ATMEL AVR單片機SPI大容量Flash Rom擴展的實現(xiàn)

陳宇珂，鄭理華，張興安，袁 凱，竇建洪，覃健全

ATMEL AVR單片機SPI大容量Flash Rom擴展的實現(xiàn)

陳宇珂，鄭理華，張興安，袁 凱，竇建洪，覃健全

目的：通過適合小型嵌入式智能化醫(yī)療設備的大容量Flash Rom擴展，實現(xiàn)運行過程數(shù)據(jù)的實時記錄和漢字點陣庫擴展。方法：利用具備SPI接口的ATmega128單片機和AT45DB161大容量Flash Rom，設計根據(jù)靜脈麻醉目標濃度實時計算給藥注射速率的智能化靜脈麻醉控制系統(tǒng)，完成大容量Flash Rom的硬件擴展和基于C語言的模塊式Flash Rom讀寫程序編寫。結果：利用單片機SPI接口外接大容量存儲芯片，完成了各種實時數(shù)據(jù)的快速可靠傳輸和存儲，同時該系統(tǒng)可實現(xiàn)全中文人機交互界面。結論：Flash Rom擴展系統(tǒng)在大屏幕靜脈麻醉控制系統(tǒng)中的應用表明，整個系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下運行穩(wěn)定，滿足了智能醫(yī)療系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強、體積小、故障率低的要求，具有較好的讀寫性能和實用價值。

靜脈麻醉；目標控制注射；嵌入式系統(tǒng)；藥代動力學

0 引言

隨著單片機微電子生產工藝的進步以及大容量數(shù)據(jù)存儲和網絡連接功能的高度集成，嵌入式系統(tǒng)已經廣泛滲透到移動通信、網絡工程、軍事裝備、醫(yī)療設備以及信息家電等涉及人們日常生活的方方面面。將現(xiàn)有設備通過嵌入式技術升級改造可以使之具備更多的智能化功能[1]。由AT89LV52擴展的AT45DB041B，在海洋表面氣象參數(shù)存儲中保證了大容量數(shù)據(jù)的安全[2]。另外，在便攜式心電儀、血糖儀[3]、胎心監(jiān)測[4]、網絡化平戰(zhàn)心電信息系統(tǒng)[5]、中藥熬藥機[6]等多種醫(yī)療設備中引入微處理器和大容量存儲芯片，特別是基于串行外圍設備接口（serial peripheral interface，SPI）的存儲芯片，可以減小設備體積，提高抗干擾能力和信號檢測靈敏度，有效降低整機功耗。

目前，臨床靜脈麻醉具有方法簡單，不需要大型麻醉機、專用揮發(fā)器，不依靠肺來運送麻醉藥，患者術后惡心、嘔吐發(fā)生率低，麻醉患者血流動力學穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但靜脈麻醉藥物有效安全范圍窄，給藥速率的精確控制對于合理用藥、減少毒副作用、提高用藥的安全性至關重要。為此，基于臨床提高靜脈麻醉控制水平的需求，結合最新嵌入式系統(tǒng)技術，開發(fā)了以ATmega128為控制核心、以臨床藥代動力學研究成果為基礎的智能化三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)。系統(tǒng)通過調節(jié)血漿或效應室目標藥物濃度控制麻醉深度，實現(xiàn)靜脈麻醉科學給藥[7]。

結合三通道靜脈麻醉控制系統(tǒng)的設計要求，為給臨床提供更好的人機交互界面，采用320點陣× 240點陣大屏幕液晶顯示屏。但是在LCD顯示系統(tǒng)中涉及到各種點陣字母、符號、漢字和圖像的顯示，而ATmega128內帶128 KB Flash，系統(tǒng)程序僅可寫入英文字符及少量漢字。由于靜脈麻醉控制系統(tǒng)人機交互界面欲采用全中文，為臨床麻醉醫(yī)師提供更多信息，同時系統(tǒng)運行時各種信息的存儲也需要較大空間，而單片機ATmega128內帶Flash空間無法滿足存儲需要，為此，通過ATmega128的SPI擴展大容量外部Flash Rom——AT45DB161D，解決中文字模庫和實時數(shù)據(jù)存儲容量不足的問題。

