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【摘要】本文针对超声波的成像特点，以便携性、低成本、数字化和网络化为原则，进行便携式超声容积测量仪外围电路设计。设备通过键盘系统、打印机接口、LCD显示器接口、USB接口、Memory接口、网络接口等连接相关外围设备，使设备既能单独运行，也能连接PC平台进行功能的扩展和完善，给用户提供了良好的人机交互环境。
【关键词】超声容积测量外围设备
在临床上，多个器官的容积量能直接反映相关脏器的病理情况。比如腹腔腹水量、母体羊水量、膀胱尿量的多少均能反映人体不同的健康情况。对于腹水患者来说，腹腔内腹水的多少与心血管病、肝脏病、腹膜病、肾脏病有着密切的关系；对于妊娠期的妇女来说，羊水的多少和清浊直接关系到孕期妇女的身体健康和体内胎儿的生长情况；对于泌尿系统来说，膀胱内残余尿量和充盈尿量的多少是诊断泌尿系统疾病的重要依据。在众多的影像学检查中，超声检查因其无创性、检查方便、价格低廉、报告快捷、测量准确等优点被广泛应用于对人体内部脏器形态和容积的检测。
“便携式、低成本、数字化、网络化”是本项目需要重点考虑的问题，因此，设计的设备体积要求尽可能小，重量尽可能轻，移动性尽可能好，设备成本尽可能低，功能尽可能完善，能够独立、自动的完成对患者的相关脏器检测并对检测数据进行存储、管理、查询、统计、传输等。本着便携性、低成本、操作简单、系统稳定的原则，综合考虑设备的散热，电磁兼容性，抗干扰性。良好的人机交互体验是作为移动性能优越的便携式设备所必需的[1]。为保证设备的便携性，本设计具体的外围电路主要包括键盘系统设计、打印机接口设计、LCD显示接口设计、USB接口设计、Memory接口设计、电池系统设计、网络接口电路设计。
1、键盘系统设计
由于系统设计要考虑成本的控制和操作的稳定性，设备没有采用触摸屏的设计方案。所以在设计中我们还是选择了物理按键的使用。在键盘系统设计中，根据系统操作的需要，尽可能的简化操作过程，以达到非专业人士也能操作系统，我们只设计了8个按键，包括POWER（电源键），SCAN（扫描键），PRINT（打印键），MENU/OK（菜单/确定键），UP（向上键），DOWN（向下键），LEFT（向左键），RIGHT（向右键）。除POWER键外，其他7个按键直接连接在CPU的GPIO端口，通过控制系统扫描端口电平的高低来检测按键的状态，电路非常简单。
2、打印机接口设计
为了便携性的需要，本设备中的打印机采用微型热敏打印机[2]。打印模块选用MAX3232收发器芯片作为系统RS-232的收发器，供电电压3.0V至5.5V，通过扩展RS-232串口实现打印机的连接。该芯片功耗低、传输速率快，采用TSSOP封装，体积小[3]。MAX3232的TTL/CMOS与ARM的UART I/O接口对接。
3、LCD显示接口设计
在键盘设计中已经提到，本设备没有采用现目前较流行的触摸屏的原因。本设计的中使用了常规的LCD液晶显示器，显示器的分辨率为640像素×480像素[4]。通过相应的驱动器和控制器使显示器显示出图形图像。通过前面对微控制芯片S3C2440的参数分析得知，芯片内集成有LCD控制器，通过LCD控制器产生的LCD驱动器所需信号来控制液晶显示屏。
本设计中，LCD显示器采用SHARP8’TFT彩色显示屏，显示屏的分辨率为640像素×480像素。该显示屏需外接DC-AC逆变器以驱动LCD背光显示。
4、USB2.0接口设计
