超聲醫(yī)學即利用超聲波的物理特性進行診斷和治療的一門影像學科，其臨床應用范圍廣泛，目前已成為現代臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。本系統是一個便攜式軟組織超聲診斷儀的一部分，主要功能是高頻超聲信號采集。其工作機制，是在前端低頻脈沖（20Hz~10KHz）的觸發(fā)下，對由超聲換能器產生的高頻超聲信號（1MHz~20MHz）進行采集，預處理，然后通過USB總線傳輸給PC機，由軟件進行分析、處理。
在本設計方案中，高速CPLD芯片作為數據采集系統的核心部分，相比傳統的MCU+ADC方法，CPLD是用硬件信號而不是軟件編程來控制ADC，從而在速度上有很大的優(yōu)勢。而目前強大的VHDL編程語言也使得CPLD能很容易地實現預想的功能邏輯。
數據處理部分，選用數據處理功能強大、處理速度高的DSP芯片作為CPU。而在與上位機通信方面，采用支持即插即用且成本也相對較低的USB接口。整體系統方面，各個子系統之間的數據傳輸和同步問題是技術難點。在經過反復比較和測試之后，采取高速存儲器作為數據緩沖區(qū)的方案。
系統各組成模塊
包括三個子系統：CPLD子系統，DSP子系統和USB子系統。其中，CPLD+ADC實現數據采集，DSP則負責數據處理，兩者之間通過一片高速RAM來交換數據；USB芯片（AN2131Q）負責把數據通過USB線上傳給主機，它和DSP之間通過一片鎖存器進行通信。
（1）數據采集子系統（CPLD子系統）
該子系統主要由一片Altera公司的CPLD和一片高速ADC所組成。由于要采集的超聲信號最高頻率為20M，根據Nyquist定律，采樣頻率應該在40MHz以上，為了提高精度，系統采用了ADI公司的AD9283芯片。該芯片最高工作頻率為100MHz，經過測試，可很好地滿足系統帶寬要求。以往的便攜式數據采集系統中，下位機部分ADC-RAM模塊往往采用MCU作為CPU來控制，因此，采集頻率直接受到MCU速度的制約，而且和RAM存儲器的同步也成為問題。
經過比較，本系統采用Altera公司的CPLD芯片來控制ADC和RAM，從而很好地解決了時序精度和同步的問題。
CPLD作為控制芯片，實現的功能邏輯為：
● 接到DSP觸發(fā)信號（START）之后，實現對ADC的控制，發(fā)出一個Start信號，ADC開始采樣工作；
● 與ADC控制信號同步提供RAM地址計數器（A0~A16）和寫信號（/WE），使得每次ADC的結果直接存入RAM并且自動增加地址；
● 當地址計數器達到最大的時候，發(fā)出中斷信號（RAM_FULL），提示DSP系統RAM已滿； CPLD的功能邏輯用VHDL語言實現，其編譯、仿真和綜合采用Altera官方主頁提供的MAXPLUXII
● Student10.1版，下載電纜自制。
（2）數據處理子系統（DSP子系統）
由于系統在后期升級中，要求對下位機部分的數據進行較為復雜的預處理，同時系統在實時性方面要求較高。因此選用TI公司的TMS320C5409作為數據處理子系統的CPU。
DSP子系統的主要工作流程為：
1） 接到Trigger（由前端換能模塊發(fā)出）中斷（INT0）觸發(fā)后，拉高START信號通知信號采集模塊開始工作，然后進入等待；
2） 接到RAM_FULL中斷（INT1）之后，知道RAM已經寫滿，首先將START信號拉低停止CPLD和ADC。然后開始逐個讀RAM中的數據，根據系統要求做相應處理，之后借助鎖存器發(fā)給AN2131Q;
3） 在本系統中，DSP軟件部分的幾個函數體包括：主循環(huán)；int0中斷（前端觸發(fā)）；int1中斷（RAM已滿）。
（3）通信接口子系統（USB子系統）
該子系統完成的功能，就是通過鎖存器接收DSP發(fā)過來的數據，然后通過自身的USB控制器嵌入式系統是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音圖像數據傳輸技術，甚至傳感器等先進技術和具體應用對象相結合后的更新換代產品，反映當代最新技術的先進水平。
嵌入式系統是當今非常熱門的研究領域，在PC市場已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統市場的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統所依托的軟硬件技術得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統自身獲得了快速發(fā)展。根據美國嵌入式系統專業(yè)雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統市場需求量具有比PC市場大10～100倍的商機。
有機構估計，全世界嵌入式系統產品潛在的市場將超過1萬億美元。隨著技術的發(fā)展，業(yè)內對嵌入式系統的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規(guī)模集成電路、軟件技術和各種具體的行業(yè)應用技術相結合的結果，其中各種軟件技術占了嵌入式系統80%的工作量。嵌入式系統不同于一般PC 機上的應用系統，即使是針對不同的具體應用而設計的嵌入式系統之間的差別也很大。
嵌入式系統一般功能單一、簡單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多?？梢哉f，嵌入式系統是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術。
嵌入式系統歷史及發(fā)展趨勢
事實上，在很早以前，嵌入式這個概念就已經存在了。在通信方面，嵌入式系統在20世紀60年代就用于對電子機械電話交換的控制，當時被稱為“存儲式程序控制系統”（Stored Program Control）。嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術運算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。
以這些微處理器作為核心所構成的系統廣泛地應用于儀器儀表、醫(yī)療設備、機器人、家用電器等領域。微處理器的廣泛應用形成了一個廣闊的嵌入式應用市場，計算機廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產品，再由用戶根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板，從而構成專用的嵌入式計算機系統，并將其嵌入到自己的系統設備中。
