一种医用多功能数字时钟的硬件设计与实现

2013-11-09杨树红蒋建武

泰州职业技术学院学报 2013年2期

杨树红，蒋建武

（1. 泰州市科技合作与交流中心；

2.泰州职业技术学院信息工程学院，江苏泰州 225300 ）

通过对多家三甲医院的调研发现，在大多数医院中存在对定时时钟的使用需求，包括手术时钟，麻醉时钟，护士站提醒时钟，化验室提醒时钟等。同时，通过对目前时钟市场的调查发现，以上时钟都已有独立的产品存在，但是这些定时时钟产品存在功能单一，不提供多点计时，不提供长时间计时，提示音过于单调且不能更改等缺陷。因而设计一款包含多点精确计时提醒，可选音乐提示等综合型多功能数字时钟具有很强的实用价值和市场前景。

1 总体设计

本文介绍了一种以S3C2440A芯片为核心控制部件的医用多功能定时时钟（以下简称医用时钟）的设计方法。通过项目的需求分析，医用时钟包括启动模块、定时模块、背景报警音乐选择播放模块、LCD显示模块、时钟调教模块。医用时钟六个功能模块结构框图如图1所示。医用时钟以S3C2440A为主控芯片，利用了芯片内部的Timer、TRC、LCD、IO等功能实现各功能模块，音频输出利用WT588D音频存储播放芯片辅助实现。

S3C2440A是著名的半导体公司SAMSUNG推出的一款16/32位RISC微处理器，它为手持设备和一般类型的应用提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案[1]。S3C2440A采用了ARM920T的内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，且全静态设计的特点特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。S3C2440A的最大特点是其核心处理器(CPU)是一个由Advanced RISC Machines有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令 Cache和16KB数据Cache，每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A减少整体系统成本和无需配置额外的组件。

WT588D模块是广州创科有限公司与台湾华邦公司共同研发的集单片机、语音电路、SPI-Flash存储器于一体的可编程语音系统。该语音系统支持6kS/s~22 kS/s采样频率的音频，具有220个可控制的语音地址，且每个地址还可以分成128段管理。配合WT-APP上位机操作系统软件和专用的USB下载器,可以随意设置系统的控制方式、语音地址和分段信息，支持语音信息在线烧录。WT588D模块支持MP3控制模式、按键控制模式、并口模式、一线串口模式及三线SPI模式。

2 系统功能设计

2.1 启动设计

接上电源或装上电池后，触动面板上电源按键，开机，屏幕显示”POST”，此时有音乐响起，自检结束后，随即进入标准时间状态。

2.2 定时设计

通过触动控制面板上的0-9数字可以分别对十组倒计时进行计时，旋动左边旋钮（分钟调整旋钮）与右边旋钮（秒调整旋钮）或者通过控制面板数字键盘可输入倒计时时间。倒计时范围为0～100小时内任一秒的倒计时计时。输入倒计时时间时，旋钮仅适用于对分钟与秒的快速设定。在通过数字键输入时，需要通过面板上“→”“←”对小时，分钟，秒的进行选择，设定小时倒计时时，小时的数字显示将持续闪烁状态，分钟、秒的选择。

2.3 音乐选择设计

输入好倒计时时间后，按压秒调整旋钮，此时进入音乐提示音选择状态，旋动右边旋钮，屏幕上会显示对应的音乐编号，扬声器同时会发出该编号下的音乐提示音，选择好合适音乐后，再按一次秒设定旋钮，表示此组倒计时开始，若需要取消，则继续按下秒调整旋钮，对应编号下的倒计时即可取消。倒计时设定完毕后，屏幕上将持续显示该组倒计时5S，随后自动进入显示标准时间状态。

2.4 显示设计

计时过程中按任一数字健，即可显示该数字健对应的计时所剩余的时间。倒计时显示状态下，时间显示区域毫秒区内，会显示对应的数字编号。当计时结束时，显示屏上编号数字闪动，并发出约30S的提示。此时按下秒调整旋钮，表示确认倒计时结束。触动顶板面板上“TIME/DATA”模式切换按键，可在标准时间以及日期之间进行切换显示。

