淺析基于MSP430心肺聽(tīng)診技能訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于MSP430心肺聽(tīng)診技能訓(xùn)練系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的發(fā)展，改變過(guò)去用射頻和特制聽(tīng)診器來(lái)模仿心肺聽(tīng)診過(guò)程，在操作上更逼真臨床真實(shí)環(huán)境。以低功耗的MSP430為核心，并在模型人上安裝27個(gè)專(zhuān)用設(shè)備來(lái)模擬人體的共118種心肺聽(tīng)診的疾病聲音。另外還可以用遙控器設(shè)置模型人的疾病類(lèi)型，通過(guò)聽(tīng)診器來(lái)識(shí)別模型人位置點(diǎn)發(fā)出的聲音來(lái)辨別疾病。再現(xiàn)臨床醫(yī)學(xué)的工作場(chǎng)景，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)習(xí)臨床知識(shí)和技能的條件與環(huán)境。此外還添加了上位機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，上住機(jī)根據(jù)收到的位置信號(hào)來(lái)控制上位機(jī)軟件界面的顯示，可以顯示聽(tīng)診的位置、聲音特點(diǎn)、與呼吸的關(guān)系以及聲音的波形信息，還可以外接揚(yáng)聲器放大播放所聽(tīng)到的心肺聲音，達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

從結(jié)構(gòu)方面看，該系統(tǒng)可以分成模型人和遙控器兩部分。模型人主要有內(nèi)部無(wú)線(xiàn)接收裝置和控制裝置以及人體表面的專(zhuān)用裝置。遙控器上有液晶顯示屏、鍵盤(pán)以及相關(guān)說(shuō)明。考核者可以很方便地向模型人內(nèi)部的無(wú)線(xiàn)接收裝置發(fā)出指令信號(hào)，無(wú)線(xiàn)接收裝置以收到的指令來(lái)確定是什么疾病類(lèi)型，從而控制模型人身上各位置點(diǎn)應(yīng)該發(fā)出什么聲音，當(dāng)聽(tīng)診器接觸到模型人身上相應(yīng)的位置點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)的裝置會(huì)給控制單元一個(gè)位置信號(hào)，然后控制單元將這個(gè)信號(hào)通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)控制相應(yīng)的喇叭閉合發(fā)出所在點(diǎn)的心肺聽(tīng)診音，被考核者通過(guò)聽(tīng)診器將此聲音傳到人耳朵里，這就完整模擬了一次真實(shí)的聽(tīng)診過(guò)程。被考核者通過(guò)聽(tīng)診器的探頭觸診模型人的不同體位，并通過(guò)聽(tīng)診器來(lái)聽(tīng)診不同位置的各種病理特征，由此來(lái)判斷是否為某種疾病，從而達(dá)到教學(xué)和培訓(xùn)的目的。

2 系統(tǒng)的功能組成

從功能方面，該系統(tǒng)又可分為語(yǔ)音播放單元、多路模擬開(kāi)關(guān)、位置識(shí)別開(kāi)關(guān)、無(wú)線(xiàn)通信單元和電源及低功耗設(shè)計(jì)單元六個(gè)部分。其中模型人內(nèi)部系統(tǒng)框圖如圖1所示。

遙控器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1 主控制器芯片的選擇

主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，主控制器芯片的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與否。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放、無(wú)線(xiàn)收發(fā)、多路模擬開(kāi)關(guān)、電源低功耗、上位機(jī)教學(xué)等功能，所以就要求該芯片具有較高的運(yùn)算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴(kuò)展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲(chǔ)器或者一些其他芯片)，并且功耗較低，調(diào)試方便等。綜合上述因素，主控制芯片用美國(guó)德克薩斯(TI)公司生產(chǎn)的MSP430，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是便攜式心肺聽(tīng)診系統(tǒng)，采用電池供電的方式，所以要求必須超低功耗，這樣才能滿(mǎn)足醫(yī)學(xué)教學(xué)的要求，而該芯片最大的特點(diǎn)就是低功耗，電壓準(zhǔn)備工作模式是3.3 V，正常工作時(shí)電流在幾毫安，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。該芯片具有如下性能：