為靈活兼容考慮，出現了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設計一臺專用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專用計算機系統。
用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購最適合的OEM產品，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統，因此希望插件相互兼容，從而導致了工業(yè)控制微機系統總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡單STD總線廣泛應用于小型嵌入式系統。
20世紀80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，即俗稱的單片機，成為嵌入式計算機系統異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產品則進一步提升了嵌入式計算機系統的技術水平，并迅速滲入到消費電子、醫(yī)療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸等各個領域。
20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進一步加速發(fā)展。面向實時信號處理算法的DSP產品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應用方面，發(fā)展也較為迅速。
特別是掌上電腦，1997年在美國市場上掌上電腦不過四五個品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現出來。此外，Nokia推出了智能電話，西門子推出了機頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。
21世紀無疑是一個網絡的時代，將嵌入式系統應用到各類網絡中也必然是嵌入式系統發(fā)展的重要方向。嵌入式系統在各個領域應用的發(fā)展?jié)摿薮?，其在醫(yī)療儀器領域的應用也越來越廣泛。
嵌入式系統的定義及分類
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶應用程序等部分組成（見圖1），用于實現對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件（OS）和應用程序編程。
有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統的運作和行為；而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。嵌入式系統通?？砂磮D2分類。嵌入式產品已經在航空航天、交通、電子、醫(yī)療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應用。
嵌入式系統的特點
嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點：
（1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執(zhí)行時間減少到最低限度；
（2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷；
（3）可擴展的處理器結構，以便最迅速地開發(fā)出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器；
（4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。
嵌入式系統同通用型計算機系統相比具有六大重要特征：
（1）專用性強：嵌入式系統通常是面向特定應用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統中，它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，移動能力大大增強，與網絡的耦合也越來越緊密；
（2）知識集成度高：嵌入式系統是將先進的計算機技術、半導體技術和電子技術與各個行業(yè)的具體應用相結合后的產物。這一點就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統；
（3）系統內核?。呵度胧较到y的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力；
（4）系統精簡：嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區(qū)分。它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，便具有較長的生命周期；
（5）高實時性和可靠性：為了提高執(zhí)行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中；
（6）系統開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統本身不具備自主開發(fā)能力，設計完成以后用戶通常不能直接對其中的程序功能進行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。
嵌入式系統在醫(yī)療儀器中的應用
進入2008年，越來越多的利好消息出現在醫(yī)療儀器設備領域。近期，德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領域加大投入。而我國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也將在2008年繼續(xù)其備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級別的投入將增加全社會對醫(yī)療儀器設備的需求。隨著生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關注也提升到一個前所未有的高度。
