高性能嵌入式ARM MPU在医疗电子系统中的设计应用

　　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)