低電壓范圍：1.8～3.6 V;

超低功耗：標(biāo)準(zhǔn)模式1.3 mA，RAM保持關(guān)閉時(shí)為0.1 mA;

低電流：7 mA在32 kHz，2.2 V，250 mA在1 MHz，2.2 V;

5種節(jié)點(diǎn)模式和6 ms內(nèi)從等待模式喚醒;

16位RISC指令結(jié)構(gòu)和125 ns指令周期;

12位A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部參考電壓、采樣保持、自動(dòng)掃描特性;

16位定時(shí)器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器，定時(shí)器B;16位定時(shí)器并帶有3路捕獲/比較寄存器，定時(shí)器A;片內(nèi)比較器;

串行在線(xiàn)編程，無(wú)須外部編程電壓，安全熔絲保護(hù)程序代碼;

內(nèi)含60 KB閃存，2 KB隨機(jī)存儲(chǔ)器。

2.2 語(yǔ)音播放

語(yǔ)音播放是本系統(tǒng)一個(gè)重要組成功能之一。在這里有兩個(gè)問(wèn)題需要解決，一個(gè)是語(yǔ)音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另一個(gè)是語(yǔ)音的編解碼和播放。由于WAV波形數(shù)據(jù)占用的空間較大，所以有必要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼。因此該系統(tǒng)選用中青世紀(jì)科技公司開(kāi)發(fā)的PM50智能語(yǔ)音芯片，它既是語(yǔ)音播放電路，也是智能單片機(jī)，其音質(zhì)水平，價(jià)格都要略?xún)?yōu)于著名的ISD電路，同時(shí)也有21 kHz的高保真音質(zhì)。該芯片由專(zhuān)用的語(yǔ)音單片機(jī)和FLASH RAM存儲(chǔ)器集合構(gòu)成，它既有13～100 s的多段語(yǔ)音播放功能，也有單片機(jī)可編程的智能特性，該芯片具有如下特點(diǎn)：

可存儲(chǔ)聲音長(zhǎng)度：13～100 s;

寬范圍工作電壓：DC 3～6 V;
工作電流50 mA，靜態(tài)電流1μA;

直接驅(qū)動(dòng)8 Ω 0.5 W的喇叭，具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式;

寬范圍采樣頻率：4.8～21 kHz;

錄制的語(yǔ)音可分并行1～8段和串行128段;

自帶8個(gè)輸入端口，9個(gè)輸出端口，功能均可由用戶(hù)自定義;

FLASH RAM結(jié)構(gòu)，可以反復(fù)擦寫(xiě)錄入，壽命在1萬(wàn)次以上;

兩種封裝形式：COB28和COB16;

開(kāi)發(fā)用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設(shè)計(jì)，外行也能使用;

配合編程軟件可以開(kāi)發(fā)出并行、串行、智能型等多種控制模式;

最小系統(tǒng)的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容;

有13 s/20 s/50 s/100 s多個(gè)時(shí)間檔次可選;

完成開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)生產(chǎn)后，直接用源文件投產(chǎn)掩膜，音質(zhì)效果、功能性能不變。

2.3 多路模擬開(kāi)關(guān)

多路模擬開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)選擇播放位置點(diǎn)喇叭聲音的，因?yàn)镻M50芯片只能連接一路揚(yáng)聲器，所以只能通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開(kāi)關(guān)，可以將兩片芯片擴(kuò)展起來(lái)形成32路選擇開(kāi)關(guān)，芯片電壓在4.5～30 V之間，功耗非常小，且不影響喇叭的發(fā)音，完全滿(mǎn)足要求。并且聽(tīng)診器探頭可以輕易地觸動(dòng)模型人皮下的專(zhuān)用位置，所以采用這種技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的選擇。

2.4 無(wú)線(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括PCB圖的布局走線(xiàn)和天線(xiàn)設(shè)計(jì)兩方面，軟件設(shè)計(jì)主要是通信協(xié)議的定義。

