基于ARM-AVR双CPU的数字式呼吸机控制器设计
摘要
随着计算机技术的发展,现代呼吸机已经由微处理器控制取代了数字、模拟电路分立控制。在这样的行业背景下,北京康都医疗器械公司与北方工业大学联合开发基于微处理器控制的新型换代产品。本呼吸机控制器要突出两个特点:作为医疗设备首先要具备高度的可靠性,其次要具有良好的人机交互界面。
本论文内容包括以下几个方面:
(1)控制器方案的确定。根据功能需求,确定控制器方案为双CPU架构:采用ARM7处理器$3C4480完成测量、控制、按键处理和显示等常规任务;采用AVR单片机ATmega128负责发出整机的时钟脉冲信号。
(2)控制器硬件设计。硬件电路包括三个部分:第一部分为控制器的核心—主CPUS3C4480,它的主频可以被配置为66MHz,这样可以高速处理测量、显示和控制任务。第二部分为S3C4480最小系统,包括电源电压转换电路、复位及看门狗电路、晶振电路、JTAG调试接口电路、FLASH存储器扩展电路、SDRAM存储器扩展电路和EEPROM扩展电路,这一部分为主CPU的运行提供了基本条件。针对呼吸机功能第三部扩展了特定的测量、显示和控制模块,包括ATmega128模块、LCD显示模块、键盘模块、模拟量测量模块和数字量测控模块。
(3)控制器软件设计。软件设计包括S3C4480部分和ATmega128部分,这两部分都采用循环加中断的软件设计思想。软件结构采用模块化设计,封装了LCD显示、键盘处理、测量和控制等功能函数供上层软件调用。实现了对呼吸机工作模式的设置、工作状态的显示、工作参数的监控等功能。
经测试,本课题所设计的呼吸机不仅具有高度的可靠性,同时具有良好的人机界面,达到了设计要求。
With the development of computer technology, digital and analog circuit discrete control mode has been replaced by CPU control mode. In this background of ventilator industry, Beijing Kang Do company (Kang Du medical Apparatus and Instruments CO.LTD) joins with North China University of Technology in developing new products which is based on the Microprocessor. There are two characteristics on this ventilater controller: First, as a medical apparatus, it must have security with higher degree; Secondly, There should be a good Human-Machine Interface.
The main contents in this paper includes:
(1) Choose of control scheme. In view of these functional requirements, we design the hardware architecture of controller based on dual CPU mode: S3C44B0, which is a ARM7 processor, is used for measurement, control, key processing, display and other routine tasks; ATmegal28, which is a AVR Microcontroller, is responsible for issuing the clock pulse for whole machine.
(2) Desing of hardware.Hareware circuit desing includes three parts:The first part is the core of controller-main CPU S3C44B0.The second part is expansion of main CPU,such as power circuit,reset&watchdog circuit, oscillator circuit,debug interface circuit,memory expansion circuit.The third part is the expansion of measurement,control,display and key response circuit.
(3) Design of software.Software design includes two parts:software for main CPU and software for sub CPU,The idea of both parts is circulation+interrupt.All kinds of sub-functions are encapsulated for higher level software such as display module,key response module,measurement and control module.These software realizes the required functions for Ventilator Controller.
The Ventilator Controller which discussed in this paper has not only higher reliability but also better human-machine interface.
