基于MSP430的便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

　　隨著近年來微電子技術(shù)的快速發(fā)展和工藝的進(jìn)步，醫(yī)用電子領(lǐng)域中，常用的一些醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備有向著便攜式、微型化及家庭化發(fā)展的新趨勢，一些小型化、簡便易用的監(jiān)護(hù)儀器在社區(qū)醫(yī)療、家庭護(hù)理方面扮演著越來越重要的角色。這其中，基于微功耗架構(gòu)設(shè)計的新型微控制器和一些低功耗優(yōu)勢明顯的新型器件為這種趨勢提供了新的助力并為之奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　系統(tǒng)設(shè)計

　　為滿足社區(qū)、家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)的需要，便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)往往需要在現(xiàn)場采集并存儲一些人體生理信號的相關(guān)數(shù)據(jù)，如心電信號、血氧飽和度、心率及體溫等，以達(dá)到監(jiān)控人體重要生理參數(shù)的目的，并能夠?qū)@些生理參數(shù)的信號進(jìn)行相應(yīng)的識別和處理(如關(guān)鍵指標(biāo)不正常時自動報警)，能夠提供簡便的人機(jī)交互界面，數(shù)據(jù)可以傳輸給PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理。便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　考慮到本系統(tǒng)的應(yīng)用需求，系統(tǒng)總體設(shè)計中尤其要滿足微功耗、微型化和可靠性的要求，系統(tǒng)內(nèi)的電路設(shè)計、電路形式、器件選擇和電路板制作均應(yīng)緊密圍繞這三點(diǎn)展開。

　　圖1中傳感器、血氧模塊、信號調(diào)理模塊構(gòu)成了系統(tǒng)內(nèi)的前向通道。傳感器(如測量心電信號的電極)用于將人體的微弱生理信號轉(zhuǎn)換為電信號，其輸出信號需要經(jīng)過信號調(diào)理模塊的放大、濾波等處理。血氧模塊能夠通過探頭直接檢測人體的血氧飽和度、心率等，目前市面上已經(jīng)有供二次開發(fā)使用的監(jiān)測血氧飽和度、心率等的集成電路板，其內(nèi)往往已經(jīng)集成了相應(yīng)信號處理的內(nèi)核，這種集成電路板的輸出已經(jīng)是符合一定格式要求的數(shù)字信號，可以由中央控制單元直接接收。

　　為有效放大傳感器輸出的有用差分信號，信號調(diào)理模塊中的信號放大電路應(yīng)具有較強(qiáng)的共模抑制和差動放大能力。同時信號調(diào)理模塊中的濾波器應(yīng)采用同相結(jié)構(gòu)的精密運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)組成高階有源濾波器。信號調(diào)理模塊同時要具有微功耗特點(diǎn)，能夠在單電源下工作，其信號放大范圍要與A/D轉(zhuǎn)換時所需要的信號幅度相一致。

　　中央控制單元可采用新型的16位微控制器，其片內(nèi)具有較高精度的多通道A/D功能模塊、大容量的FLASH ROM和數(shù)據(jù)RAM，可以在無需片外A/D芯片的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生理信號的采集、接收和處理。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊可以根據(jù)存儲容量的不同要求，選擇不同形式的數(shù)據(jù)存儲芯片。

　　顯示與鍵盤接口模塊提供了設(shè)置和操作系統(tǒng)的鍵盤接口，并通過圖形點(diǎn)陣液晶實(shí)現(xiàn)漢字菜單顯示、生理參數(shù)的數(shù)值顯示和波形回放等功能，為系統(tǒng)提供智能化的人機(jī)交互界面。

　　時鐘模塊為系統(tǒng)提供實(shí)時的時間坐標(biāo)。

　　數(shù)據(jù)通信模塊提供本系統(tǒng)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換手段，既可以是串行、USB、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信等有線接口方式；又可以通過無線收發(fā)芯片組建一個固定頻點(diǎn)下(如433MHz)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

　　電源模塊為系統(tǒng)內(nèi)的模擬和數(shù)字電路部分分別供電，提供不同的工作電壓和一定的電源分區(qū)管理功能，其輸出質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的精度和可靠性。

