DAC,定时器/计数器,RAM,FLASH等器件,加上适当的外围芯片与配套的集成开发环境,可以方便地完成8路单通道数据采集,采样频率可调:1 kHz,5 kHz,10 kHz,20 kHz,50 kHz。模拟仿真输出速率可调:4μs,6μs,8μs,lOμs,具有输出中断功能;可通过UART串行端口与PC机通信。利用PDIUSBD12芯片实现控制箱与PC机USB通信。2.1 模型人信息采集模块 模型人信息采集模块分两部分,第一部分是位置感应器信息采集,第二部分是对心肺复苏术的人工呼吸和胸部按压术的信息进行采集。位置感应器信息采集主要包括对模拟心电监护仪信息、气管插管术信息、模拟静脉给药信息、模拟胎儿监护仪信息采集、模拟血压仪的信息和模拟脉搏氧饱和度信息采集。主控制器实时扫描感应器终端,拾取感应器信息,经处理后通过通信系统传给上位机。本系统采取了系统扩展I/O口或主控制器I/O并行的与位置传感器终端相连采取位置感应器信息。信息被采取后通过主控器的处理传给PC机。 心肺复苏术信息采集,因为模型人的心肺模拟采用气囊方式,所以心肺复苏术信息采集采用了气体压力传感器的方式进行。心肺复苏术信息采集采用了MPX2010型双通道压力传感器,它能提供一个精确的直接与外加压力成正比的线性电压输出,此类传感器将应变计和薄膜电阻网络集成在同一硅片上,用激光修正技术实现精确的量程校正、零位偏差校正和温度补偿,温度补偿范围为O~85℃,测量方式有表压(G,GP)和差压(D,DP)型。本系统利用运算放大器将压力传感器输出的微小电压信号放大至与单片机内部的A/D转换器相容的电平,使传感器与单片机接口匹配。系统软件对传感器的零位输出和压力量程进行计算和校准,并将传感器输出压力数据处理后上传给PC机。2.2 通信模块的设计 系统设计了两种通信方式与上位机相连(RS 232串行异步通讯和USB通讯),来满足用户的多种要求。2.2.1 RS 232串行异步通讯 UART是广泛使用的串行数据传输协议。系统主控制器提供了一个全双工标准接口的UART通讯电路模块,用于完成主控制器与外设之间的串行通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件,比如电脑的串口是RS232电平,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路,系统采用了专用芯片MAX3232进行转换。典型的串口电路设计如图3所示。

2.2.2 USB通讯 USB(Universal Serial Bus)通用串行总线是近年来应用在PC领域的新型接口技术,是一些PC大厂商如Microsoft Intel等为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信的标准。 USB的主要优点如下: (1)使用方便。连接外设不必再打开机箱,允许外设热插拔而不必关闭主机电源。 (2)速度快。USB接口的最高传输率可达12 Mb/s;提供低速方式,速率为1.5 Mb/s;扣除用于总线状态控制和错误检测等数据传输,最大理论速度也能达到1.2 Mb/s和9.6 Mb/s。 (3)连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备,连接的方式也十分灵活,既可以使用串行连接,也可以使用集线器HUB把多个设备连接在一起,再同PC机的USB口相接。 (4)独立供电USB接口提供了内置电源。 本系统设计采用了USB芯片PDIUSBD12与上位机进行通信,PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件,通常用于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信,也支持本地DMA传输。该器件采用模块化的方法实现一个USB接口,允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器,允许使用现存的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本,是开发低价、高效USB外围设备解决方案的一种最快途径。PDIUSBD12完全符合USB 1.1规范,也能适应大多数设备类规范的设计,如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等,因此PDIUSBDl2非常适合做很多外围设备。如打印机、扫描仪、外部大容量存储器Zip驱动器和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备,如果用USB来实现可以直接降低成本。PDIUSBDl2挂起时的低功耗以及LazyClock输出符合ACPI,OnNOW和USB电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备。PDIUSBD12还集成了像SoftConnect,GoodLink可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本,同时在外围设备上很容易实现更高级的USB功能。PDIUSBD12芯片内部结构图如图4所示。