ARM處理器LPC2210在腦血氧監測儀中的應用

氧是人體新陳代謝的重要物質,腦組織新陳代謝率高,耗氧量占全身總量的20％左右。在心腦血管疾病及腦外傷病人的臨床搶救與治療中,如果缺乏對腦組織供氧的監護手段,就有可能造成腦組織神經功能的喪失或損害。因此,提供一種連續監測大腦供氧狀況的臨床設備,對提高心腦血管和腦外傷等多種疾病的診斷和治療具有重大意義。在健康監護和臨床診斷中,對腦組織血氧參數的監測是不可缺少的。

??? 本文即應用ARM微處理器開發了一種帶有網絡通信功能的嵌入式腦組織血氧參數監測設備。

??? 系統硬件設計

??? 整個硬件系統由腦血氧檢測探頭脈沖驅動電路、濾波放大電路、LPC2210系統及接口電路組成。由LPC2210產生PWM脈寬調制信號,經探頭脈沖驅動電路放大,用于驅動探頭的光源發光,并產生周期性的光信號。探頭中的光電傳感器采集含有腦組織血氧信息的光信號,經光電轉換產生電信號。濾波放大電路將得到的電信號進行低通濾波和信號放大。LPC2210對放大后的信號進行A／D轉換,并進行數字處理,同時通過接口電路擴展鍵盤、LCM圖形液晶顯示、RS232串口和以太網接口,用于整個系統的控制、顯示、與上位機(PC機)的通訊以及網絡通信。其系統框圖如圖1所示。

???

??? LPC2210系統及接口電路

??? LPC2210是飛利浦公司基于一個16／32位ARM7內核的微控制器。它具有極低的功耗,16KB片內SRAM,多個32位定時器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷,特別適合用于工業控制、醫療系統等。

??? 系統電源電路如圖2所示。220V市電輸入后經過B1單相橋式整流,再由三端穩壓器件U1和U2穩壓,分別產生+5V和-5V電壓,給探頭集成電路和集成運放LM324供電。由于LPC2210微控制器要使用兩組電源,I／O供電電源為3.3V,內核及片內外設供電電源為1.8V,因此在+5V后面再使用低壓差電源芯片穩壓輸出3.3V和1.8V電壓,低壓差電源芯片U11、U12采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3,其特點為輸出電流大,輸出電壓精度高。

??? 本系統的復位電路使用了SP708S,由于在進行JTAG調試時nRST和nTRST可由JTAG仿真器控制復位,因此使用了三態緩沖門74HC125進行驅動,如圖3所示。系統時鐘電路采用了外部11.0592MHz晶振,使串口波特率更精確,同時能夠支持LPC2210片內PLL功能,用1M電阻R45并接到晶振兩端,使系統容易起振。JTAG接口電路采用了ARM公司提出的標準20腳JTAG仿真調試接口,其信號的定義與LPC2210的連接電路如圖3所示。根據LPC2210的應用手冊說明,在RTCK引腳接一個4.7K的下拉電阻,使系統復位后,LPC2210內部的JTAG接口使能,這樣就可以直接進行JTAG仿真調試了。本系統擴展了4MbSRAM(IS6ILV25616AL)和16MbFLASH(SST39VF160)。為了方便程序調試和固化, 使用了Bank0和Bank1的地址空間,可以通過跳線將LPC2210的CS0和CS1分別分配給SRAM或者FLASH。程序調試時,分配SRAM為Bank0地址;最終代碼固化到FLASH時,分配FLASH為Bank0地址。

??? 由于系統是3.3V系統,所以使用了SP3232E進行RS232電平轉換。SP3232E是3V工作電源的RS232轉換芯片,接收端和發送端分別接到LPC2210的P0.0_TxD0和P0.1_RxD0口。本系統具有16個按鍵,用于菜單選擇,輸入病人的信息等功能。系統使用了I2C接口的鍵盤驅動芯片ZLG7290,ZLG7290是一款功能強大的鍵盤驅動芯片,最多可支持64個鍵盤。