今天，越來越多的高科技手段開始運用到醫(yī)療儀器的設計中。心電圖、腦電圖等生理參數檢測設備，各類型的監(jiān)護儀器、超聲波、X射線成影設備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開始在各地醫(yī)院廣泛使用。遠程醫(yī)療、HIS、病人呼叫中心、數字化醫(yī)院等先進理念的出現和應用，使醫(yī)院的管理比以往任何時候都更加完善和高效，同時病人享受到更加快捷方便和人性化的服務。
在技術領域，醫(yī)療儀器設備則開始呈現向便攜性和網絡化發(fā)展的趨勢?？梢噪S身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機、心電監(jiān)護儀必然會有越來越大的市場需求。而網絡化的進一步普及也正在進入醫(yī)療儀器設備領域，通過有線或無線技術，醫(yī)生可以遠程訪問病人的資料；數字化網絡化的醫(yī)療檢測設備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫(yī)院的各個科室甚至是遠隔千里的不同醫(yī)院之間，從而節(jié)省了就醫(yī)者的時間和重復檢測的費用；而網絡化的醫(yī)療儀器設備和系統也使遠程醫(yī)療變?yōu)楝F實，身在某些不發(fā)達地區(qū)的重癥患者有可能通過遠程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。
在我國，由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問題。醫(yī)療儀器設備網絡化所帶來的這些益處對解決該問題也有著非?，F實的意義。
嵌入式系統在醫(yī)療儀器設備中的應用
由于醫(yī)療儀器設備固有的自身特點和以上提到的最新發(fā)展趨勢的要求，用于醫(yī)療儀器設備的技術和系統也應該與這些特點和要求相適應。嵌入式系統應用于醫(yī)療儀器設備，符合發(fā)展趨勢帶來的要求和變化。醫(yī)療儀器領域大量醫(yī)療儀器的應用，如心臟起搏器、放射設備及分析監(jiān)護設備，都需要嵌入式系統的支持。
各種化驗設備，如肌動電流描記器、離散光度化學分析、分光光度計等，都需要使用高性能的、專用化的DSP系統來提高其精度和速度。引入嵌入式系統后，現有的各種監(jiān)護儀的發(fā)往HOST。
采用Cypress公司的AN2131Q作為USB通信芯片。AN2131Q功能框圖如圖3。該芯片的主要特性為：
● 改進的8051內核。性能可達到標準8051的5~10倍，與標準8051的指令完全兼容；
● 高度集成。傳統USB外設的硬件設計通常包括非易失性存儲器（如EPROM、EEPROM、FLASH ROM）、微處理器、RAM、SIE（串行接口引擎）和DMA等。EZ-USB將上述多個模塊集成在一個芯片中，從而減少了各芯片接口部分時序配合時的麻煩；
● Cypress公司的EZ-USB系列芯片接收全部USB 的吞吐量。這種設計不受端點數目、緩沖區(qū)大小及傳輸速度的限制；
● USB 內核。AN2131Q可以代替USB外設開發(fā)者完成USB協議中規(guī)定的80%~90%的通信工作，使得開發(fā)者不需要深入了解USB的低級協議即可順利地開發(fā)出所需要的USB外設；
● 易用的軟件開發(fā)工具。固件可獨立于驅動程序被測試。驅動程序和固件的開發(fā)與調試相互獨立，可加快開發(fā)的速度。
● 軟配置。外設未通過USB接口連接到PC機之前，外設上的固件存儲在PC上；一旦外設接到PC機上，PC讀取設備描述符，然后將該外設的固件下載到EZ-USB的RAM中并執(zhí)行，這個過程叫做再枚舉。這種基于RAM的軟配置方法，可以允許無限的配置和升級。
AN2131Q屬于Cypress公司EZ-USB系列，其驅動在Cypress公司提供的例程中略加改動即可使用，簡單可靠，編輯、編譯工具為Microsoft的VC++6.0和98DDK，調試工具采用SOFTICE。驅動程序為上層應用程序提供了很多API接口。
數據采集子系統與處理子系統的通信與同步
本系統有采樣速率快，數據量大的特點。本系統中，8位ADC的采樣頻率為100MHz，采樣寬度為每次20ms，那么每次采樣得到數據為100MHz*20ms=2KB;Trigger信號脈沖寬度采用50ms，由此可計算出每幀數據量為2KB * 50ms * 10KHz = 1M。
數據處理采用的DSP芯片滿足這個速率要求，但是還要通過USB把數據傳向主機，而系統采用的AN2131Q為USB1.1協議芯片，經過測算其達不到理論的1Mb/s，因此，兩個子系統之間必須通過緩沖器進行通信。目前常用的多處理器間通信方法有三種：雙口RAM; 高速FIFO; 總線開關加存儲器。
其中前兩者相對簡單，容易控制，但是由于目前雙口RAM和FIFO的速率和容量都達不到本系統的要求，因此最終選用最后一種方法，即高速RAM加總線開關的方法，由CPLD系統和DSP分時訪問RAM。
CPLD在START電平變低之后，地址線輸出高阻，此時ADC的數據輸出也是高阻，此時DSP才開始從RAM讀數據，這一邏輯保證了不會發(fā)生總線沖突。
高速DSP系統與AN2131Q的通信控制
通過一片數據鎖存器作為緩沖器，利用TMS320C5409的XF和BIO引腳和AN2131Q的兩個IO口作為握手引腳；同時，DSP利用中斷來管理數據傳輸；AN2131Q則通過輪循來管理數據傳輸。
系統整體調試
由于要采集的信號頻率較高，因此，電路板的抗高頻干擾問題是一個很重要的問題，經過測試，高頻信號在系統中沒有產生影響系統整體性能的干擾。
用HP信號發(fā)生器分別產生500KHz、5MHz、10MHz、20MHz的信號進行測試，DSP子系統暫時沒有對信號進行預處理而是原樣不動的發(fā)給USB通信芯片（信號處理函數暫時設為空參數）。在應用程序中，上層軟件利用多線程處理技術，把采集到的信號同時進行分析、顯示、存儲等，系統達到了令人滿意的實時性。
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