USB（Universal Serial Bus）：通用串行总线的缩写[5]。从20世纪90年代初发布到现在USB经历了USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0等版本。现目前大部分设备的USB接口还是使用USB2.0版本，USB2.0接口向下兼容USB1.X。USB2.0接口具有支持数据传输模式的多样性，具有错误监测修复机制、容错性优越，支持设备的热插，具有最高480Mb/s的传输速度。能够为外设提供电源且易于扩展，能动态分配带宽，具有体积小、高性价比、方便易用等特点，现今已成为计算机和嵌入式系统的必备接口。各种便携式设备常见的USB接口开发技术有两种：一是基于单片机的，这种接口电路设计复杂，需要外置芯片，会占用大量的CPU资源；二是基于ARM的，这种接口资源丰富，只要选型恰当，就不需要外置芯片，还能很好的发挥CPU的性能。
本次设计正是基于ARM的USB2.0接口，并且采用三星公S3C2440作为系统的微控制器，该芯片内部集成了USB接口的所有控制部件并支持USB2.0协议。在众多USB控制芯片中，根据低成本、开发难度低、维护简单等因素选择了Cypress公司的CY7C68013A芯片，56脚SSOP封装。
5、Memory接口设计
由于本设计系统结构复杂，存储数据量大，所以该存储系统选择了一个包含了SDRAM（HY57V561620）、NandFlash（K9F1208）和NorFlash（Am29LV160DB）的方案。
s3c2440微控制器芯片把存储系统分成8个Bank，Bank0至Bank5用于连接ROM或SRAM（如NorFlash，图中用SROM标识），Bank6、Bank7用来连接SDRAM，并且规定第7个Bank地址作为SDRAM的起始地址。nGCS0x引脚便是存储芯片的起始地址，由此看出SDRAM连接到了Bank6，NorFlash与第0个Bank相连[6]。
今后如要在设备中添加新的的存储芯片以扩展设备的存储容量，我们可以采取以下方式。如果添加的是SRAM芯片或ROM芯片，则将ARM的地址线对应芯片的地址线连接，然后在nGCS0[0]～nGCS[5]这6根引脚中选一个未使用的Bank连接到新添加的芯片上便可。例如外接ROM芯片，通过片选信号nGCS1实现了外接8位的ROM，实现了存储能力的扩展。 6、电池系统设计
便携性是本设计最大的特点，在追求设备便携性的同时还要确保设备的可靠性，电池系统尤为重要，坚决不能出现野外救助时电池突然断电给急救带来的影响。在众多的电池中，锂离子电池由于其体积小、重量轻、容量高、性能稳定、充放电的次数多、对环境温度要求低等优点被广泛的应用于笔记本电脑、平板电脑、MP3、手机等产品中，这类电子产品不断的升级换代，锂电池也具有了比较成熟的开发技术。所以，本设计中的电池组也选用了锂离子电池。外出就诊时可以直接使用锂电池，在电池电量不足或户内使用时，可以通过电源线进行供电，锂电池的充电也由外接电源完成。又由于一般情况下外接电源要使用电源适配器而锂电池充电要使用电池充电器，一个设备配两根电源线既产生了浪费，更降低了设备的便携性。为了实现只用一根电源适配器线就实现对设备供电和对电池充电的这样两个功能，提高设备的便携性，设计中选择了MAX1873芯片对电路进行了优化。
充电控制电路原理图如1所示。输入的电压经隔离二极管D1经D2向系统电路供电，通过U2、L1、R2对锂电池进行充电。当R2上的电流达到充电电流的临界点或电流值为0时，U1从EXT中输出低电平信号，使U2关闭，充电截止。
电源适配器供电和锂电池供电的电压经过AD转换后的值不一样，通过控制程序很容易判断出是谁在供电。在电源适配器供电突然中断后，要求设备能及时自动切换为锂电池供电，同时，在锂电池电量不足时及时切换到适配器供电。在供电方式切换中D1正偏、D2反偏时由电源适配器供电；电源适配器断电后D1反偏，D2正偏自动切换到电池供电。