??? 本系統采用點陣圖形液晶模塊接口電路,可以直接與T6963C液晶驅動模塊連接使用。系統采用8位總線方式,液晶模塊沒有地址總線,顯示地址和顯示數據地址均通過DB0～DB7實現。模塊的工作電壓是5V,而LPC2210的I／O電壓為3.3V,所以在總線上串接470的保護電阻。讓圖形液晶模塊的C／D與A1連接,使用A1控制模塊處理數據命令,并且可以利用LPC2210的16位總線方式操作圖形液晶模塊(高8位數據被忽略)。模塊片選信號CE由LPC2210的A22和外部存儲器Bank3片選CS3相"或"后得到,當A22和nCS3同時為0時,模塊被選中。LCM接口電路如圖4所示。

????
?
??? 本系統設計了以RTL8019AS芯片為核心的以太網接口電路,其電路原理圖如圖5所示。由于LPC2210是開放式總線,所以電路設計為16位總線方式對RTL8019AS進行訪問,數據總線D0～D15與芯片SD0～SD15連接。由于RTL8019AS的工作電壓是5V,而LPC2210的I／O電壓為3.3V,所以在總線上串接470Ω的保護電阻。RTL8019AS工作在跳線模式,基地址為0x300H,所以電路上SA6、SA7、SA10～SA19均接地,SA9接電源。SA8與地址總線A22相連,SA5與LPC2210的外部存儲器Bank3片選CS3相連,當SA8為1,SA5為0時,選中RTL8019AS。其它引腳的連接方法可參考RTL8019AS的應用手冊。

??? 探頭脈沖驅動電路

??? 腦血氧探頭部分的前置放大電路需要系統提供+5V和-5V電源,同時燈泡需要提供電壓大約為9V、周期為4s、占空比為1／3的脈沖方波,以實現760nm和850nm兩個光源輪流發光和檢測到響應的背景噪聲。脈沖方波可以由LPC2210的PWM實現,可是其輸出電壓為3.3V,不足以驅動探頭燈泡發光,因此采用了開關模式電壓轉換器MAX1848,它產生最高至13V的輸出電壓,足以驅動小燈泡。通過燈泡的正向電流與加在CTRL引腳的電壓成正比,將LPC2210的P0.9和P0.8定義成PWM狀態,通過軟件使其產生上述的脈沖方波,接在CTRL上。當加載在CTRL上的電壓小于100mV時,MAX1848會進入關斷模式,這樣可以實現PWM調光功能。探頭與系統電路之間采用了標準的9針接口,方便組裝和拆卸。放大電路如圖6所示。

????

????
?
??? 濾波放大電路

??? 腦電數據采集系統一般處于含有大量電器設備的環境,通過腦電檢測裝置導聯線及人體自身的分布電容,電磁干擾尤其是50Hz工頻干擾極易引人人體。低通濾波是一種常用除工頻干擾的方法,這種處理方法使電路得到簡化,濾波后的截止頻率約為33Hz。集成運算放大器LM324將濾波后的信號進行放大,通過LPC2210的P0.27和P0.28進行A／D轉換得到數字信號,如圖6所示。再根據Lambert-Beer定律,利用軟件進行相關運算,得到腦組織的血氧參數,通過顯示屏輸出,實現雙探頭檢測雙側腦組織局部血氧參數的功能。

??? 系統軟件

??? 系統軟件應用ADS1.2集成開發環境編寫和調試,它是ARM公司推出的ARM核微處理器集成開發工具。在μC／OS-II操作系統上,應用C語言編寫源程序,使用ADS1.2中的CodeWarriorIDE進行操作系統移植、軟件的編譯、連接生成二進制代碼。通過AXD調試器和JTAG進行調試,最后固化到系統的FLASH上。

??? 結語

??? 本文介紹了嵌入式腦血氧監護儀的系統電路設計,用于實現雙路雙側腦組織血氧的參數監測,可通過串口通訊的方式將監測參數和病人的信息傳輸到PC機進行儲存和管理,也可使用以太網接口將信息發送至遠程終端便于進行遠程監控和診斷。在家庭、野外或者戰場監護中有比較廣泛的實用前景。