基于μC/OS-II的牙椅控制系統(tǒng)

　　1 引言

　　牙椅控制器是一體化口腔診療系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)水平反映了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，也是判定牙椅檔次的一個(gè)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(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)，利用多任務(wù)管理、任務(wù)間同步與通信等功能，可更進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性和實(shí)時(shí)性，增強(qiáng)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(jì)必須滿足醫(yī)療需求并方便使用操作。高檔牙椅在實(shí)際工作中除了要滿足上下仰臥四個(gè)基本方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(jī)通信功能，還要保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)可靠和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。牙椅控制系統(tǒng)CPU 響應(yīng)外接鍵盤輸入，執(zhí)行相應(yīng)的命令，驅(qū)動(dòng)外部的液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)牙椅的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)較多，且集中于器械盤面板和牙椅底座兩個(gè)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(jì)

　　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(jìn)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(gè)LCD 控制器、5 個(gè)PWM 通道的定時(shí)器和1 通道內(nèi)部定時(shí)器、71 個(gè)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(kuò)展性，作為牙椅系統(tǒng)的主處理器。

　　ATmega16 是增強(qiáng)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(gè)內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)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(dòng)和進(jìn)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(gè)3×2 腳踏鍵盤，CPU 接收鍵盤輸入執(zhí)行相應(yīng)的命令，并控制底座模塊上的各液壓傳動(dòng)控制繼電器的通斷，控制牙椅向上下仰臥四個(gè)方向、漱口位置和就診位置運(yùn)動(dòng)?？紤]到使用者的安全和牙椅設(shè)備的穩(wěn)定可靠問題，在運(yùn)動(dòng)過程中CPU 必須對(duì)四個(gè)方向的限位開關(guān)和底座障礙物保護(hù)開關(guān)的反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。

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　　為達(dá)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(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)記憶牙椅的位置，因此系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)底座板和面板的實(shí)時(shí)通信。結(jié)合CPU芯片的特點(diǎn)和實(shí)際需求兩者采用串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)同步傳輸。面板CPU 可接收外部擴(kuò)展鍵盤的輸入來執(zhí)行響應(yīng)的命令，并預(yù)留了擴(kuò)展接口。

　　由于外部設(shè)備對(duì)于CPU 來說都屬于強(qiáng)電控制部分，為了使兩者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要避免電氣干擾，即實(shí)行弱電和強(qiáng)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(jì)采用了PWM 方式。S3C44B0X 有5 個(gè)定時(shí)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(yīng)管IRF540 與光電隔離電路配合控制。