7、网络接口电路设计
随着网络技术的发展和网络成本的降低，网络已经渗透进了各行各业，走进了千家万户。网络化正是本次设计的重点。在以前的超声容积测量仪产品中，几乎没有考虑过网络接口的设计，检测数据只能通过USB接口连接连接在互联网中的PC机进行传输或者远程会诊，如果没有PC机数据就只能存储在测量仪中，这大大降低了仪器的使用面。
通过网络接口电路的设计，实现设备与网络的互联。在医院，通过网络可以进行远程会诊，建立专家系统，乡镇卫生院可以直接请求上级医院的远程检测和在线指导。在家庭，随着测量仪的便携化和低成本，慢性病患者可以通过连接在网络中的检测仪进行病情的监控，主治医生可以通过网络及时获取病人的最新检测数据，分析后及时给与患者提供治疗方法或建议，减少患者频繁去医院的烦恼。在野外进行临时急救时，仪器也能够通过网络快速将检测数据上传给专家或医院进行数据分析。
根据微控制器S3C2440的特点，结合成本的控制和体积的控制，最终网络接口芯片选择了DM9000AEP，这款芯片最大的特点也是设计中最需要的特点就是低成本、支持超低功耗模式并集成10M/100M自适应收发器。
本文介绍了便携式超声容积测量仪外围电路设计，详细阐述了外围电路中的键盘系统设计，打印机接口设计，LCD显示接口设计，USB接口设计，Memory接口设计、电池系统设计和网络接口电路设计，结合其他硬件系统设计，形成一套完整的便携式超声容积测量仪硬件系统。
参考文献
[1]叶任高.内科学[M].第五版.人民卫生出版社，2002.03.3
[2]刘超.超声层次成像的理论与实现[D].浙江：浙江大学，2003.7
[3]王文博.关于医学超声成像机理的研究[D].山东：青岛大学，2006.12
[4]李鹏.医学超声成像中若干新技术的研究与实现[D].浙江：浙江大学，2009.22-30
[5]黄伟华.B型超声诊断仪设计及编码激励方法研究[D].浙江：浙江大学，2008.5
[6]高小明.基于ARM9的超声容积仪的研究与设计[D].四川：西南科技大学，2009.3
【关键词】超声容积测量外围设备
在临床上，多个器官的容积量能直接反映相关脏器的病理情况。比如腹腔腹水量、母体羊水量、膀胱尿量的多少均能反映人体不同的健康情况。对于腹水患者来说，腹腔内腹水的多少与心血管病、肝脏病、腹膜病、肾脏病有着密切的关系；对于妊娠期的妇女来说，羊水的多少和清浊直接关系到孕期妇女的身体健康和体内胎儿的生长情况；对于泌尿系统来说，膀胱内残余尿量和充盈尿量的多少是诊断泌尿系统疾病的重要依据。在众多的影像学检查中，超声检查因其无创性、检查方便、价格低廉、报告快捷、测量准确等优点被广泛应用于对人体内部脏器形态和容积的检测。
“便携式、低成本、数字化、网络化”是本项目需要重点考虑的问题，因此，设计的设备体积要求尽可能小，重量尽可能轻，移动性尽可能好，设备成本尽可能低，功能尽可能完善，能够独立、自动的完成对患者的相关脏器检测并对检测数据进行存储、管理、查询、统计、传输等。本着便携性、低成本、操作简单、系统稳定的原则，综合考虑设备的散热，电磁兼容性，抗干扰性。良好的人机交互体验是作为移动性能优越的便携式设备所必需的[1]。为保证设备的便携性，本设计具体的外围电路主要包括键盘系统设计、打印机接口设计、LCD显示接口设计、USB接口设计、Memory接口设计、电池系统设计、网络接口电路设计。
1、键盘系统设计