本论文内容包括以下几个方面:
(1)控制器方案的确定。根据功能需求,确定控制器方案为双CPU架构:采用ARM7处理器$3C4480完成测量、控制、按键处理和显示等常规任务;采用AVR单片机ATmega128负责发出整机的时钟脉冲信号。
(2)控制器硬件设计。硬件电路包括三个部分:第一部分为控制器的核心—主CPUS3C4480,它的主频可以被配置为66MHz,这样可以高速处理测量、显示和控制任务。第二部分为S3C4480最小系统,包括电源电压转换电路、复位及看门狗电路、晶振电路、JTAG调试接口电路、FLASH存储器扩展电路、SDRAM存储器扩展电路和EEPROM扩展电路,这一部分为主CPU的运行提供了基本条件。针对呼吸机功能第三部扩展了特定的测量、显示和控制模块,包括ATmega128模块、LCD显示模块、键盘模块、模拟量测量模块和数字量测控模块。
(3)控制器软件设计。软件设计包括S3C4480部分和ATmega128部分,这两部分都采用循环加中断的软件设计思想。软件结构采用模块化设计,封装了LCD显示、键盘处理、测量和控制等功能函数供上层软件调用。实现了对呼吸机工作模式的设置、工作状态的显示、工作参数的监控等功能。
经测试,本课题所设计的呼吸机不仅具有高度的可靠性,同时具有良好的人机界面,达到了设计要求。
With the development of computer technology, digital and analog circuit discrete control mode has been replaced by CPU control mode. In this background of ventilator industry, Beijing Kang Do company (Kang Du medical Apparatus and Instruments CO.LTD) joins with North China University of Technology in developing new products which is based on the Microprocessor. There are two characteristics on this ventilater controller: First, as a medical apparatus, it must have security with higher degree; Secondly, There should be a good Human-Machine Interface.
The main contents in this paper includes:
(1) Choose of control scheme. In view of these functional requirements, we design the hardware architecture of controller based on dual CPU mode: S3C44B0, which is a ARM7 processor, is used for measurement, control, key processing, display and other routine tasks; ATmegal28, which is a AVR Microcontroller, is responsible for issuing the clock pulse for whole machine.
(2) Desing of hardware.Hareware circuit desing includes three parts:The first part is the core of controller-main CPU S3C44B0.The second part is expansion of main CPU,such as power circuit,reset&watchdog circuit, oscillator circuit,debug interface circuit,memory expansion circuit.The third part is the expansion of measurement,control,display and key response circuit.
(3) Design of software.Software design includes two parts:software for main CPU and software for sub CPU,The idea of both parts is circulation+interrupt.All kinds of sub-functions are encapsulated for higher level software such as display module,key response module,measurement and control module.These software realizes the required functions for Ventilator Controller.
The Ventilator Controller which discussed in this paper has not only higher reliability but also better human-machine interface.
引文
[1]刘又宁.机械通气与临床.北京:科学出版社,1998.16-18
[2]王保国等.实用呼吸机治疗学.北京:人民卫生出版社,1994.90-103,203-208
[3]宋志芳等.机械通气与危重病.北京:人民军医出版社,1999.146-159
[4]梁晓婷,杨国忠.我国呼吸机发展现状及趋势.中国医疗器械信息,2008,14(1)
[5]俞森洋主编.现代机械通气的理论和实践.北京:中国协和医科大学出版社,2000.211-346
