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高性能嵌入式ARM MPU在医疗电子系统中的设计应用

时间:05-12 来源:电子工程专辑 点击:

  当前,全球医疗电子行业正逐渐展现出诱人的发展前景,产品更新换代的速度不断提高,同时,由于医疗电子产品自身的特殊性,对元器件的性能、功耗、可靠性和集成度等方面都提出了极高的要求。全球各大著名的半导体厂商纷纷推出一系列适合该应用领域的产品。

  基于ARM内核的32位嵌入式微处理器(MPU),以其高性能、低功耗和丰富的片内资源,成为目前众多医疗电子产品开发平台的首选。其中,Cirrus Logic公司推出的旗舰产品EP9315,是目前集成度最高的ARM处理器。该处理器采用ARM920T内核,拥有200MHz主频的高性能,内嵌数学协处理器、图形加速引擎,集成包括IDE和PCMCIA等接口在内的丰富的外围电路,满足工业级的标准和极具吸引力的性价比,使其在众多嵌入式微处理器中脱颖而出,成为下一代医疗电子产品开发平台的理想选择。


  应用需求


  医疗电子产品种类繁多,功能不一。根据其应用场合分类,包括超声成像系统、多参数监护系统、常规检验系统等。


  现在的医疗电子产品总是采用最新的技术,以期获得强大的性能来完成日益复杂的算法和众多的功能,满足不断升级的临床应用需求。其应用需求主要表现在以下方面:


1. 随着产品性能的逐步提升,需要硬件来完成大量的算法和逻辑运算。如B超和高端监护仪等产品已开始大量使用FPGA器件;


2. 大尺寸显示屏和触摸屏的广泛应用。目前超声产品,多参数监护仪和一些检验产品如血球仪、生化分析仪等大多使用10'~15'范围内的大尺寸显示屏,采用640×480、800×600或者1024×768的分辨率。另外,触摸屏在该领域的使用也越来越广泛;


3. 大数据量的存储。像B超和彩超等产品由于应用层软件的日益庞大和图像深度存储的需要,已开始外接标准IDE硬盘;


4. 外围接口的需要。如网络接口和USB接口在医疗电子产品中已不可或缺;


5. 音频Codec的应用。例如在彩超系统中,就需要通过音频Codec来完成多普勒血流音频数据的编解码;


6. 便携式产品的出现增加了对功耗的关注程度。


  上述一系列的应用需求对微处理器平台提出了更高的要求,工程师在选型时往往希望速度更快、集成度更高而功耗更低,尤其是在高集成度方面,不仅可以保证设计工作的便捷性和可靠性,而且能够有效地控制成本。


  EP9315的独特优势


  微处理器作为系统的核心控制器件,其各项指标往往是工程师们在选型时最为关注的。与其他基于ARM9内核的嵌入式微处理器相比较,Cirrus Logic公司的EP9315无论是在整体性能、片内外围接口,以及系统成本方面,都有比较明显的优势。EP9315的结构框图如图1所示。







EP9315各项指标如下:


1. 集成主频为200MHz的ARM920T内核以及支持Linux、Windows CE和其他许多嵌入式操作系统的内存管理单元(MMU)。拥有16KB指令缓存和16KB数据缓存;


2. 内嵌MaverickCrunch数学协处理器,显著提高了对单/双精度整数及浮点的运算速度,有助于复杂算法的运算。这在其他ARM微处理器中非常少见;


3. 集成2D图形加速引擎,通过块复制、块填充等操作,增强系统的图像处理能力。该图像加速引擎独立于微处理器,不会增加系统开销。最高可支持到1024×768的分辨率,基本满足大多数医疗电子产品的大尺寸屏应用;


4. 丰富的片内/外围接口资源,完全可以满足目前各类医疗电子产品的应用需求。从表1中可以看到Cirrus Logic的基于ARM9的全系列微处理器的各项参数。





系统设计及Cirrus Logic完善的技术支持


为了配合客户的同步开发,缩短研发周期,提升设计品质,Cirrus Logic公司专程在北京成立了一个由20多位工程师组成的技术支持中心,负责EP93xx系列产品的软硬件技术支持。不仅可以提供开发板等设计参考,而且提供大量的软件支持服务,包括Windows CE平台下的BSP源码,驱动源码以及Linux平台完整内核源码和开发工具包。Cirrus Logic中国及香港区总经理Peter说:"我们不仅仅为客户提供芯片,更重要的是我们能够提供全套的解决方案和开发中的技术支持。毫无疑问,这对降低客户的开发难度有极大的帮助。"