由于系统设计要考虑成本的控制和操作的稳定性，设备没有采用触摸屏的设计方案。所以在设计中我们还是选择了物理按键的使用。在键盘系统设计中，根据系统操作的需要，尽可能的简化操作过程，以达到非专业人士也能操作系统，我们只设计了8个按键，包括POWER（电源键），SCAN（扫描键），PRINT（打印键），MENU/OK（菜单/确定键），UP（向上键），DOWN（向下键），LEFT（向左键），RIGHT（向右键）。除POWER键外，其他7个按键直接连接在CPU的GPIO端口，通过控制系统扫描端口电平的高低来检测按键的状态，电路非常简单。
2、打印机接口设计
为了便携性的需要，本设备中的打印机采用微型热敏打印机[2]。打印模块选用MAX3232收发器芯片作为系统RS-232的收发器，供电电压3.0V至5.5V，通过扩展RS-232串口实现打印机的连接。该芯片功耗低、传输速率快，采用TSSOP封装，体积小[3]。MAX3232的TTL/CMOS与ARM的UART I/O接口对接。
3、LCD显示接口设计
在键盘设计中已经提到，本设备没有采用现目前较流行的触摸屏的原因。本设计的中使用了常规的LCD液晶显示器，显示器的分辨率为640像素×480像素[4]。通过相应的驱动器和控制器使显示器显示出图形图像。通过前面对微控制芯片S3C2440的参数分析得知，芯片内集成有LCD控制器，通过LCD控制器产生的LCD驱动器所需信号来控制液晶显示屏。
本设计中，LCD显示器采用SHARP8’TFT彩色显示屏，显示屏的分辨率为640像素×480像素。该显示屏需外接DC-AC逆变器以驱动LCD背光显示。
4、USB2.0接口设计
USB（Universal Serial Bus）：通用串行总线的缩写[5]。从20世纪90年代初发布到现在USB经历了USB1.0、USB1.1、USB2.0、USB3.0等版本。现目前大部分设备的USB接口还是使用USB2.0版本，USB2.0接口向下兼容USB1.X。USB2.0接口具有支持数据传输模式的多样性，具有错误监测修复机制、容错性优越，支持设备的热插，具有最高480Mb/s的传输速度。能够为外设提供电源且易于扩展，能动态分配带宽，具有体积小、高性价比、方便易用等特点，现今已成为计算机和嵌入式系统的必备接口。各种便携式设备常见的USB接口开发技术有两种：一是基于单片机的，这种接口电路设计复杂，需要外置芯片，会占用大量的CPU资源；二是基于ARM的，这种接口资源丰富，只要选型恰当，就不需要外置芯片，还能很好的发挥CPU的性能。
本次设计正是基于ARM的USB2.0接口，并且采用三星公S3C2440作为系统的微控制器，该芯片内部集成了USB接口的所有控制部件并支持USB2.0协议。在众多USB控制芯片中，根据低成本、开发难度低、维护简单等因素选择了Cypress公司的CY7C68013A芯片，56脚SSOP封装。
5、Memory接口设计
由于本设计系统结构复杂，存储数据量大，所以该存储系统选择了一个包含了SDRAM（HY57V561620）、NandFlash（K9F1208）和NorFlash（Am29LV160DB）的方案。
s3c2440微控制器芯片把存储系统分成8个Bank，Bank0至Bank5用于连接ROM或SRAM（如NorFlash，图中用SROM标识），Bank6、Bank7用来连接SDRAM，并且规定第7个Bank地址作为SDRAM的起始地址。nGCS0x引脚便是存储芯片的起始地址，由此看出SDRAM连接到了Bank6，NorFlash与第0个Bank相连[6]。
今后如要在设备中添加新的的存储芯片以扩展设备的存储容量，我们可以采取以下方式。如果添加的是SRAM芯片或ROM芯片，则将ARM的地址线对应芯片的地址线连接，然后在nGCS0[0]～nGCS[5]这6根引脚中选一个未使用的Bank连接到新添加的芯片上便可。例如外接ROM芯片，通过片选信号nGCS1实现了外接8位的ROM，实现了存储能力的扩展。 6、电池系统设计
