基于SPCE061A的血壓模擬發(fā)生器的設(shè)計(jì)
隨著社會的發(fā)展，人們的醫(yī)療保健意識越來越強(qiáng)，所以醫(yī)生的培訓(xùn)也就成為非常重要的環(huán)節(jié)。雖然測量血壓是一項(xiàng)較簡單的技術(shù)，但若操作不規(guī)范，所測血壓數(shù)值與實(shí)際血壓相比也常出現(xiàn)誤差，不能客觀真實(shí)地反映病人的血壓情況。血壓測量作為學(xué)生的基本考核部分，以往都是通過直接的人體測量，但老師不知道在當(dāng)時情況下人體的血壓狀況，同時測量情況又受到外界環(huán)境的干擾，所以給考核造成一定的困難。該系統(tǒng)可以隨意設(shè)置血壓情況，使得測量情況更加豐富，以盡快提高醫(yī)生的血壓測量技術(shù)。該血壓模擬發(fā)生器是根據(jù)柯勞克氏技術(shù)(血壓測量時聽診器在動脈上聽到的5個時相的聲音)以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格按照脈搏發(fā)生的規(guī)律。發(fā)出的聲音逼真、效果良好，可以在不同的心率下判斷血壓收縮壓和舒張壓等各項(xiàng)指標(biāo)，可以用于醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)的培訓(xùn)工具，使學(xué)員快速掌握血壓測量方法。該系統(tǒng)配合血壓手臂，壓力表，聽診器使用，具有廣闊的市場前景。
本文介紹的血壓模擬發(fā)生器是以凌陽16位單片機(jī)SPCE061A為控制核心，充分利用凌陽單片機(jī)所帶有的強(qiáng)大語音功能，以符合實(shí)際情況的順序播放柯勞克氏音，同時實(shí)現(xiàn)電磁閥跳動模擬人體脈搏搏動?？梢栽O(shè)置相應(yīng)的收縮壓、舒張壓、聽診間隔，還帶有誤差校準(zhǔn)功能，誤差值不超過2 mmHg。
l 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)主要包括凌陽16位單片機(jī)SPCE061A，傳感器輸入模塊，電磁閥驅(qū)動模塊，語音播放模塊，液晶顯示模塊，鍵盤控制等幾個部分。本系統(tǒng)采用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A作為主控制芯片，該芯片CPU時鐘O．32～9．152 MHz(2．6～3．6 V)；內(nèi)置2 KB SRAM和32 KB FLASH；32位可編程的多功能I／O端口；兩個16位定時器／計(jì)數(shù)器；可編程音頻處理；系統(tǒng)備用狀態(tài)下(時鐘處于停止?fàn)顟B(tài))耗電僅為2μA；7通道10位電壓模／數(shù)轉(zhuǎn)換器；雙通道10位DAC方式的音頻輸入功能，只需要外接功放(SPY0030A)即可完成語音的播放，方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的語音功能；14個中斷源可來自定時器A／B時基，2個外部時鐘源輸入；具備觸鍵喚醒的功能。另外該單片機(jī)具有自己的集成開發(fā)環(huán)境，支持標(biāo)準(zhǔn)的C語言?？梢詫?shí)現(xiàn)C語言與匯編語言的相互調(diào)用，并提供了語音播放的庫函數(shù)，這樣很容易就完成語音的播放，為軟件開發(fā)提供了方便的條件。血壓模擬發(fā)生器總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件部分
該部分主要分為SPCE061A系統(tǒng)部分，電源管理模塊，電磁閥驅(qū)動，氣體壓力傳感器，語音輸出，液晶顯示，鍵盤設(shè)置。系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下，由氣體壓力傳感器對壓力采集，并進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后交給MCU，將測量結(jié)果與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，播放脈搏跳動聲音。同時電磁閥開始工作。系統(tǒng)硬件連接圖如圖2所示。
2．1 電源管理模塊