[6]郑欲和.通气技术和通气模式的进展.医疗卫土装备,2001,22(1):23-24
[7]孟详全,吴太虎,李若新.机械通气技术及呼吸机的现状与发展.中国医疗器械信息,2001,7(6):17-19
[8]王碧秀.呼吸机工作模式原理及常见故障.中国医学设备,2005,2(2):48
[9]张维真.生物医学电子学.北京:清华大学出版社,1990
[10]曹玉龙.呼吸机参数的设置与调节.中国临床医生,2006,250-252
[11]郭军涛.呼吸机的分类与购置选择方法.生物医学工程与临床,2005,9:12-14
[12]陈安宁,赵强.国产电动呼吸机控制系统程控改进.北京生物医学工程,1994,13(4):223-227
[13]韩转英.呼吸机的微机控制器.航天技术与民品.1998,3:13
[14]胡玉叶.呼吸机关键技术研究:[硕士学位论文].山东大学,2006
[15]莫钊,郑青,刘志明.基于单片机控制的同步呼吸机设计.微计算机信息,2006,22(9):3
[16]李驹光,聂雪媛,江泽明,王兆卫.ARM应用系统开发详解—基于S3C4510B的系统设计.北京:清华大学出版社,2003
[17]杜春雷.ARM体系结构与编程.北京:清华大学出版社,2003.7-10,17-21
[18]马忠梅等.ARM嵌入式处理器结构与应用基础.北京:北京航空航天大学出版社,2002.3-7,17-35
[19]张嵛.32位嵌入式系统硬件设计与调试.北京:机械工业出版社,2005.191-218
[20]刘岚,尹勇,李京蔚.基于ARM的嵌入式系统开发.北京:电子工业出版社,2008
[21]胥静.嵌入式系统设计与开发实例详解.北京:北京航空航天大学出版社,2005.84-93,142-154,169-173
[22]季振华.基于ARM7TDMI内核的S3C44BO异常处理分析.微计算机信息,2006,22(5):137-139
[23]Bleier,Frank P.Fan Handbook:Selection,Applications and Design.McGraw Hill Professional.1997
[24]Borrello M.A.Positive feedback in flow controller reduces ventilator imposed work of breathing for critical care patients.Proceedings of the American Control Conference.2002
[25]Chatburn,R.L.Computer Control of Mechanical Ventilation.Respiratory Care,2004,49(5):507-517
[26]谭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社.2000
[27]Aold Berger.嵌入式系统设计,吕骏译.北京:电子工业出版社,2002
[28]万永波,张根宝,田泽,杨峰.基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析.微计算机信息,2005,21(11):6
[29]邹思轶.嵌入式设计与应用.北京:清华大学出版,2002.20-25
[30]朱伟.S3C44BOX控制LCD的设计与实现.真空电子技术,2006,3:6
[31]陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega128单片机原理与开发指导.北京:机械工业出版社,2005.10-67,124-131
[32]金钟夫,杜刚,王群,徐宗完.ATmegal28单片机C程序设计与实践.北京:北京航空航天大学出版社.2008.72-93
[33]刘兰香,张秋生.ATmega128单片机应用与开发实例.北京:机械工业出版社,2006.33-38
[34]范烨.便携式呼吸机研究:[硕士学位论文].军事医学科学院卫生装备研究所,2007
[35]苏东风.睡眠呼吸机的模糊PID控制系统研究:[硕士学位论文].吉林大学,2004
[36]利建波.智能呼吸机平台搭建及容量控制模式的实现:[硕士学位论文].汕头大学,2006
[37]樊晓克.智能化呼吸机设计方案和PSV控制算法的研究:[硕士学位论文].山东大学,2006
[38]杨磊.基于FPGA的呼吸机数据采集系统研究:[硕士学位论文].吉林大学,2005
[39]朱肇轩.呼吸机综合测试平台及呼吸模式的研究:[硕士学位论文].国防科学技术大学,2006
[40]荆楠.基于热敏打印的心电曲线平滑算法的研究及实现.电子器件,2006,29(4):1196-1199
[41]郝木兰.基于Linux的呼吸机控制系统的研究:[硕士学位论文].天津大学,2006
[42]清源计算机工作室.Protel 99 SE电路设计与仿真.北京:机械工业部出版社,2002
[43]马忠梅.单片机C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,1999
[44]胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社,2003
[45]周航慈.单片机应用程序设计技术.北京:北京航空航天大学出版社,1991.
[46]李维提.郭强.液晶显示应用技术.北京:电子工业出版社,2000
[47]王福瑞等.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出版社,2001
[48]马瑞芳.点阵液晶显示系统的驱动方法,西安交通大学学报,1997(1):120-125
[49]吕俊芳.传感器接口与检测仪器电路.北京:航空航天大学出版社,1993
[2]王保国等.实用呼吸机治疗学.北京:人民卫生出版社,1994.90-103,203-208
[3]宋志芳等.机械通气与危重病.北京:人民军医出版社,1999.146-159