便携性是本设计最大的特点，在追求设备便携性的同时还要确保设备的可靠性，电池系统尤为重要，坚决不能出现野外救助时电池突然断电给急救带来的影响。在众多的电池中，锂离子电池由于其体积小、重量轻、容量高、性能稳定、充放电的次数多、对环境温度要求低等优点被广泛的应用于笔记本电脑、平板电脑、MP3、手机等产品中，这类电子产品不断的升级换代，锂电池也具有了比较成熟的开发技术。所以，本设计中的电池组也选用了锂离子电池。外出就诊时可以直接使用锂电池，在电池电量不足或户内使用时，可以通过电源线进行供电，锂电池的充电也由外接电源完成。又由于一般情况下外接电源要使用电源适配器而锂电池充电要使用电池充电器，一个设备配两根电源线既产生了浪费，更降低了设备的便携性。为了实现只用一根电源适配器线就实现对设备供电和对电池充电的这样两个功能，提高设备的便携性，设计中选择了MAX1873芯片对电路进行了优化。
充电控制电路原理图如1所示。输入的电压经隔离二极管D1经D2向系统电路供电，通过U2、L1、R2对锂电池进行充电。当R2上的电流达到充电电流的临界点或电流值为0时，U1从EXT中输出低电平信号，使U2关闭，充电截止。
电源适配器供电和锂电池供电的电压经过AD转换后的值不一样，通过控制程序很容易判断出是谁在供电。在电源适配器供电突然中断后，要求设备能及时自动切换为锂电池供电，同时，在锂电池电量不足时及时切换到适配器供电。在供电方式切换中D1正偏、D2反偏时由电源适配器供电；电源适配器断电后D1反偏，D2正偏自动切换到电池供电。
7、网络接口电路设计
随着网络技术的发展和网络成本的降低，网络已经渗透进了各行各业，走进了千家万户。网络化正是本次设计的重点。在以前的超声容积测量仪产品中，几乎没有考虑过网络接口的设计，检测数据只能通过USB接口连接连接在互联网中的PC机进行传输或者远程会诊，如果没有PC机数据就只能存储在测量仪中，这大大降低了仪器的使用面。
通过网络接口电路的设计，实现设备与网络的互联。在医院，通过网络可以进行远程会诊，建立专家系统，乡镇卫生院可以直接请求上级医院的远程检测和在线指导。在家庭，随着测量仪的便携化和低成本，慢性病患者可以通过连接在网络中的检测仪进行病情的监控，主治医生可以通过网络及时获取病人的最新检测数据，分析后及时给与患者提供治疗方法或建议，减少患者频繁去医院的烦恼。在野外进行临时急救时，仪器也能够通过网络快速将检测数据上传给专家或医院进行数据分析。
根据微控制器S3C2440的特点，结合成本的控制和体积的控制，最终网络接口芯片选择了DM9000AEP，这款芯片最大的特点也是设计中最需要的特点就是低成本、支持超低功耗模式并集成10M/100M自适应收发器。
本文介绍了便携式超声容积测量仪外围电路设计，详细阐述了外围电路中的键盘系统设计，打印机接口设计，LCD显示接口设计，USB接口设计，Memory接口设计、电池系统设计和网络接口电路设计，结合其他硬件系统设计，形成一套完整的便携式超声容积测量仪硬件系统。
参考文献
[1]叶任高.内科学[M].第五版.人民卫生出版社，2002.03.3
[2]刘超.超声层次成像的理论与实现[D].浙江：浙江大学，2003.7
[3]王文博.关于医学超声成像机理的研究[D].山东：青岛大学，2006.12
[4]李鹏.医学超声成像中若干新技术的研究与实现[D].浙江：浙江大学，2009.22-30
[5]黄伟华.B型超声诊断仪设计及编码激励方法研究[D].浙江：浙江大学，2008.5
[6]高小明.基于ARM9的超声容积仪的研究与设计[D].四川：西南科技大学，2009.3