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1、基于ARM嵌入式技术的牙椅控制系统设计方案基于ARM嵌入式技术的牙椅控制系统设计方案网络转载导语：目前，市场高端牙椅设备根本被国外公司独断，一般其价格昂贵而且技术不转让。随着人们对口腔安康的日益重视，开发合适国情的高端一体化口腔诊疗系统显得尤为必要。1引言目前，市场高端牙椅设备根本被国外公司独断，一般其价格昂贵而且技术不转让。随着人们对口腔安康的日益重视，开发合适国情的高端一体化口腔诊疗系统显得尤为必要。牙椅控制器是一体化口腔诊疗系统的核心，其设计程度反映了整个系统的自动化程度，也是断定牙椅档次的一个重要根据。本文研究开发了基于ARM技术的牙椅控制系统。在控制系统中应用嵌入式操作系统，利用多任
2、务管理、任务间同步与通信等功能，可更进一步进步系统可靠性和实时性，增强智能控制和管理程度。2整体功能概述系统整体框图如图1所示。牙椅控制系统设计必须知足医疗需求并方便使用操作。高档牙椅在实际工作中除了要知足上下仰卧四个根本方向的运动，同时还必须可以完成茶杯给水、冲洗痰盂、无影灯调控、位置数据收集、X光透射、及与上位机通信功能，还要保证运动的平稳可靠和数据传输的实时性。牙椅控制系统CPU响应外接键盘输入，执行相应的命令，驱动外部的液压传动机构实现牙椅的运动和其他外部设备的工作。由于牙椅控制系统的控制点较多，且集中于器械盘面板和牙椅底座两个地方，因此本文将牙椅控制系统主要分为三大模块：面板控制模块
3、、底座控制模块、供电模块。2.1系统的硬件设计基于芯片性能、功耗、系统需求等多方面的要求，本系统采用S3C44B0X芯片与ATmega16芯片构成双CPU模块进展协同控制。S3C44B0X是Samsung公司消费的16/32位RISC处理器，其总线构造采用三星ARMCPU嵌入式微处理器总线构造。S3C44B0X提供了全面的、通用的片上外设，包括1个LCD控制器、5个PWM通道的定时器和1通道内部定时器、71个通用I/O口和8通道外部中断源、8通道10位的ADC、SPI同步数据通信串行ARM嵌入式牙椅控制系统接口等，具有良好的可扩展性，作为牙椅系统的主处理器。ATmega16是增强的AVRRIS
4、C构造的低功耗8位CMOS微控制器，内部资源丰富，具有32路可编程I/O口、512字节的EEPROM、四通道的PWM输出、8路10位ADC转换通道和3个内部定时器/计数器和SPI同步数据通信串行口，作为牙椅系统的底座模块的核心和控制芯片，控制牙椅的挪动和进展牙椅的位置数据收集。牙椅控制系统的原理构造图如图2所示。底座控制板CPU外接一个32脚踏键盘，CPU接收键盘输入执行相应的命令，并控制底座模块上的各液压传动控制继电器的通断，控制牙椅向上下仰卧四个方向、漱口位置和就诊位置运动。考虑到使用者的平安和牙椅设备的稳定可靠问题，在运动经过中CPU必须对四个方向的限位开关和底座障碍物保护开关的反应信息
5、进展实时监控并做出相应的保护动作。为到达方便使用的目的，面板控制模块同样也要可以控制牙椅的上述运动并实时记忆牙椅的位置，因此系统要实现底座板和面板的实时通信。结合CPU芯片的特点和实际需求两者采用串行外设接口(SPI)进展高速数据同步传输。面板CPU可接收外部扩展键盘的输入来执行响应的命令，并预留了扩展接口。由于外部设备对于CPU来讲都属于强电控制局部，为了使两者之间既保持控制信号联络，又要防止电气干扰，即实行弱电和强电隔离，面板控制模块增加了光电隔离电路。无影灯的亮度数字调节设计采用了PWM方式。S3C44B0X有5个定时器可以提供PWM输出。由于系统使用的无影灯额定功率为50W，额定电压为
