低功耗高精度便攜多功能體檢計(jì)設(shè)計(jì)技巧分享

引言

社會(huì)節(jié)奏的加快導(dǎo)致人們照顧小孩(尤其是嬰幼兒)、老人的時(shí)間和精力都大為減少，而嬰幼兒患肺炎等一系列疾病都會(huì)在其體溫、呼吸頻率等指標(biāo)上得以反映(醫(yī)學(xué)表明肺炎患者的呼吸頻率明顯異常)，老年疾病則體現(xiàn)在血壓等指標(biāo)上。

另外，現(xiàn)代社會(huì)的人對(duì)鍛煉身體的重視程度不斷提高，越來越多的人加入到了運(yùn)動(dòng)的行列，而如何衡量自己鍛煉的質(zhì)量以及鍛煉后的身體狀況，這卻需要運(yùn)動(dòng)愛好者有自我保健意識(shí)，比如了解自己在訓(xùn)練完畢一定時(shí)間后，脈搏、呼吸頻率等體能指標(biāo)是否已恢復(fù)到正常狀態(tài)(正常情況下，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，在規(guī)定的數(shù)分鐘內(nèi)，心率和呼吸頻率等都應(yīng)逐步恢復(fù))。

上述兩方面的需求告訴我們，有必要設(shè)計(jì)一些簡單方便的醫(yī)療電子系統(tǒng)來輔助人們照顧嬰幼兒、老年人等群體，用于監(jiān)管這些弱勢群體的健康狀況，測量嬰幼兒的體溫及呼吸頻率，測量老年人的血壓;同時(shí)也用于輔助測量脈搏等與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的體能指標(biāo)，供運(yùn)動(dòng)愛好者監(jiān)管自己運(yùn)動(dòng)后的身體狀態(tài)。

但是，目前市場上類似的醫(yī)療電子產(chǎn)品多為單一功能系統(tǒng)，限制了應(yīng)用范圍，而隨著 “系統(tǒng)集成化”的發(fā)展趨勢一步步推進(jìn)，只能實(shí)現(xiàn)上述單一功能的單一系統(tǒng)將逐步被淘汰，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)綜合功能的系統(tǒng)則是大勢所趨。

本文基于北京時(shí)代民芯科技有限公司自主研發(fā)的MXT8051單片機(jī)，充分利用其內(nèi)部資源，同時(shí)合理選擇外圍器件，給出了集血壓測量、體溫測量、呼吸頻率測量、脈搏測量等多個(gè)功能為一體的便攜式體檢計(jì)的設(shè)計(jì)方案，并試圖追求低功耗、高精度、高速度等特色，對(duì)產(chǎn)品的最終實(shí)現(xiàn)有一定的參考價(jià)值。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

MXT8051簡介

MXT8051是北京時(shí)代民芯科技有限公司自主研發(fā)的以高速單指令周期8051為核的SoC，集成了豐富的數(shù)模外設(shè)，諸如數(shù)字部分的上電復(fù)位、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、串口(UART)、看門狗(WDT)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、內(nèi)部振蕩器和外部時(shí)鐘可選等模塊；模擬部分的4通道10位AD轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器(PGA)、運(yùn)算放大器(OP)、4com*36seg LCD driver等模塊。

憑借著將高性能的數(shù)模外設(shè)嵌入到低功耗的MCU中，以MXT8051為核心器件來實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的片上系統(tǒng)化相對(duì)容易很多。

系統(tǒng)組成

本文所給出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計(jì)的設(shè)計(jì)方案，正是充分利用了MXT8051所提供的豐富的片上外設(shè)資源，從而可以僅僅依靠簡單的外圍器件的配合，并通過軟件的協(xié)同工作，將血壓測量、體溫測量、呼吸頻率測量、脈搏測量等多個(gè)功能集成在一個(gè)便攜的系統(tǒng)上。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由5大部分組成，MXT8051為核心處理模塊，并配備以傳感器為主的信號(hào)采集模塊，以語音芯片和LCD為主的輸出顯示模塊，電源及鍵盤等系統(tǒng)控制模塊以及應(yīng)用擴(kuò)展模塊等。

系統(tǒng)工作原理

由于本系統(tǒng)待實(shí)現(xiàn)的功能較多，所以在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)階段給出一個(gè)較完善的架構(gòu)對(duì)后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

針對(duì)血壓測量，通過MPS系列的專用血壓傳感器來感知臂膀血流壓力，同時(shí)利用MXT8051內(nèi)部的PWM波來控制馬達(dá)及對(duì)袖帶的充放氣，將采集到的模擬信號(hào)送往MXT8051內(nèi)部的OP、ADC做模擬前端處理，再用軟件算法做數(shù)字信號(hào)處理。

針對(duì)體溫測量，利用單總線傳感器DS18B20來感知體溫信號(hào)，在嚴(yán)格遵循DS18B20時(shí)序的情況下，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送往MXT8051處理，利用軟件補(bǔ)償?shù)人惴▉硖?strong>高精度。

