基于SPCE061A处理器医疗模型人训练系统设计

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，通常用于基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。




2．3 电源模块的设计

系统电源设计是本系统设计中一项极其重要的工作，它对整个系统是否正常运行起着至关重要的作用。系统要求的功率比较大，所以本系统采用了12 V，5 A的适配器来供电。根据功耗和芯片工作电压的不同，系统设计了两路不相关的电源组。一路供给主控制器模块，另一路供给胎儿分娩控制模块。
供给主控制器模块电源组采用了DC／DC模块降压到5 V，然后由11173．3电源芯片降到3．3 V。其中，5V供给压力传感器和音频系统，3．3 V供给主控制器芯片、USB和串口芯片等。采用DC／DC电源模块具有很好的隔离性和保护性，可增加电源供电的稳定性。

供给胎儿分娩控制模块电源组采用了12 V适配器电源和7805降压的5 V电源，此模块要求电源的功率大，但对电源的稳定性要求不是很高。这样设计符合整个硬件系统的要求。在两组电源中控制信号采用光耦进行传递，光耦优点是完全切断两个模块电源之间的关系，使系统更加稳定。

2．4 胎儿分娩控制模块
本模块是计算机和“病人”联系最密切的体现。系统既有对模型人的信息采集，又有对模型人的控制。本模块分为胎儿心音模拟、胎儿出生装置控制和信息采集以及孕妇宫缩的模拟。

胎儿心音模拟采用了专用音频模块，采用了电平触发方式进行控制。采用专用的音频模块主要特点是音频模块的功耗低，控制简单。用专用音频芯片也减少了主控芯片的CPU占用率，使主控芯片处理速度更快更稳定。

胎儿出生装置采用了直流电机作为婴儿出生的推动力，采用了凹槽式光耦和行程开关来确定胎儿位置。本系统根据胎儿出生装置设计采用了L298作为电机控制驱动芯片，用I／0口采集胎儿的位置信息。

孕妇宫缩的模拟采用了微型气泵、气体电磁阀和压力传感器构成。气泵和气体电磁阀由大功率NMOS管控制。宫缩的强度由压力传感器反馈信息来控制。

2．5 系统抗干扰和系统安全设计

各种形式的干扰一般都是以脉冲的形式进主控制器系统的，干扰窜入系统的渠道主要有三条：空间干扰(场干扰)，通过电磁波辐射窜人系统；过程通道干扰，通过与主机相连的前向通道、后向通道及其他与主机相互连接的通道进入；供电系统干扰，通过供电线路窜人。对于上述三种干扰必须采用行之有效的措施和具体电路加以消除，确保单片机系统正常运行和工作。

本系统采用了双路电源供电、对控制信号进行了光电隔离、芯片电源和地之间加有去耦电容和主控芯片，电源采用DC／DC电源模块等来增强系统抗干扰能力。此外系统对大功率原件设计了监控报警电路，增加了系统的稳定性。