電源管理是任何電子產(chǎn)品都無法回避的問題，也是系統(tǒng)的核心部分，隨著能源成本的提升，降低功耗成為電子產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢之一。以移動性取勝的便攜式產(chǎn)品中以電池供電為主，降低能耗成為便攜式產(chǎn)品中電源管理急需解決的問題。系統(tǒng)電源部分采用MAX1705升降壓芯片和BQ2057充電管理芯片，MAX1705具有低功耗，高效、低噪聲的特點(diǎn)，輸出電壓在2．5～5．5 V范圍內(nèi)。最大輸出電流850 mA，完全可以滿足大部分便攜式儀器的需要。同時還采用了美國TI公司生產(chǎn)的先進(jìn)鋰電池充電管理芯片BQ2057，它適合單節(jié)或雙節(jié)鋰離子電池的充電需要，BQ2057可以動態(tài)補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時間，帶有可選的電池溫度監(jiān)測，利用電池組溫度傳感器連續(xù)檢測電池溫度，當(dāng)電池溫度超出設(shè)定范圍時BQ2057關(guān)閉對電池充電。內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高／低邊電流感測和可編程充電電流，充電狀態(tài)識別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實(shí)現(xiàn)，具有自動重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。利用該芯片設(shè)計(jì)的充電器外圍電路極其簡單，非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需要。
2．2 氣體壓力傳感器
該模塊采用摩托羅拉公司的MPX5100系列氣體壓力傳感器，可以承受0～100 kPa的壓強(qiáng)，輸出電壓在O．5～4．5 V的范圍內(nèi)，可以滿足凌陽單片機(jī)I／O的電壓輸入范圍，通過凌陽單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換采集氣體壓力傳感器電壓的變化，由于血壓計(jì)壓力表的量程范圍是0～300 mmHg，根據(jù)760 mmHg=101.3 kPa，得到300 mmHg=39.9868 kPa，并且壓力傳感器的輸入與輸出為線性關(guān)系，根據(jù)多次測量得到公式：
ADValue=K1Value*mmHgValue+offset*K2Value
其中：ADValue為電壓經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量；mmHgValue為壓力表上的刻度值；K1Value=1．8；K2Value=329.17；offset=0.2，offset為校準(zhǔn)系數(shù)，通過調(diào)整offset可以使誤差控制在2 mmHg。
2．3 電磁閥驅(qū)動電路
該部分主要是模擬人體脈搏跳動，為了更好地模擬血壓測量環(huán)境，帶來更加逼真的效果，采用的電磁閥靈敏度高、噪音小，其吸合電流為100 mA，釋放電流為12 mA，工作電壓為5 V，當(dāng)系統(tǒng)初始化以后電磁閥便開始根據(jù)設(shè)定的心率值工作。通過MCU控制其跳動頻率，為了增大驅(qū)動電流采用達(dá)林頓管，其放大倍數(shù)是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積，達(dá)到小的基極電流控制大的集電極電流的目的，驅(qū)動電磁閥工作，如圖3所示。
2．4 語音輸出模塊
凌陽SPCE061A單片機(jī)支持語音播放技術(shù)所要求的硬件和軟件的全部功能。硬件方面，SPCE061A有兩類D／A轉(zhuǎn)換通道，一類是直接采用數(shù)／模轉(zhuǎn)換的DAC方式，另一類是采用脈寬調(diào)制的PWM驅(qū)動方式，其結(jié)構(gòu)是由兩個DAC通道或一個PWM驅(qū)動通道構(gòu)成。兩類實(shí)現(xiàn)方式實(shí)質(zhì)都為數(shù)／模轉(zhuǎn)換，都是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電流信號輸出。該設(shè)計(jì)的音頻輸出采用雙通道數(shù)／模轉(zhuǎn)換DAC方式，即數(shù)字信號通過10位DAC轉(zhuǎn)換成3 mA驅(qū)動的模擬電流信號輸出，經(jīng)SPY0030A芯片信號放大后，由揚(yáng)聲器輸出。音頻電路圖如圖4所示。
2．5 液晶顯示模塊
系統(tǒng)采用的CMS-TG94DYSG-w小型液晶顯示模塊，該128×64點(diǎn)陣液晶顯示模塊具有20個引腳。價(jià)格低廉，數(shù)據(jù)可讀可寫，使用方便。其驅(qū)動芯片采用三星電子公司生產(chǎn)的KS0713。它是一種小型的大規(guī)模集成并帶有驅(qū)動器的點(diǎn)陣型液晶控制芯片。KS0713體積小，外觀尺寸只有42 mm×39 mm，可直接由微處理器控制，數(shù)據(jù)讀寫操作不受外部時鐘控制，集成化程度高，自帶液晶所必需的電源驅(qū)動。
