基于ARM嵌入式技術(shù)的牙椅控制系統(tǒng)

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　　1 引言

　　隨著人們對口腔健康的日益重視，開發(fā)適合國情的高端一體化口腔診療系統(tǒng)顯得尤為必要。牙椅控制器是一體化口腔診療系統(tǒng)的核心，其設(shè)計水平反映了整個系統(tǒng)的自動化程度，也是判定牙椅檔次的一個重要依據(jù)。

　　本文研究開發(fā)了基于ARM嵌入式技術(shù)的牙椅控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中應用嵌入式操作系統(tǒng)，利用多任務管理、任務間同步與通信等功能，可更進一步提高系統(tǒng)可靠性和實時性，增強智能控制和管理水平。

　　2 整體功能概述

　　系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。牙椅控制系統(tǒng)設(shè)計必須滿足醫(yī)療需求并方便使用操作。高檔牙椅在實際工作中除了要滿足上下仰臥四個基本方向的運動，同時還必須能夠完成茶杯給水、沖洗痰盂、無影燈調(diào)控、位置數(shù)據(jù)采集、X 光透射、及與上位機通信功能，還要保證運動的平穩(wěn)可靠和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。牙椅控制系統(tǒng)CPU 響應外接鍵盤輸入，執(zhí)行相應的命令，驅(qū)動外部的液壓傳動機構(gòu)實現(xiàn)牙椅的運動和其他外部設(shè)備的工作。

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　　由于牙椅控制系統(tǒng)的控制點較多，且集中于器械盤面板和牙椅底座兩個地方，因此本文將牙椅控制系統(tǒng)主要分為三大模塊：面板控制模塊、底座控制模塊、供電模塊。

　　2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　基于芯片性能、功耗、系統(tǒng)需求等多方面的要求，本系統(tǒng)采用S3C44B0X芯片與ATmega16 芯片構(gòu)成雙CPU 模塊進行協(xié)同控制。S3C44B0X 是Samsung 公司生產(chǎn)的16/32 位RISC 處理器，其總線結(jié)構(gòu)采用三星ARM CPU 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)。S3C44B0X提供了全面的、通用的片上外設(shè)，包括1 個LCD 控制器、5 個PWM 通道的定時器和1 通道內(nèi)部定時器、71 個通用I/O 口和8 通道外部中斷源、8 通道10 位的ADC、SPI 同步數(shù)據(jù)通信串行ARM 嵌入式牙椅控制系統(tǒng)接口等，具有良好的可擴展性，作為牙椅系統(tǒng)的主處理器。

　　ATmega16 是增強的AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS 微控制器，內(nèi)部資源豐富，具有32 路可編程I/O 口、512 字節(jié)的EEPROM、四通道的PWM 輸出、8 路10 位ADC 轉(zhuǎn)換通道和3 個內(nèi)部定時器/計數(shù)器和SPI 同步數(shù)據(jù)通信串行口，作為牙椅系統(tǒng)的底座模塊的核心和控制芯片，控制牙椅的移動和進行牙椅的位置數(shù)據(jù)采集。

　　牙椅控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。底座控制板CPU 外接一個3×2 腳踏鍵盤，CPU 接收鍵盤輸入執(zhí)行相應的命令，并控制底座模塊上的各液壓傳動控制繼電器的通斷，控制牙椅向上下仰臥四個方向、漱口位置和就診位置運動?？紤]到使用者的安全和牙椅設(shè)備的穩(wěn)定可靠問題，在運動過程中CPU 必須對四個方向的限位開關(guān)和底座障礙物保護開關(guān)的反饋信息進行實時監(jiān)控并做出相應的保護動作。

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　　為達到方便使用的目的，面板控制模塊同樣也要能夠控制牙椅的上述運動并實時記憶牙椅的位置，因此系統(tǒng)要實現(xiàn)底座板和面板的實時通信。結(jié)合CPU芯片的特點和實際需求兩者采用串行外設(shè)接口(SPI)進行高速數(shù)據(jù)同步傳輸。面板CPU 可接收外部擴展鍵盤的輸入來執(zhí)行響應的命令，并預留了擴展接口。

　　由于外部設(shè)備對于CPU 來說都屬于強電控制部分，為了使兩者之間既保持控制信號聯(lián)系，又要避免電氣干擾，即實行弱電和強電隔離，面板控制模塊增加了光電隔離電路。無影燈的亮度數(shù)字調(diào)節(jié)設(shè)計采用了PWM 方式。S3C44B0X 有5 個定時器可以提供PWM輸出。由于系統(tǒng)使用的無影燈額定功率為50W，額定電壓為12V，屬于大電流工作，為了保證無影燈的調(diào)節(jié)精度，在控制電路上采用場效應管IRF540 與光電隔離電路配合控制。