便攜式超聲容積測(cè)量?jī)x外圍電路設(shè)計(jì)

【摘要】本文針對(duì)超聲波的成像特點(diǎn)，以便攜性、低成本、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為原則，進(jìn)行便攜式超聲容積測(cè)量?jī)x外圍電路設(shè)計(jì)。設(shè)備通過鍵盤系統(tǒng)、打印機(jī)接口、LCD顯示器接口、USB接口、Memory接口、網(wǎng)絡(luò)接口等連接相關(guān)外圍設(shè)備，使設(shè)備既能單獨(dú)運(yùn)行，也能連接PC平臺(tái)進(jìn)行功能的擴(kuò)展和完善，給用戶提供了良好的人機(jī)交互環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】超聲容積測(cè)量外圍設(shè)備

在臨床上，多個(gè)器官的容積量能直接反映相關(guān)臟器的病理情況。比如腹腔腹水量、母體羊水量、膀胱尿量的多少均能反映人體不同的健康情況。對(duì)于腹水患者來說，腹腔內(nèi)腹水的多少與心血管病、肝臟病、腹膜病、腎臟病有著密切的關(guān)系；對(duì)于妊娠期的婦女來說，羊水的多少和清濁直接關(guān)系到孕期婦女的身體健康和體內(nèi)胎兒的生長(zhǎng)情況；對(duì)于泌尿系統(tǒng)來說，膀胱內(nèi)殘余尿量和充盈尿量的多少是診斷泌尿系統(tǒng)疾病的重要依據(jù)。在眾多的影像學(xué)檢查中，超聲檢查因其無創(chuàng)性、檢查方便、價(jià)格低廉、報(bào)告快捷、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于對(duì)人體內(nèi)部臟器形態(tài)和容積的檢測(cè)。

“便攜式、低成本、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化”是本項(xiàng)目需要重點(diǎn)考慮的問題，因此，設(shè)計(jì)的設(shè)備體積要求盡可能小，重量盡可能輕，移動(dòng)性盡可能好，設(shè)備成本盡可能低，功能盡可能完善，能夠獨(dú)立、自動(dòng)的完成對(duì)患者的相關(guān)臟器檢測(cè)并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、查詢、統(tǒng)計(jì)、傳輸?shù)?。本著便攜性、低成本、操作簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定的原則，綜合考慮設(shè)備的散熱，電磁兼容性，抗干擾性。良好的人機(jī)交互體驗(yàn)是作為移動(dòng)性能優(yōu)越的便攜式設(shè)備所必需的[1]。為保證設(shè)備的便攜性，本設(shè)計(jì)具體的外圍電路主要包括鍵盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)、打印機(jī)接口設(shè)計(jì)、LCD顯示接口設(shè)計(jì)、USB接口設(shè)計(jì)、Memory接口設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)。

1、鍵盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮成本的控制和操作的穩(wěn)定性，設(shè)備沒有采用觸摸屏的設(shè)計(jì)方案。所以在設(shè)計(jì)中我們還是選擇了物理按鍵的使用。在鍵盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)操作的需要，盡可能的簡(jiǎn)化操作過程，以達(dá)到非專業(yè)人士也能操作系統(tǒng)，我們只設(shè)計(jì)了8個(gè)按鍵，包括POWER（電源鍵），SCAN（掃描鍵），PRINT（打印鍵），MENU/OK（菜單/確定鍵），UP（向上鍵），DOWN（向下鍵），LEFT（向左鍵），RIGHT（向右鍵）。除POWER鍵外，其他7個(gè)按鍵直接連接在CPU的GPIO端口，通過控制系統(tǒng)掃描端口電平的高低來檢測(cè)按鍵的狀態(tài)，電路非常簡(jiǎn)單。

2、打印機(jī)接口設(shè)計(jì)

為了便攜性的需要，本設(shè)備中的打印機(jī)采用微型熱敏打印機(jī)[2]。打印模塊選用MAX3232收發(fā)器芯片作為系統(tǒng)RS-232的收發(fā)器，供電電壓3.0V至5.5V，通過擴(kuò)展RS-232串口實(shí)現(xiàn)打印機(jī)的連接。該芯片功耗低、傳輸速率快，采用TSSOP封裝，體積小[3]。MAX3232的TTL/CMOS與ARM的UART I/O接口對(duì)接。

