陳宇珂，鄭理華，張興安，袁 凱，竇建洪，覃健全

ATMEL AVR單片機(jī)SPI大容量Flash Rom擴(kuò)展的實(shí)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(shè)備的大容量Flash Rom擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄和漢字點(diǎn)陣庫(kù)擴(kuò)展。方法：利用具備SPI接口的ATmega128單片機(jī)和AT45DB161大容量Flash Rom，設(shè)計(jì)根據(jù)靜脈麻醉目標(biāo)濃度實(shí)時(shí)計(jì)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(kuò)展和基于C語(yǔ)言的模塊式Flash Rom讀寫程序編寫。結(jié)果：利用單片機(jī)SPI接口外接大容量存儲(chǔ)芯片，完成了各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的快速可靠傳輸和存儲(chǔ)，同時(shí)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全中文人機(jī)交互界面。結(jié)論：Flash Rom擴(kuò)展系統(tǒng)在大屏幕靜脈麻醉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用表明，整個(gè)系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下運(yùn)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(qiáng)、體積小、故障率低的要求，具有較好的讀寫性能和實(shí)用價(jià)值。

靜脈麻醉；目標(biāo)控制注射；嵌入式系統(tǒng)；藥代動(dòng)力學(xué)

0 引言

隨著單片機(jī)微電子生產(chǎn)工藝的進(jìn)步以及大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)連接功能的高度集成，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)工程、軍事裝備、醫(yī)療設(shè)備以及信息家電等涉及人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗F(xiàn)有設(shè)備通過嵌入式技術(shù)升級(jí)改造可以使之具備更多的智能化功能[1]。由AT89LV52擴(kuò)展的AT45DB041B，在海洋表面氣象參數(shù)存儲(chǔ)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(cè)[4]、網(wǎng)絡(luò)化平戰(zhàn)心電信息系統(tǒng)[5]、中藥熬藥機(jī)[6]等多種醫(yī)療設(shè)備中引入微處理器和大容量存儲(chǔ)芯片，特別是基于串行外圍設(shè)備接口（serial peripheral interface，SPI）的存儲(chǔ)芯片，可以減小設(shè)備體積，提高抗干擾能力和信號(hào)檢測(cè)靈敏度，有效降低整機(jī)功耗。

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

結(jié)合三通道靜脈麻醉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為給臨床提供更好的人機(jī)交互界面，采用320點(diǎn)陣× 240點(diǎn)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(diǎn)陣字母、符號(hào)、漢字和圖像的顯示，而ATmega128內(nèi)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(jī)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(shí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各種信息的存儲(chǔ)也需要較大空間，而單片機(jī)ATmega128內(nèi)帶Flash空間無(wú)法滿足存儲(chǔ)需要，為此，通過ATmega128的SPI擴(kuò)展大容量外部Flash Rom——AT45DB161D，解決中文字模庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量不足的問題。

1 材料和方法

1．1 ATmega128 AVR單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

美國(guó)ATMEL公司推出的ATmega128單片機(jī)是一款基于精簡(jiǎn)指令集（reduced instruction set computer，RISC）結(jié)構(gòu)的低功耗CMOS 8 bit單片機(jī)，通過局部寄存器和單體高速輸入、輸出方案實(shí)現(xiàn)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，性能達(dá)到了1 Mips/MHz。AVR單片機(jī)內(nèi)核有32個(gè)工作寄存器，這些工作寄存器都同算術(shù)邏輯單元（arithmetic and logic unit，ALU）直接連接在一起，同時(shí)通過豐富的優(yōu)化指令集，允許在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的單條指令同時(shí)訪問內(nèi)核中2個(gè)獨(dú)立的寄存器，這樣獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)可以有效地提高代碼效率，相比普通復(fù)雜指令集（complex instruction set computer，CISC）單片機(jī)，可以提高將近10倍的機(jī)器性能。ATmega128單片機(jī)內(nèi)部嵌有可串行下載和自我編程的Flash程序存儲(chǔ)器、E2PROM，為系統(tǒng)軟件的不斷升級(jí)提供了方便；ATmega128單片機(jī)的53個(gè)通用I/O口都具有真實(shí)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(shí)際需要獨(dú)立地選擇。根據(jù)外部擴(kuò)展的需要，ATmega128單片機(jī)的A、C口既可以作為通用輸入、輸出口，又可以組合起來(lái)作為外部存儲(chǔ)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(chǔ)器達(dá)到64 KB。而且AVR單片機(jī)具有降低功耗抗干擾的Idle Power-Save和Power-Down等休眠運(yùn)行模式，為設(shè)計(jì)高性能、低功耗、小體積的應(yīng)用系統(tǒng)提供了硬件保證。