1 材料和方法

1．1 ATmega128 AVR單片機的結構特點

美國ATMEL公司推出的ATmega128單片機是一款基于精簡指令集（reduced instruction set computer，RISC）結構的低功耗CMOS 8 bit單片機，通過局部寄存器和單體高速輸入、輸出方案實現(xiàn)在一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令，性能達到了1 Mips/MHz。AVR單片機內核有32個工作寄存器，這些工作寄存器都同算術邏輯單元（arithmetic and logic unit，ALU）直接連接在一起，同時通過豐富的優(yōu)化指令集，允許在一個時鐘周期內執(zhí)行的單條指令同時訪問內核中2個獨立的寄存器，這樣獨特的硬件結構可以有效地提高代碼效率，相比普通復雜指令集（complex instruction set computer，CISC）單片機，可以提高將近10倍的機器性能。ATmega128單片機內部嵌有可串行下載和自我編程的Flash程序存儲器、E2PROM，為系統(tǒng)軟件的不斷升級提供了方便；ATmega128單片機的53個通用I/O口都具有真實的讀、寫和修改功能，各管腳的輸入、輸出方向都可以根據(jù)實際需要獨立地選擇。根據(jù)外部擴展的需要，ATmega128單片機的A、C口既可以作為通用輸入、輸出口，又可以組合起來作為外部存儲器的高8 bit（C口）和低8 bit（A口）地址線，這樣組成的16 bit地址使得可以尋址的片外存儲器達到64 KB。而且AVR單片機具有降低功耗抗干擾的Idle Power-Save和Power-Down等休眠運行模式，為設計高性能、低功耗、小體積的應用系統(tǒng)提供了硬件保證。

同時，ATMEL公司為AVR單片機軟件開發(fā)提供一個免費的匯編級集成環(huán)境AVR STUDIO，在該集成開發(fā)環(huán)境中可實現(xiàn)匯編語言的編輯、純軟件仿真、目標代碼生成等功能。同時該開發(fā)環(huán)境還集成有AVRGCC編譯器，方便程序員運用C語言編程。運用這一開發(fā)軟件，程序員可以隨時進行程序的修改、編譯、仿真、調試。結合ATMEL公司推出的JTAG接口仿真器——JTAG ICE，將JTAG ICE和AVR STUDIO構成集成調試系統(tǒng)，除了實現(xiàn)AVR STUDIO的原有功能外，還可實現(xiàn)對目標硬件系統(tǒng)的片上仿真調試以及對芯片的快速擦寫。因此，由于ATmega128單片機功能可靠、片上資源豐富和開發(fā)環(huán)境友好的優(yōu)點，選擇其作為智能靜脈麻醉控制系統(tǒng)的主控芯片。

1．2 ATmega128串行外圍接口SPI的特點

ATmega128單片機具有豐富的外部接口，其中片內集成有SPI，這種串行外圍接口采用硬件的方式實現(xiàn)了面向字節(jié)的全雙工三線同步通信。根據(jù)SPI相關協(xié)議和標準，ATmega128支持主機、從機2種模式以及2種不同極性的SPI時序，串行數(shù)據(jù)通信速率可以有7種不同的選擇，作為主機方式時的最高速率可為1/2系統(tǒng)時鐘，作為從機方式時最高速率可為1/4系統(tǒng)時鐘。ATmega128的SPI具有相應硬件接口管腳和傳輸完成硬件中斷申請，在進行SPI模塊軟件設計時可以采用高效的中斷、數(shù)據(jù)緩存模式，提高數(shù)據(jù)傳輸、處理效率和準確性。在SPI驅動軟件模塊設計中對SPI初始化時一定要注意正確選擇、設置主機或從機模式，確定工作模式時序極性，設置好數(shù)據(jù)傳輸率；同時注意數(shù)據(jù)傳輸時傳送字節(jié)的順序是低位優(yōu)先（LSB First）還是高位優(yōu)先（MSB First）；硬件初始化時在軟件對硬件接口的設置上，要正確設置MOSI和MISO接口的輸入、輸出方向；同時盡量設置使用芯片內部的輸入引腳上拉電阻，以節(jié)省總線上的上拉電阻[8]。