[4]梁晓婷,杨国忠.我国呼吸机发展现状及趋势.中国医疗器械信息,2008,14(1)
[5]俞森洋主编.现代机械通气的理论和实践.北京:中国协和医科大学出版社,2000.211-346
[6]郑欲和.通气技术和通气模式的进展.医疗卫土装备,2001,22(1):23-24
[7]孟详全,吴太虎,李若新.机械通气技术及呼吸机的现状与发展.中国医疗器械信息,2001,7(6):17-19
[8]王碧秀.呼吸机工作模式原理及常见故障.中国医学设备,2005,2(2):48
[9]张维真.生物医学电子学.北京:清华大学出版社,1990
[10]曹玉龙.呼吸机参数的设置与调节.中国临床医生,2006,250-252
[11]郭军涛.呼吸机的分类与购置选择方法.生物医学工程与临床,2005,9:12-14
[12]陈安宁,赵强.国产电动呼吸机控制系统程控改进.北京生物医学工程,1994,13(4):223-227
[13]韩转英.呼吸机的微机控制器.航天技术与民品.1998,3:13
[14]胡玉叶.呼吸机关键技术研究:[硕士学位论文].山东大学,2006
[15]莫钊,郑青,刘志明.基于单片机控制的同步呼吸机设计.微计算机信息,2006,22(9):3
[16]李驹光,聂雪媛,江泽明,王兆卫.ARM应用系统开发详解—基于S3C4510B的系统设计.北京:清华大学出版社,2003
[17]杜春雷.ARM体系结构与编程.北京:清华大学出版社,2003.7-10,17-21
[18]马忠梅等.ARM嵌入式处理器结构与应用基础.北京:北京航空航天大学出版社,2002.3-7,17-35
[19]张嵛.32位嵌入式系统硬件设计与调试.北京:机械工业出版社,2005.191-218
[20]刘岚,尹勇,李京蔚.基于ARM的嵌入式系统开发.北京:电子工业出版社,2008
[21]胥静.嵌入式系统设计与开发实例详解.北京:北京航空航天大学出版社,2005.84-93,142-154,169-173
[22]季振华.基于ARM7TDMI内核的S3C44BO异常处理分析.微计算机信息,2006,22(5):137-139
[23]Bleier,Frank P.Fan Handbook:Selection,Applications and Design.McGraw Hill Professional.1997
[24]Borrello M.A.Positive feedback in flow controller reduces ventilator imposed work of breathing for critical care patients.Proceedings of the American Control Conference.2002
[25]Chatburn,R.L.Computer Control of Mechanical Ventilation.Respiratory Care,2004,49(5):507-517
[26]谭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社.2000
[27]Aold Berger.嵌入式系统设计,吕骏译.北京:电子工业出版社,2002
[28]万永波,张根宝,田泽,杨峰.基于ARM的嵌入式系统Bootloader启动流程分析.微计算机信息,2005,21(11):6
[29]邹思轶.嵌入式设计与应用.北京:清华大学出版,2002.20-25
[30]朱伟.S3C44BOX控制LCD的设计与实现.真空电子技术,2006,3:6
[31]陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega128单片机原理与开发指导.北京:机械工业出版社,2005.10-67,124-131
[32]金钟夫,杜刚,王群,徐宗完.ATmegal28单片机C程序设计与实践.北京:北京航空航天大学出版社.2008.72-93
[33]刘兰香,张秋生.ATmega128单片机应用与开发实例.北京:机械工业出版社,2006.33-38
[34]范烨.便携式呼吸机研究:[硕士学位论文].军事医学科学院卫生装备研究所,2007
[35]苏东风.睡眠呼吸机的模糊PID控制系统研究:[硕士学位论文].吉林大学,2004
[36]利建波.智能呼吸机平台搭建及容量控制模式的实现:[硕士学位论文].汕头大学,2006
[37]樊晓克.智能化呼吸机设计方案和PSV控制算法的研究:[硕士学位论文].山东大学,2006
[38]杨磊.基于FPGA的呼吸机数据采集系统研究:[硕士学位论文].吉林大学,2005
[39]朱肇轩.呼吸机综合测试平台及呼吸模式的研究:[硕士学位论文].国防科学技术大学,2006
[40]荆楠.基于热敏打印的心电曲线平滑算法的研究及实现.电子器件,2006,29(4):1196-1199
[41]郝木兰.基于Linux的呼吸机控制系统的研究:[硕士学位论文].天津大学,2006
[42]清源计算机工作室.Protel 99 SE电路设计与仿真.北京:机械工业部出版社,2002
[43]马忠梅.单片机C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,1999
[44]胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京:清华大学出版社,2003
[45]周航慈.单片机应用程序设计技术.北京:北京航空航天大学出版社,1991.
[46]李维提.郭强.液晶显示应用技术.北京:电子工业出版社,2000
[47]王福瑞等.单片微机测控系统设计大全.北京:北京航空航天大学出版社,2001
[48]马瑞芳.点阵液晶显示系统的驱动方法,西安交通大学学报,1997(1):120-125
[49]吕俊芳.传感器接口与检测仪器电路.北京:航空航天大学出版社,1993
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