6、12V，属于大电流工作，为了保证无影灯的调节精度，在控制电路上采用场效应管IRF540与光电隔离电路配合控制。2.2系统的软件设计考虑到系统将来可扩展图像收集功能和复杂的人机界面等因素，在S3C44B0X上移植了C/OS-II操作系统。C/OS-II是目前流行的免费公开源代码的实时操作系统。它不仅具有构造小巧、可固化、可裁剪、多任务和可剥夺型的实时内核等特点，其实时性、稳定性和可靠性也得到了广泛认可。C/OS-II的最小内核可编译至1.5KB，可广泛应用于从8位到64位单片机的各种不同类型、不同规模的嵌入式系统。在内存使用方面，C/OS-II是可裁剪的实时内核，在应用中需要调度的任务越多，需要
7、的RAM空间越大。以运行20个任务进展估算，C/OS-II内核占用不到2KB的RAM空间，可以使用20个信号量、邮箱等来完成任务间的同步与通信。系统以S3C44B0X的T0定时器作为操作系统的时钟源，中断频率为10ms。系统每隔10ms就调用一下键盘查询程序以实时响应键盘事件，串口和CPU之间的SPI通信采用中断方式接收和发送。任何时候只要没有关中断，中断的执行就高于任何任务以保证通信的实时性。根据控制系统的工作要求，任务可划分为键盘任务，茶杯给水任务，茶杯给水定时设置任务，无影灯任务，LED指示灯任务，报警信息任务和冲洗痰盂任务。因为任务间、任务和中断间的通信都是基于信号量机制集中管理，所以
8、要建立起信号量的保护机制。在起始任务StartTask中，首先建立一系列的信号量和邮箱：然后，用OSTaskCreate()函数建立7个任务。最后，在起始任务中将它本身删除掉。 (1)键盘任务：调用OSSemPend(Sem_Keyboard，0，err)来获得信号量。获得信号量后，任务将调用邮箱发送消息任务OSMboxPost(OS_EVENT*pevent，void*msg)唤醒相应的其它任务。 (2)茶杯给水任务：向茶杯中加水。该任务通过OSMboxPost(Mbox_Cup，Msg_Cup)被唤醒。 (3)茶杯给水定时设置任务：设置茶杯给水定时时间。该任务通过OSMboxPost(Mb
9、ox_CupSetting，Msg_CupSetting)被唤醒。 (4)报警信息任务：牙椅运动到达障碍位置报警等的报警信息，并进展相应的处理。该任务调用OSSemPend(Sem_AlarmTask，0，err)获得信号量。 (5)冲洗痰盂任务：冲洗痰盂。该任务通过OSMboxPost(Mbox_Ty，Msg_Ty被唤醒。 (6)LED灯指示任务：通过动态扫描方式点亮相应的键盘指示灯来指示当前的系统工作状态。该任务通过OSMboxPost(Mbox_LED，Msg_LED)被唤醒。 (7)无影灯任务：开关及连续调节无影灯亮度。该任务通过OSMboxPost(Mbox_Move，Msg_Mov
10、e)被唤醒。在系统中，设置任务1的优先级最高，依次为任务2、任务3至任务6，程序流程如图3所示。在上述任务中，CPU主要是承受键盘的输入以唤醒其它相应任务，另外还有相应的记录位置的任务和与上位机通信的任务，这里不再做详细介绍。3控制系统调试结果长时间口腔诊疗应用调试运行，本牙椅控制系统可以及时响应输入并按要求运动，返回的记忆位置误差控制在1mm内，茶杯水位误差不超过2mm，运行结果说明，控制系统与上位机的通信及两CPU之间通信实时性、可靠性均知足设计要求，且整个系统运行平稳可靠，便于调试和维护，进步了牙椅自动化程度和档次。4结语本文采用嵌入式处理器和实时多任务操作系统增强了系统的功能，进步了系统的可靠性、实时性并使系统具有良好的可扩展性，便于后续扩展图像收集和人机界面功能，为进一步开发高端产品奠定根底。该牙椅控制系统可进步国内牙椅消费设计程度，已在广州某医疗器械厂投入消费，创造了良好的经济和社会效益。