1．3 AT45DB161D芯片特點

AT45DB系列閃存芯片供電電壓可以為2.5～2.7 V，具有較低功耗，并具備SPI，在數(shù)據(jù)語音、圖像、程序代碼數(shù)據(jù)存儲中得到廣泛應用[9]。AT45DB161D芯片包含有17、301、504個數(shù)據(jù)位，被組織成4096頁，每頁含512B或528B。AT45DB161D芯片中除了包含主存儲器外，還包括2個靜態(tài)隨機存儲器（static random access memory，SRAM）作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這2個緩沖區(qū)每個為512或528 B。這樣主存儲器正在編程讀寫數(shù)據(jù)時，緩沖區(qū)可以同時接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷流式寫入。采用SPI的閃存芯片與并行Flash儲存器不同，不需要大量的外部地址線，減少了外部引腳數(shù)量，同時也提高了整個系統(tǒng)的可靠性，降低了開關噪聲，縮小了整個系統(tǒng)的體積，特別適合醫(yī)療、工業(yè)等需要高密度、低引腳數(shù)、低電壓與低功耗的應用場合。

ATmega128通過AT45DB161D芯片#CS片選接口使能選中相關存儲芯片，然后通過三線接口（SI、SO、SCK）進行高速數(shù)據(jù)通信。芯片的讀寫操作通過單片機中軟件模塊相關讀寫指令完成，一個有效的指令由#CS的下降沿指示開始，緊隨其后的數(shù)據(jù)是一個有意義的8 bit操作碼和緩存區(qū)或主存儲器的地址。當#CS保持低電平時，由時鐘SCK引腳控制數(shù)據(jù)輸入，SI引腳寫入操作碼和緩存區(qū)或主存儲區(qū)地址。在程序編寫中要注意，所有的指令、地址與數(shù)據(jù)在傳輸時都是高位在前。

1．4 硬件設計

ATmega128內部包含SPI電路，直接使用其SPI接口與AT45DB161相應管腳連接，其電路如圖1所示。

圖1AT45DB161外圍電路

1．5 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，AT45DB161操作程序模塊主要包括初始化、SPI的讀寫等。

（1）AT45DB161的初始化程序：

void df_init(void)

{

//MISO設置為輸入，上拉電阻關閉，其他默認為1

DDRB＆=～BIT(FLASH_MISO);

PORTB|=BIT(FLASH_MISO);

PORTB|=BIT(FLASH_SCK)|BIT(FLASH_MOSI)| BIT(FLASH_CS);

//SCK，MOSI和CS端口對應腳設置為輸出

DDRB|=BIT(FLASH_SCK)|BIT(FLASH_MOSI)| BIT(FLASH_CS);

//SPI中斷禁止，SPI使能

SPCR=BIT(SPE)|BIT(MSTR)|BIT(CPHA)|BIT (CPOL);

}

（2）AT45DB161的字節(jié)輸出子程序：

//從SPI輸出一字節(jié)數(shù)據(jù)

static INT8U spi_write(INT8U data)

{

SPDR=data;

while(!(SPSR＆BIT(SPIF)));

return SPDR;

}

（3）檢測并等待器件忙狀態(tài)子程序：

static void df_wait_busy(void)

{

SEL_FLASH=0;

spi_write(STATUS_REGISTER);

while(1)

{

if(spi_write(0)＆0x80)//讀取的最高位0時器件忙

break;

}

SEL_FLASH=1;

}

2 實驗結果與分析

根據(jù)AT45DB161數(shù)據(jù)手冊，其操作指令分為三大類：一是從主存儲器和緩存讀取數(shù)據(jù)；二是向主存儲器和緩存寫入數(shù)據(jù)；三是主存儲器和緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸和比較。根據(jù)實際編程和應用發(fā)現(xiàn)需要注意以下2點：

（1）ATmega128在通過SI、SO引腳與AT45DB161通信期間，必須保持#CS片選信號為低電平，但涉及到芯片內部主存與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸和比較、頁的擦除和塊擦除等操作時，則是在芯片內部自帶時序電路控制下自動完成，不需要單片機額外控制。同時考慮到由于這些相關操作需要相對較長的時間，在程序設計時有必要加入一定的延時，以防止數(shù)據(jù)丟失。