針對(duì)呼吸頻率測量，利用兩個(gè)熱敏電阻和兩個(gè)普通電阻構(gòu)成惠斯頓電橋，一個(gè)熱敏電阻感知環(huán)境溫度，另一個(gè)熱敏電阻感知呼出氣體的溫度，這樣可以很好地消除因環(huán)境溫度不同而導(dǎo)致的橋路輸出變化，從而用電橋壓差信號(hào)來表征呼吸動(dòng)作并輸入到MXT8051內(nèi)部的OP、ADC做模擬前端處理，接著在MXT8051內(nèi)部利用軟件算法處理。

針對(duì)脈搏測量，利用聲音傳感器將腕部脈搏音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同樣輸入到MXT8051內(nèi)部的OP、ADC做模擬前端處理來實(shí)現(xiàn)放大、整形、數(shù)字化等，接著在MXT8051內(nèi)部利用軟件算法做進(jìn)一步的信號(hào)處理來達(dá)到脈搏測量的目的。

針對(duì)測量結(jié)果的輸出顯示，有兩部分設(shè)計(jì)功能，一是將測量值送往LCD顯示，二是利用語音模塊告知用戶測量結(jié)果正常與否。

硬件設(shè)計(jì)

為達(dá)到充分利用MXT8051片上資源的目的，本文綜合權(quán)衡了各種方案，并合理地選擇外圍器件，力圖用最簡單的外圍電路來保證功能設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，后續(xù)將分別詳細(xì)介紹各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。

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血壓測量模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于血壓信號(hào)的感知，可采用Metrodyne Microsystem公司的MPS-2108傳感器。它在血壓計(jì)、數(shù)字壓力計(jì)及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已表明其可以勝任本文所要設(shè)計(jì)的功能。MPS-2108傳感器和MXT8051的接口原理圖如圖3所示。

體溫測量模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于體溫信號(hào)的感知，采用的是Dallas Semiconductor公司的DS18B20傳感器。它擁有獨(dú)特的單總線接口，只需一個(gè)接口引腳即可通信;且它能直接將數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)，從而省去了很多模擬前端的外圍電路設(shè)計(jì);同時(shí)可通過配置內(nèi)部的寄存器使其分辨率達(dá)到0.0625℃。這些特性說明，在硬件上DS18B20已經(jīng)可以承擔(dān)體溫信號(hào)的采集任務(wù)。DS18B20傳感器與MXT8051的接口原理圖如圖4所示。

呼吸頻率測量模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于呼吸頻率信號(hào)的感知，可選取靈敏度高的熱電阻Pt1000傳感器。它精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。Pt1000傳感器與MXT8051的接口原理圖如圖5所示。

脈搏測量模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于脈搏信號(hào)的感知，選取普通的拾音頭MIC即可感知脈搏音信號(hào)，將采集到的模擬信號(hào)通過片上運(yùn)算放大器交由MXT8051處理。拾音頭與MXT8051的接口原理圖如圖6所示。

輸出顯示模塊設(shè)計(jì)

輸出模塊中，語音芯片可選取Winbond公司的ISD1730單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路?？射浄乓羰f次，可處理多達(dá)255段信息，多種采樣頻率對(duì)應(yīng)多種錄放時(shí)間。這也為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了一定的可能。LCD采用北京時(shí)代民芯科技有限公司提供的MXT8051開發(fā)板上的產(chǎn)品。

系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊中，所包含的電源供給電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤控制電路等需要的器件都可參考由北京時(shí)代民芯科技有限公司提供的MXT8051開發(fā)板上的成熟產(chǎn)品，借鑒其接口方式并稍作修改，可滿足預(yù)期要求。其中稍作修改的電源供給原理圖及時(shí)鐘電路原理圖如圖7、圖8所示。

針對(duì)血壓測量，業(yè)界普遍采用示波法，最終產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)可考慮利用此類已經(jīng)成熟的算法來完成。而呼吸頻率測量和脈搏測量，都可以簡單地利用測量周期再取倒數(shù)的方法來完成，同時(shí)為了避免誤差，可以考慮增加樣本數(shù)量等。關(guān)于體溫測量，則需嚴(yán)格遵循DS18B20的初始化時(shí)序和讀寫時(shí)序。

程序流程圖

將本文提到的設(shè)計(jì)方案投入實(shí)踐中，最終完整實(shí)現(xiàn)的功能是體溫測量，在此給出體溫測量的軟件程序流程圖如圖9所示。

總結(jié)

本文提出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計(jì)的設(shè)計(jì)方案對(duì)該類綜合化醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)品的最終實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價(jià)值。由于時(shí)間關(guān)系，并未完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。同時(shí)在預(yù)期功能之外，還可以做相應(yīng)擴(kuò)展，如利用MXT8051的片上資源----串口(UART)和計(jì)算機(jī)通信，將歷史測量數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)以供醫(yī)學(xué)對(duì)比及分析等。

軟件設(shè)計(jì)

算法思想

根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)模塊劃分的結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)，算法難度較大的應(yīng)該是血壓測量部分，而體溫測量、呼吸頻率測量和脈搏測量相對(duì)容易很多，當(dāng)然在體溫測量中由于DS18B20的嚴(yán)格時(shí)序要求，代碼的編寫需仔細(xì)。