同時(shí)，ATMEL公司為AVR單片機(jī)軟件開發(fā)提供一個(gè)免費(fèi)的匯編級(jí)集成環(huán)境AVR STUDIO，在該集成開發(fā)環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言的編輯、純軟件仿真、目標(biāo)代碼生成等功能。同時(shí)該開發(fā)環(huán)境還集成有AVRGCC編譯器，方便程序員運(yùn)用C語(yǔ)言編程。運(yùn)用這一開發(fā)軟件，程序員可以隨時(shí)進(jìn)行程序的修改、編譯、仿真、調(diào)試。結(jié)合ATMEL公司推出的JTAG接口仿真器——JTAG ICE，將JTAG ICE和AVR STUDIO構(gòu)成集成調(diào)試系統(tǒng)，除了實(shí)現(xiàn)AVR STUDIO的原有功能外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)硬件系統(tǒng)的片上仿真調(diào)試以及對(duì)芯片的快速擦寫。因此，由于ATmega128單片機(jī)功能可靠、片上資源豐富和開發(fā)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)

ATmega128單片機(jī)具有豐富的外部接口，其中片內(nèi)集成有SPI，這種串行外圍接口采用硬件的方式實(shí)現(xiàn)了面向字節(jié)的全雙工三線同步通信。根據(jù)SPI相關(guān)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，ATmega128支持主機(jī)、從機(jī)2種模式以及2種不同極性的SPI時(shí)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(jī)方式時(shí)的最高速率可為1/2系統(tǒng)時(shí)鐘，作為從機(jī)方式時(shí)最高速率可為1/4系統(tǒng)時(shí)鐘。ATmega128的SPI具有相應(yīng)硬件接口管腳和傳輸完成硬件中斷申請(qǐng)，在進(jìn)行SPI模塊軟件設(shè)計(jì)時(shí)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(zhǔn)確性。在SPI驅(qū)動(dòng)軟件模塊設(shè)計(jì)中對(duì)SPI初始化時(shí)一定要注意正確選擇、設(shè)置主機(jī)或從機(jī)模式，確定工作模式時(shí)序極性，設(shè)置好數(shù)據(jù)傳輸率；同時(shí)注意數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(shí)在軟件對(duì)硬件接口的設(shè)置上，要正確設(shè)置MOSI和MISO接口的輸入、輸出方向；同時(shí)盡量設(shè)置使用芯片內(nèi)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(diǎn)

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(yǔ)音、圖像、程序代碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中得到廣泛應(yīng)用[9]。AT45DB161D芯片包含有17、301、504個(gè)數(shù)據(jù)位，被組織成4096頁(yè)，每頁(yè)含512B或528B。AT45DB161D芯片中除了包含主存儲(chǔ)器外，還包括2個(gè)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（static random access memory，SRAM）作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這2個(gè)緩沖區(qū)每個(gè)為512或528 B。這樣主存儲(chǔ)器正在編程讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，緩沖區(qū)可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)，實(shí)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(chǔ)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(shí)也提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，降低了開關(guān)噪聲，縮小了整個(gè)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(yīng)用場(chǎng)合。

ATmega128通過AT45DB161D芯片#CS片選接口使能選中相關(guān)存儲(chǔ)芯片，然后通過三線接口（SI、SO、SCK）進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。芯片的讀寫操作通過單片機(jī)中軟件模塊相關(guān)讀寫指令完成，一個(gè)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(gè)有意義的8 bit操作碼和緩存區(qū)或主存儲(chǔ)器的地址。當(dāng)#CS保持低電平時(shí)，由時(shí)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(chǔ)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(shí)都是高位在前。

1．4 硬件設(shè)計(jì)

ATmega128內(nèi)部包含SPI電路，直接使用其SPI接口與AT45DB161相應(yīng)管腳連接，其電路如圖1所示。

圖1AT45DB161外圍電路

1．5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)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(shè)置為輸入，上拉電阻關(guān)閉，其他默認(rèn)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(duì)應(yīng)腳設(shè)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(cè)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(shí)器件忙

break;

}

SEL_FLASH=1;