（2）ATmega128單片機可直接從AT45DB161主存頁面的某個存儲單元讀取數(shù)據(jù)，但是不能夠直接向某個存儲單元寫入數(shù)據(jù)。這個時候如果需要向主存儲器寫入數(shù)據(jù)可以采取以下方法：①先將數(shù)據(jù)寫入緩存，然后采用芯片自帶擦除方式將緩存中的數(shù)據(jù)寫入主存儲器；②直接通過緩存將數(shù)據(jù)寫入主存儲器。

3 應用效果

利用ATmega128單片機SPI接口擴展外部存儲器2 MB AT45DB161后，智能化三通道靜脈麻醉輸注系統(tǒng)所采用的圖形液晶顯示器可以展示出豐富的內容。首先根據(jù)系統(tǒng)運行中需要用到的漢字、數(shù)字、字母和圖形，設定其點陣數(shù)目為16×16、24×24、48× 48，通過取模工具取出相應點陣的數(shù)據(jù)，在確定片外存儲器存儲起始地址后，按順序分組通過寫入子程序將字模庫存入AT45DB161對應存儲空間。程序在需要顯示這些漢字、數(shù)字和圖形信息時，直接通過讀取子程序從對應存儲位置調用字模數(shù)據(jù)，放入液晶控制器的顯示內存中，隨即在LCD上顯示出來。LCD顯示的內容有注射藥物名、注射時間、注射劑量、清醒時間、目標藥物濃度設定值、血漿藥物濃度計算值、效應室藥物濃度計算值，在系統(tǒng)探測到各種報警信息時顯示報警內容和處理方法。

4 結語

針對智能醫(yī)療系統(tǒng)要求可靠性高、抗干擾能力強、體積小、故障率低、人機界面友好、便于調試的特點，本文基于國人靜脈麻醉藥代動力學模型，通過

（????）（????）ATmega128的SPI接口擴展大容量外部FlashRom——AT45DB161D，解決中文字模庫存儲容量不足的問題，并成功實現(xiàn)了根據(jù)靜脈麻醉目標濃度實時計算給藥注射速率的智能化靜脈麻醉控制系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)在復雜電磁環(huán)境下運行穩(wěn)定，具有較好的讀寫性能和實用價值。

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（收稿：2014-05-15 修回：2014-08-20）

Realization of high-capacity Flash Rom extension for ATMEL AVR MICU SPI

CHEN Yu-ke1,ZHENG Li-hua1,ZHANG Xing-an1,YUAN Kai2,DOU Jian-hong1,QIN Jian-quan3
（1.General Hospital of Guangzhou Military Area Command,Guangzhou 510010,China; 2.Guangzhou Infumedi Medical Instrument Co.,LTD.,Guangzhou 510643,China; 3.Shenzhen Sino Mdt Medical Instrument Co.,LTD.,Shenzhen 518053,Guangdong Province,China）

ObjectiveTo realize real-time recording and running operational process data and extension of Chinese character library by high-capacity Flash Rom extension fit for miniature embedded intelligent medical equipment. MethodsATmega128 MICU with SPI interface and AT45DB161 high-capacity Flash Rom were used to develop an intelligent control system for intravenous anesthesia,which could regulate administration velocity based on target concentration.Hardware extension was completed for high-capacity Flash Rom,and modular Flash Rom R/W program was developed based on C language.ResultsMICU SPI interface with external high-capacity memory chip made the system implement rapid transmission and storage of real-time data as well as man-machine interaction in Chinese. ConclusionLarge-screen intravenous anesthesia control system involving Flash Rom extension system runs stably in complex electromagnetic environment,with high reliability,high anti-interference ability,low failure rate,high R/W performance and practical values.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：19-21，68]

intravenous anesthesia;target-controlled infusion;embedded system;pharmacokinetics

R318；R197.39；TP311.13

A

1003-8868（2015）04-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.019

廣東省科技計劃項目（2012A032200023）；廣州經濟技術開發(fā)區(qū)科技項目（2010Q-P306）

陳宇珂（1971—），男，博士，副主任，主要從事嵌入式設備在醫(yī)療儀器中的應用方面的研究工作，E-mail：yukechen@qq.com。

510010廣州，廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院（陳宇珂，鄭理華，張興安，竇建洪）；510643廣州，廣州市億福迪醫(yī)療器械有限公司（袁 凱）；518053廣東深圳，深圳圣諾醫(yī)療設備有限公司（覃健全）