2．6 低功耗設(shè)計(jì)
SPCE06lA在功能上增加了睡眠與喚醒功能。當(dāng)IC在接受到睡眠信號后關(guān)閉系統(tǒng)時鐘(PLL振蕩器)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)?？梢酝ㄟ^對P_SystemClock(寫)(7013)單元寫入CPUCLKSTOP控制字(CPU睡眠信號)使系統(tǒng)從運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)入低功耗睡眠狀態(tài)。系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)后，通過設(shè)置該單元的第4位可以打開或關(guān)閉32 768 Hz實(shí)時時鐘，同時程序計(jì)數(shù)器(PC)會停在程序的下一條指令計(jì)數(shù)上，當(dāng)有喚醒事件發(fā)生后，由此繼續(xù)執(zhí)行程序。只有當(dāng)IOA[7～O]內(nèi)位的控制字為000，001和010時，相對應(yīng)位才具有喚醒功能。系統(tǒng)收到喚醒信號后會接通PLL振蕩器，同時回響應(yīng)喚醒事件的處理并初始化。CPU需要200μs的時間完成喚醒，隨意喚醒睡眠的頻率不能超過5 kHz，否則CPU無法進(jìn)入睡眠模式。該系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)沒有接收到按鍵觸發(fā)即轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。
3 軟件設(shè)計(jì)
SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部具有9個中斷向量，可安置14個中斷源。14個中斷源分為兩個定時器溢出中斷、兩個外部中斷、一個串行口中斷、一個觸鍵喚醒中斷、7個時基信號中斷、PWM音頻輸出中斷，可以靈活地配置給各個模塊使用。圖5為主程序流程圖。本設(shè)計(jì)的軟件采用C語言編寫，整個程序包括主程序、A／D轉(zhuǎn)換、鍵盤掃描子程序、延時子程序、顯示及語音播放子程序等。系統(tǒng)啟動后，先進(jìn)行初始化操作，初始化程序主要完成I／O端口初始化、開定時中斷、調(diào)用開機(jī)顯示界面、接收鍵盤賦值，驅(qū)動電磁閥跳動等。然后進(jìn)入循環(huán)，接收傳感器輸出電壓值，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較后，根據(jù)設(shè)定調(diào)用語音播報(bào)函數(shù)，SPCE061A自帶有多種音頻壓縮算法，具有豐富的語音函數(shù)庫可分別實(shí)現(xiàn)高保真音樂、普通話音等語音效果。本設(shè)計(jì)采用SACM_A2000音頻壓縮算法提供音頻輸出，使用SACM A2000模塊的函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，可直接調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)，軟件編程容易，可方便地完成語音的播放，大大節(jié)省了開發(fā)設(shè)計(jì)的時間。
4 結(jié) 語
本文詳細(xì)介紹了為醫(yī)療培訓(xùn)機(jī)構(gòu)開發(fā)的便攜式血壓模擬發(fā)生器。功能上主要是把應(yīng)用越來越廣泛的SPCE061A單片機(jī)自帶的數(shù)字語音處理應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備。系統(tǒng)利用了SPCE061A單片機(jī)強(qiáng)大的處理能力，以及豐富的外圍接口，SPCE061A片內(nèi)有32 KB的FLASH ROM，該系統(tǒng)完成所有功能僅占用一半的FLASH資源，可擴(kuò)展的空間還很大。系統(tǒng)成本低、操作方便，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)測試表明，其性能穩(wěn)定，功耗低，并且在系統(tǒng)功能擴(kuò)展上具有較大的潛力，有很好的應(yīng)用前景。
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