3、LCD顯示接口設(shè)計(jì)

在鍵盤設(shè)計(jì)中已經(jīng)提到，本設(shè)備沒有采用現(xiàn)目前較流行的觸摸屏的原因。本設(shè)計(jì)的中使用了常規(guī)的LCD液晶顯示器，顯示器的分辨率為640像素×480像素[4]。通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和控制器使顯示器顯示出圖形圖像。通過前面對(duì)微控制芯片S3C2440的參數(shù)分析得知，芯片內(nèi)集成有LCD控制器，通過LCD控制器產(chǎn)生的LCD驅(qū)動(dòng)器所需信號(hào)來控制液晶顯示屏。

本設(shè)計(jì)中，LCD顯示器采用SHARP8’TFT彩色顯示屏，顯示屏的分辨率為640像素×480像素。該顯示屏需外接DC-AC逆變器以驅(qū)動(dòng)LCD背光顯示。

4、USB2.0接口設(shè)計(jì)

USB（Universal Serial Bus）：通用串行總線的縮寫[5]。從20世紀(jì)90年代初發(fā)布到現(xiàn)在USB經(jīng)歷了USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0等版本。現(xiàn)目前大部分設(shè)備的USB接口還是使用USB2.0版本，USB2.0接口向下兼容USB1.X。USB2.0接口具有支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸模式的多樣性，具有錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)修復(fù)機(jī)制、容錯(cuò)性優(yōu)越，支持設(shè)備的熱插，具有最高480Mb/s的傳輸速度。能夠?yàn)橥庠O(shè)提供電源且易于擴(kuò)展，能動(dòng)態(tài)分配帶寬，具有體積小、高性價(jià)比、方便易用等特點(diǎn)，現(xiàn)今已成為計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的必備接口。各種便攜式設(shè)備常見的USB接口開發(fā)技術(shù)有兩種：一是基于單片機(jī)的，這種接口電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要外置芯片，會(huì)占用大量的CPU資源；二是基于ARM的，這種接口資源豐富，只要選型恰當(dāng)，就不需要外置芯片，還能很好的發(fā)揮CPU的性能。

本次設(shè)計(jì)正是基于ARM的USB2.0接口，并且采用三星公S3C2440作為系統(tǒng)的微控制器，該芯片內(nèi)部集成了USB接口的所有控制部件并支持USB2.0協(xié)議。在眾多USB控制芯片中，根據(jù)低成本、開發(fā)難度低、維護(hù)簡(jiǎn)單等因素選擇了Cypress公司的CY7C68013A芯片，56腳SSOP封裝。

5、Memory接口設(shè)計(jì)

由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大，所以該存儲(chǔ)系統(tǒng)選擇了一個(gè)包含了SDRAM（HY57V561620）、NandFlash（K9F1208）和NorFlash（Am29LV160DB）的方案。

s3c2440微控制器芯片把存儲(chǔ)系統(tǒng)分成8個(gè)Bank，Bank0至Bank5用于連接ROM或SRAM（如NorFlash，圖中用SROM標(biāo)識(shí)），Bank6、Bank7用來連接SDRAM，并且規(guī)定第7個(gè)Bank地址作為SDRAM的起始地址。nGCS0x引腳便是存儲(chǔ)芯片的起始地址，由此看出SDRAM連接到了Bank6，NorFlash與第0個(gè)Bank相連[6]。

今后如要在設(shè)備中添加新的的存儲(chǔ)芯片以擴(kuò)展設(shè)備的存儲(chǔ)容量，我們可以采取以下方式。如果添加的是SRAM芯片或ROM芯片，則將ARM的地址線對(duì)應(yīng)芯片的地址線連接，然后在nGCS0[0]～nGCS[5]這6根引腳中選一個(gè)未使用的Bank連接到新添加的芯片上便可。例如外接ROM芯片，通過片選信號(hào)nGCS1實(shí)現(xiàn)了外接8位的ROM，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)能力的擴(kuò)展。