}

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

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

（1）ATmega128在通過SI、SO引腳與AT45DB161通信期間，必須保持#CS片選信號(hào)為低電平，但涉及到芯片內(nèi)部主存與緩存之間的數(shù)據(jù)傳輸和比較、頁(yè)的擦除和塊擦除等操作時(shí)，則是在芯片內(nèi)部自帶時(shí)序電路控制下自動(dòng)完成，不需要單片機(jī)額外控制。同時(shí)考慮到由于這些相關(guān)操作需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，在程序設(shè)計(jì)時(shí)有必要加入一定的延時(shí)，以防止數(shù)據(jù)丟失。

（2）ATmega128單片機(jī)可直接從AT45DB161主存頁(yè)面的某個(gè)存儲(chǔ)單元讀取數(shù)據(jù)，但是不能夠直接向某個(gè)存儲(chǔ)單元寫入數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候如果需要向主存儲(chǔ)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(chǔ)器；②直接通過緩存將數(shù)據(jù)寫入主存儲(chǔ)器。

3 應(yīng)用效果

利用ATmega128單片機(jī)SPI接口擴(kuò)展外部存儲(chǔ)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(nèi)容。首先根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中需要用到的漢字、數(shù)字、字母和圖形，設(shè)定其點(diǎn)陣數(shù)目為16×16、24×24、48× 48，通過取模工具取出相應(yīng)點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)，在確定片外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)起始地址后，按順序分組通過寫入子程序?qū)⒆帜?kù)存入AT45DB161對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)空間。程序在需要顯示這些漢字、數(shù)字和圖形信息時(shí)，直接通過讀取子程序從對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)位置調(diào)用字模數(shù)據(jù)，放入液晶控制器的顯示內(nèi)存中，隨即在LCD上顯示出來(lái)。LCD顯示的內(nèi)容有注射藥物名、注射時(shí)間、注射劑量、清醒時(shí)間、目標(biāo)藥物濃度設(shè)定值、血漿藥物濃度計(jì)算值、效應(yīng)室藥物濃度計(jì)算值，在系統(tǒng)探測(cè)到各種報(bào)警信息時(shí)顯示報(bào)警內(nèi)容和處理方法。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)智能醫(yī)療系統(tǒng)要求可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、故障率低、人機(jī)界面友好、便于調(diào)試的特點(diǎn)，本文基于國(guó)人靜脈麻醉藥代動(dòng)力學(xué)模型，通過

（????）（????）ATmega128的SPI接口擴(kuò)展大容量外部FlashRom——AT45DB161D，解決中文字模庫(kù)存儲(chǔ)容量不足的問題，并成功實(shí)現(xiàn)了根據(jù)靜脈麻醉目標(biāo)濃度實(shí)時(shí)計(jì)算給藥注射速率的智能化靜脈麻醉控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的讀寫性能和實(shí)用價(jià)值。

[1] 樓智翔，沈浩，孫杰.基于ARM的振動(dòng)及溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（4）：41-44.

[2] 張光宇，吳敏波，劉劍豪.基于AT45DB041B存儲(chǔ)器的手持?jǐn)?shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化縱橫，2009（17）：8-11.

[3] 潘佚，邱蕾.國(guó)產(chǎn)便攜式血糖儀功能改進(jìn)及低功耗設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代儀器與醫(yī)療，2013，19（1）：38-40.

[4] 孟倩，鄭利星，郭紅蕊，等.胎心聲音存儲(chǔ)回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床，2013，17（2）：184-186.

[5] 吳北江，王洋，孫文橋，等.網(wǎng)絡(luò)化平戰(zhàn)兩用數(shù)字心電信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（6）：48-50.

[6] 向逾，張瀟瀟，朱彬，等.基于AVR單片機(jī)的家用中藥熬藥機(jī)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（1）：22-24.

[7] 侯芝綺，張興安.異丙酚藥動(dòng)學(xué)與其靶控輸注系統(tǒng)的準(zhǔn)確性評(píng)估[J].中國(guó)藥房，2011，22（10）：924-927.

[8] 耿德根，宋建國(guó)，馬潮，等.AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[9] 翟瑞永，張文棟，周兆英，等.SPI串行Data Flash在MEMS姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（8）：37-39.

（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(jì)劃項(xiàng)目（2012A032200023）；廣州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)科技項(xiàng)目（2010Q-P306）

陳宇珂（1971—），男，博士，副主任，主要從事嵌入式設(shè)備在醫(yī)療儀器中的應(yīng)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(shè)備有限公司（覃健全）