2.5 时钟调校设计

注意对标准时间，日期，闹钟的调整必须在标准时间显示模式下。在标准时间显示模式下，按压下左边旋钮，进入标准时间设定状态，旋动左侧旋钮配合“→”“←”按键可对小时、分钟、年、月、日、闹钟进行设定。闹钟提示时，按下右边旋钮，结束闹钟提示。

3 硬件设计

医用时钟的硬件结构包含四部分内容：即S3C2440A最小系统，WT588D控制模块，LCD液晶输出控制模块，键盘输入控制模块。

3.1 S3C2440A最小系统

最小系统是保证一款芯片正常工作的最简外围硬件电路，包含电源电路、晶振电路和复位电路，为了便于芯片程序下载通常将flash擦写电路也设计到最小系统中，本设计中擦写接口为JTAG电路。

3.1.1 电源电路 S3C2440A最小系统工作电压为3.3 V，由外接的USB接口的5 V电源通过LM1117-3.3芯片转化为3.3V（见图2）。电源电路中增加了滤波电容与电感，用以改善系统的电磁兼容性，确保系统工作更加稳定。

3.1.2 复位电路复位电路由MAX811复位芯片控制。电源3.3V，MR通过R21上拉至3.3V，复位引脚引脚与系统nRESET相连，常态下MR上拉输出高电平，复位按钮按下后，通过nRESET_IN输入低电平，此时通过引脚向系统输入复位信号，系统复位（见图3）。

3.1.3 晶振电路系统稳定工作需要晶振电路为芯片提供准确的工作电源。S3C2440A芯片工作需要两个晶振，即主晶振和实时定时器晶振，前者为芯片与外设工作提供系统时钟，后者为系统定时器工作提供时钟。S3C2440A系统工作所需晶振电路如图4所示，12M为系统主晶振，32.768K为系统RTC模块时钟。布线时注意将晶振引脚与芯片对应引脚尽可能靠近，并且在晶振引脚附近避免布高频信号线。

3.1.4 JTAG电路 JTAG(Joint Test Action Group)接口用于实现程序的下载和调试，包含四根控制数据线，分别为TMS（模式选择），TCK（时钟），TDO（数据输出）和TDI（数据输入），四个引脚依次连接芯片的TMS（J14），TCK（J13）TDO（J16）,TDI（H17），（见图5）。

3.2 WT588D控制电路

本设计中WT588D模块采用3.3V电源供电、三线串口控制模式，P01为三线数据输入脚，P02为三线片选输入脚，P03为三线时钟输入脚，分别接主控芯片的DATA(PTB0),CS(PTB1), CS(PTB2)。音频通过PWM+，PWM-引脚以PWM方式输出，直接与SPEAK相连。其他辅助电路如图6所示[2]。

3.3 LCD液晶显示控制电路

本设计中使用的液晶显示模块是LQ080V3DG01（TFT-LCD模块）。LQ080V3DG01 由彩色TFTLCD面板、驱动电路、控制电路、供电电路及背光单元组成。支持最大分辨率为640×480的图形和文字显示，数据输入格式为18bit，其中红绿蓝各占6bit，提供的颜色共262 144种[3]。

3.3.1 液晶背光电源控制电路由于液晶背光显示时，功耗较大，因而为此单独使用控制电源，在多数情况下该电源关闭。应用电路由两个晶闸管构成的开关电路控制。LCD_PWREN为高电平时，N沟晶体管Q1(2N7002)截止，P沟晶体管Q2(SI2301)控制端为高电平，Q1管导通，VLED输出为VDD5V；LCD_PWREN为低电平时，N沟晶体管Q1(2N7002)导通，P沟晶体管Q2(SI2301)控制端为低电平，Q1管截止，VLED输出为低电平。由此控制液晶模块的背光灯（见图7）。

3.3.2 液晶驱动控制电路 LQ080V3DG01采用3.3V供电。输入的控制信号有4个：帧同步信号VSYNC、行同步信号HSYNC、数据使能信号ENAB及时钟信号CK，分别对应主控芯片的VFRAME、VLINE、VM、VCLK；数据线宽度是18bit，红绿蓝各占6bit，分别是R [0∶5]、G [0∶5]及B [0∶5]，对应控制引脚VD[2：7]、VD[10：15]、VD[18：23]（见图8）。