基于ARM核的ADμC7024在脉搏血氧计中的应用

引言
                              
随着信息技术的迅猛发展和人民生活水平的提高，极大地推动了医疗电子设备的发展，当今医疗电子设备的发展趋势是高精度、实时性、低功耗和小尺寸，作为医疗电子设备中核心地位的MCU（微处理器）也随着这一发展趋势向前不断衍变着。由早期的8位MCU发展到目前的32位RISC（精简指令集计算机）MCU。美国ADI公司根据市场的需要最新推出了一款基于ARM（高级精简指令集计算机）核的微处理器ADμC7024便是目前32位RISC MCU的杰出代表。ADμC7024卓越的处理能力、集成众多片上外围器件和芯片低功耗的特点，完全胜任目前医疗电子设备的需求及未来的发展目标。

本文以ADμC7024在医疗电子中监护产品脉搏血氧计的应用为例，重点介绍其在医疗电子行业中的实际用途。

1 ARM内核特点

英国ARM公司是嵌入式RISC处理器的IP（知识产权）供应商，它为ARM架构处理器提供ARM处理器内核（如ARM7TDMI、ARM9TDMI及 ARM10TDMI等）。由各半导体公司在上述处理器内核基础上进行再设计，嵌入各种外围和处理部件，形成各种MCU。目前基于ARM内核的芯片在嵌入式处理器市场上占据75％的份额。

ARM作为嵌入式系统的处理器，具有低电压，低功耗和高集成度等特点，并具有开放性和可扩充性。事实上，ARM内核已成为嵌入式系统首选的处理器内核。而对于医疗电子设备而言，并不需要图像处理等方面更高的要求，因此，ARM7TDMI内核以 0.9MIPS（百万条指令每秒）/MHz的高效处理能力足以满足应用需要。

ARM7TDMI内核是ARM核系列中32位通用内核中的一个产品，它采用三级流水线结构，指令的执行分成取指、译值和执行3个阶段。运算器能够实现32 位整数运算。内核不但能够执行32位高效ARM指令，同时还支持简洁的16位Thumb指令集以提高代码密度。

ARM7TDMI名称的含义为：

a）ARM7：ARM系列具有32位运算能力的内核，它采用冯•诺依曼结构，数据长度可以是8位，16位和32位，而指令长度是32位。

b）T：内含16位压缩指令集Thumb，由于32位RISC型处理器的指令代码利用率较低，ARM为了弥补不足，在新型ARM架构（V4T版以上，成熟架构由V3版发展到V6版）定义了16位的Thumb指令集，Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC处理器具有更好的代码密度，而芯片面积只增加6％，可使程序存储器更小。

c）D：支持片内调试，该内核包含用于调试的硬件结构，可使CPU进入调试模块，可以方便地进行断点观察点设置、单步调试和多步调试

d）M：采用增强型乘法器。AARM7TDMI指令集包含2个32位×32位的乘法指令和2个乘法累加MAC指令，该结构使得指令的执行比其他类型的ARM7内核减小了许多机器周期。

e）I：内含嵌入式ICE宏单元，ARM架构的处理器芯片都嵌入了Embedded ICE－RT逻辑块，便于通过JTAG接口来仿真调试RAM架构芯片。

2 芯片内部结构及特点

美国ADI公司利用其在模拟电路领域的优势，综合基于8052－8位ADμC8xx的技术积累，将ARM7TDMI内核和ADC（A/D 转换器），DAC（D/A转换器）等外围设备集成在一块芯片上，就是最近推向市场的拳头产品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通道数量、PWM（脉宽调制）相位数量有差别外，其他完全一致；而ADμC7026，ADμC7027具有外部扩展内存接口。

本文主要介绍其中具有代表性的一款 --ADμC7024，工业级的ADμC7024工作于2.7V－3.6V电源电压，64引脚CSP封装的芯片面积仅为9mm×9mm，在1MHz时钟频率下芯片最高功耗为5mA，在最大时钟频率45MHz下芯片最高功耗为60mA。其原理框图如图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，能够在电源电压为2.7V－3.6V的范围正常工作，在系统时钟频率为 45MHz下的最高采样率高达1MSPS（百万次采样每秒）。该ADC模块提供一个高精度、低漂移的片上2.5V基准电压VREF，该电压通过片上 REFCON寄存器的软件配置也能作为输出，向外提供基准参考源。ADC能够工作于单端转换模式或者差分转换模式，在单端转换模式下的输入电压范围是0至 VREF，在差分转换模式下输入电压范围是0至AVDD（AVDD通常情况下为3.3V）ADC单个或连续的转换能够被外部引脚CONVstar、片上 PLA、定时器1或定时器2所触发。

通过ADC控制寄存器ADCCON，通道选择寄存器ADCCP和ADCCN 软件配置好ADC后，转换结果将存储在寄存器ADCDAT位27至位16中，通过ADC状态寄存器ADCSTA的位0可以查看ADC转换是否完成，当 ADC转换结束时，位0被置位；当读取ADC－DAT时，该位自动被清空。当ADC正在执行转换操作时，片上引脚ADCBusy保持高电平，一旦转换结束，该引脚马上变为低电平。

还可以通过ADCRST寄存器将ADC模块中所有寄存器恢复至默认值；通过调整ADCOF和ADCGN寄存器的值可以调整ADC转换精度，不过，该寄存器出厂时已经过校准。

由于该ADC的是逐次逼近型结构，因此比较适合低功耗的产品应用。

ADμC7024 片上还集成有2通道12位DAC。每个DAC都具有轨至轨的输出电压范围，驱动能力可达100pF或者5kΩ，每个 DAC也能通过软件配置来选择输出范围0至VREF（内部基准电压）、0至DACref（外部基准电压）和0至AVDD，而DACref的取值范围是0V 至AVDD。

DAC的使用十分简单，通过DAC控制寄存器DAC0CON或者DAC1CON来选择通道和配置DAC通道特性，然后通过向DAC0CON或DAC1CON的位27至位16写入数值，就可以在DAC引脚上得到所需要的模拟电压结果。