成功的案例


目前已经有一些公司选择EP9315作为系统的处理平台。Emperor公司的硬件设计师说:"我们选择EP9315作为B超系统升级的平台,主要是看重以下3点:1. 集成数学协处理器,相比较同类型产品在算法处理速度上会快很多;2. 支持高分辨率,满足了对图像显示的要求,而不用额外增加一个视频编解码芯片;3. 提供IDE接口,因为在B超产品中会用到硬盘和DVD光驱。"


开发多参数监护仪产品的深圳Adecon公司也已经大量使用该芯片,总工程师认为EP9315具备工业级芯片的可靠性,这一点在医疗设备中极为重要;另外,完善的技术支持也为前期的开发工作扫清了障碍。


EP9315提供商业级和工业级两种型号(表2),同时提供无铅产品。







产品解决方案

产品信息:


EDB9315A工程开发套件(EDB9315A Kit)包括:

1. EDB9315A 开发板(Development Board)

2. RS-232串口线(Null-Modem制)

3. 开关电源:+5V, 4A, 110V/220V 相容

4. 《快速上手指南》(Quick Start Guide)

5. 产品注册卡(Registration Card)

6. IDC10-to-DB9 转换线

7. IDE 硬盘排线

8. 3.5"-to-2.5" 笔记本硬盘适配器

9. 硬盘电源适配器(2x1 Header to HDD Power Connector Adapter)

10. 微软WinCE 5.0 Platform Builder 开发环境光碟

11. ARM RealView Suite 开发环境光碟

12. IAR 开发环境光碟

13. EDB9315A 开发板系统光盘(EDB9315A system resource CD),内容包括:

EDB9315A开发板文档

EDB9315A开发板原理图

EDB9315A软件【包括WINCE5.0平台BSP源码、驱动源码,及LINUX平台完整LINUX 2.6.8.1内核源码树(包含QT/Opie开发包)、Linux下的开发工具包】


EDB9315A开发板资源与接口:

1. Cirrus Logic 高集成度ARM9 SOC芯片:EP9315, 时钟频率:200MHz

2. SDRAM:64MByte

3. FLASH:16MByte NOR flash Memory

4. USB HOST:2个USB 2.0 全速主端口

5. USB DEVICE:1个USB 2.0 高速从端口

6. 音频输出(Audio Out)

7. 音频输入(Audio In)

8. 串口:3个UART 串口

9. Ethernet:10/100以太网接口

10. VGA 视频输出接口

11. IDE 硬盘光盘接口

12. JTAG 调试接口

13. 红外接口:Consumer IR (CIR)

14. 板载总线与IO扩充接口(Expansion Connectors)

15. LCD接口与触摸屏接口(LCD Interface with Touch Screen Support)


A. EP9315处理器

B. 处理器状态指示灯:一绿一红

C. USB 2.0 高速从设备接口IC (ISP1581)

D. SDRAM - 2 个16位SDRAM颗粒IC

E. 存储总线扩充接口

F. 主电源开关

G. 5V 电源输入连接座

H. 3.3V 电源输出芯片, 3A

I. 串口启动按钮 - 标记: "SERIAL BOOT"

J. 复位按钮 - 标记: "/POR"

K. UART2 连接头 - 5x2

L. UART1 连接头 - 5x2

M. UART1 - DB9 公座

N. USB从设备连接座(用于连接PC机)

O. 以太网连接座

P. 双USB主端口连接座(用于连接鼠标、键盘、U盘、摄像头、打印机等等USB从设备)

Q. 音频输出连接座

R. 音频输入连接座

S. 设备总线扩充接口

T. 触摸屏连接头

U. JTAG仿真器连接头

V. VGA输出连接座 - DB15 母座

W. LCD 连接头

X. IDE 连接头

Y. IDE +5V 电源(用于输出给硬盘供电)

Z. 红外通讯收发器(IR)

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