無(wú)線(xiàn)模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段，因而對(duì)PCB板的布局提出了更高的要求。一般來(lái)說(shuō)，外圍元件要盡可能靠近無(wú)線(xiàn)芯片，并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側(cè)，這樣可以在PCB板的另外一側(cè)進(jìn)行大面積的敷銅以減少干擾。軟件方面，良好的通信協(xié)議也是無(wú)線(xiàn)模塊穩(wěn)定工作的重要保障之一。通信協(xié)議除了規(guī)定應(yīng)答關(guān)系之外，檢錯(cuò)也是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前比較常用的檢錯(cuò)方法是循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC校驗(yàn))，其特征是信息字段和長(zhǎng)度字段的長(zhǎng)度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是：若設(shè)碼字長(zhǎng)度為N，信息字段長(zhǎng)度為K，校驗(yàn)字段長(zhǎng)度為R，其中N=K+R，則對(duì)于CRC碼集中的任一碼字，當(dāng)且存在一個(gè)R次的多項(xiàng)式g(x)，使得：

式中：m(x)為K次信息多項(xiàng)式;r(x)為R-1次校驗(yàn)多項(xiàng)式;g(x)為生成多項(xiàng)式。發(fā)送方通過(guò)生成g(x)來(lái)產(chǎn)生CRC碼字，接收方將接收到的碼字多項(xiàng)式與生成多項(xiàng)式g(x)相除，若能除盡，則說(shuō)明接收正確。

2.5 電源模塊

在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為避免頻繁更換電池，延長(zhǎng)產(chǎn)品的一次使用時(shí)間，低功耗設(shè)計(jì)一直是重中之重。電源模塊主要用于對(duì)電池組的管理，并給系統(tǒng)的其他模塊供電。電源橫塊主要用在遙控器上，用來(lái)供給遙控器各模塊正常工作。本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)電池供電的方式，具有升降壓功能的DC/DC電源芯片。良好的電源模塊設(shè)計(jì)可以有效提高電池的利用效率，維持穩(wěn)定的電壓，減少電源紋波，增大輸出電流。

2.6 低功耗設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)采用的是兩節(jié)干電池供電的方式，對(duì)系統(tǒng)功耗要求比較高。為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都要考慮到低功耗的設(shè)計(jì)要求。低功耗設(shè)計(jì)就是要降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、電源電壓以及門(mén)的活躍因素。從硬件方面來(lái)講，要降低系統(tǒng)的功耗，就要盡可能選擇低功耗的芯片，或者帶有休眠功能的芯片。軟件方面，可以采用間斷喚醒的工作方式。如果某個(gè)功能模塊工作的空閑時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可以暫時(shí)將其關(guān)閉或者使其處于低功耗狀態(tài)，然后通過(guò)定時(shí)喚醒來(lái)檢測(cè)應(yīng)答信號(hào)，只有當(dāng)接收到應(yīng)答信號(hào)時(shí)模塊才進(jìn)入工作狀態(tài)。通過(guò)間斷喚醒的方式可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。

3 上位機(jī)教學(xué)軟件

主控制器通過(guò)I/O口將模型人的位置信息傳到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)收到的位置信號(hào)來(lái)控制上位機(jī)軟件界面的顯示，可以顯示聽(tīng)診的位置、聲音特點(diǎn)、與呼吸的關(guān)系以及聲音的波形信息，另外還可以外接揚(yáng)聲器放大播放所聽(tīng)到的心肺聲音，達(dá)到醫(yī)學(xué)教學(xué)的目的。上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下特點(diǎn)：強(qiáng)大的處理能力;采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu);具有豐富的尋址方式;簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多重運(yùn)算;高效的查表處理指令;較高的處理速度，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。這些特點(diǎn)保證編制出高效率的源程序。另外MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6μs。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是由于系統(tǒng)利用MSP430超低功耗性能，因此設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用性和穩(wěn)定性，并且該芯片具有較高的運(yùn)算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴(kuò)展的I/O口，兼容一些外部芯片，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)用普通聽(tīng)診器去測(cè)試心肺音，更能逼真模仿真實(shí)的臨床環(huán)境，因而相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)，不僅對(duì)于提高現(xiàn)階段我國(guó)醫(yī)學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也具有良好的市場(chǎng)前景。