6、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜性是本設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)，在追求設(shè)備便攜性的同時(shí)還要確保設(shè)備的可靠性，電池系統(tǒng)尤為重要，堅(jiān)決不能出現(xiàn)野外救助時(shí)電池突然斷電給急救帶來的影響。在眾多的電池中，鋰離子電池由于其體積小、重量輕、容量高、性能穩(wěn)定、充放電的次數(shù)多、對(duì)環(huán)境溫度要求低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于筆記本電腦、平板電腦、MP3、手機(jī)等產(chǎn)品中，這類電子產(chǎn)品不斷的升級(jí)換代，鋰電池也具有了比較成熟的開發(fā)技術(shù)。所以，本設(shè)計(jì)中的電池組也選用了鋰離子電池。外出就診時(shí)可以直接使用鋰電池，在電池電量不足或戶內(nèi)使用時(shí)，可以通過電源線進(jìn)行供電，鋰電池的充電也由外接電源完成。又由于一般情況下外接電源要使用電源適配器而鋰電池充電要使用電池充電器，一個(gè)設(shè)備配兩根電源線既產(chǎn)生了浪費(fèi)，更降低了設(shè)備的便攜性。為了實(shí)現(xiàn)只用一根電源適配器線就實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備供電和對(duì)電池充電的這樣兩個(gè)功能，提高設(shè)備的便攜性，設(shè)計(jì)中選擇了MAX1873芯片對(duì)電路進(jìn)行了優(yōu)化。

充電控制電路原理圖如1所示。輸入的電壓經(jīng)隔離二極管D1經(jīng)D2向系統(tǒng)電路供電，通過U2、L1、R2對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。當(dāng)R2上的電流達(dá)到充電電流的臨界點(diǎn)或電流值為0時(shí)，U1從EXT中輸出低電平信號(hào)，使U2關(guān)閉，充電截止。

電源適配器供電和鋰電池供電的電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的值不一樣，通過控制程序很容易判斷出是誰在供電。在電源適配器供電突然中斷后，要求設(shè)備能及時(shí)自動(dòng)切換為鋰電池供電，同時(shí)，在鋰電池電量不足時(shí)及時(shí)切換到適配器供電。在供電方式切換中D1正偏、D2反偏時(shí)由電源適配器供電；電源適配器斷電后D1反偏，D2正偏自動(dòng)切換到電池供電。

7、網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)成本的降低，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透進(jìn)了各行各業(yè)，走進(jìn)了千家萬戶。網(wǎng)絡(luò)化正是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在以前的超聲容積測(cè)量?jī)x產(chǎn)品中，幾乎沒有考慮過網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)，檢測(cè)數(shù)據(jù)只能通過USB接口連接連接在互聯(lián)網(wǎng)中的PC機(jī)進(jìn)行傳輸或者遠(yuǎn)程會(huì)診，如果沒有PC機(jī)數(shù)據(jù)就只能存儲(chǔ)在測(cè)量?jī)x中，這大大降低了儀器的使用面。

通過網(wǎng)絡(luò)接口電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。在醫(yī)院，通過網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診，建立專家系統(tǒng)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院可以直接請(qǐng)求上級(jí)醫(yī)院的遠(yuǎn)程檢測(cè)和在線指導(dǎo)。在家庭，隨著測(cè)量?jī)x的便攜化和低成本，慢性病患者可以通過連接在網(wǎng)絡(luò)中的檢測(cè)儀進(jìn)行病情的監(jiān)控，主治醫(yī)生可以通過網(wǎng)絡(luò)及時(shí)獲取病人的最新檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析后及時(shí)給與患者提供治療方法或建議，減少患者頻繁去醫(yī)院的煩惱。在野外進(jìn)行臨時(shí)急救時(shí)，儀器也能夠通過網(wǎng)絡(luò)快速將檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳給專家或醫(yī)院進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)微控制器S3C2440的特點(diǎn)，結(jié)合成本的控制和體積的控制，最終網(wǎng)絡(luò)接口芯片選擇了DM9000AEP，這款芯片最大的特點(diǎn)也是設(shè)計(jì)中最需要的特點(diǎn)就是低成本、支持超低功耗模式并集成10M/100M自適應(yīng)收發(fā)器。

本文介紹了便攜式超聲容積測(cè)量?jī)x外圍電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)闡述了外圍電路中的鍵盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)，打印機(jī)接口設(shè)計(jì)，LCD顯示接口設(shè)計(jì)，USB接口設(shè)計(jì)，Memory接口設(shè)計(jì)、電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)，結(jié)合其他硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，形成一套完整的便攜式超聲容積測(cè)量?jī)x硬件系統(tǒng)。

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