　　便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)場使用性要求其電流消耗小，以降低系統(tǒng)的功耗，延長電池的使用時間。因此，微功耗設(shè)計是系統(tǒng)總體設(shè)計的重要內(nèi)容。微功耗設(shè)計的核心是最小功耗系統(tǒng)的設(shè)計，它不僅能降低系統(tǒng)功耗，還使系統(tǒng)具有較低的電磁輻射和較高的可靠性。

　　微控制器

　　TI公司的MSP430F149正是具有超低功耗特點(diǎn)的16位微控制器，其功耗可以達(dá)到微安級。

　　F149的軟件結(jié)構(gòu)也針對低功耗而設(shè)計，從備用模式喚醒MCU僅需6μS。中斷和子程序調(diào)用無層次限制，這種豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)查詢的需要，可以方便地設(shè)計出基于中斷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及存儲程序。

　　采用MSP430F149作為便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的中央控制單元，提升了系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和集成度。

　　數(shù)據(jù)存儲器

　　在便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)存儲容量要求不高的情況下(幾十K字節(jié)以內(nèi))，可以通過一定的軟件設(shè)計技巧將數(shù)據(jù)存儲在MCU內(nèi)的FLASH存儲器中。F149內(nèi)有60KB的FLASH ROM，由2段信息存儲器和118段主存儲器構(gòu)成，主存儲器中除了放置控制程序的存儲段以外，系統(tǒng)采集到的人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)也可以逐段地依次存入到其它的空余存儲段中。這樣就可以節(jié)省專用的數(shù)據(jù)存儲芯片，使得在便攜式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，一片16位微控制器—F149芯片就足以替代以前“單片機(jī)+數(shù)據(jù)存儲芯片+A/D芯片”的常規(guī)組合，既降低了成本又有效提高了系統(tǒng)的集成度。

　　對于數(shù)據(jù)存儲容量在幾百K～1M字節(jié)的，可以采用I2C接口的AT24LC系列數(shù)據(jù)存儲芯片，尤其若干個AT24LC系列芯片進(jìn)行級聯(lián)后存儲容量可以大幅提高。

　　對于需要實(shí)時存儲多通道生理參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可采用ATMEL公司的AT45系列SPI串行接口低電壓FLASH存儲器。

　　對于更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)存儲容量要求(1G字節(jié)以上)可以考慮目前優(yōu)盤中常用的并行高容量FLASH存儲芯片，其缺點(diǎn)是占用MCU的I/O資源過多，功耗稍高。

　　數(shù)據(jù)采集

　　F149的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12具有四種轉(zhuǎn)換模式：單通道單次轉(zhuǎn)換、單通道重復(fù)轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換及序列通道重復(fù)轉(zhuǎn)換。在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中往往需要采集多通道、連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，則序列通道單次轉(zhuǎn)換模式的時序控制較為簡單，靈活性較高。

　　采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式時，應(yīng)相應(yīng)設(shè)置控制寄存器ADC12CTL1的SHP＝1，同時將SHS(采樣輸入信號源選擇控制位)設(shè)置為1，即由F149內(nèi)的Timer_A.OUT1觸發(fā)采樣定時器。定時器A可以工作在增計數(shù)模式，其定時間隔就是A/D轉(zhuǎn)換的采樣時間間隔。采用定時器輸出信號觸發(fā)采樣的優(yōu)點(diǎn)在于：能精確控制采樣時間間隔；由于采用硬件定時，因此MCU可以在定時間隔內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并由中斷喚醒，這就完全符合了基于中斷的微功耗程序設(shè)計原則。

　　在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)注意以下幾個問題：

　　·避免可能的“丟幀”問題，即要注意數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲之間的時序配合。解決方法是：在F149的數(shù)據(jù)RAM內(nèi)開辟兩塊緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小與FLASH存儲器的一個存儲頁面的大小相同。利用兩塊緩沖區(qū)切換，并結(jié)合FLASH存儲器的頁面批量數(shù)據(jù)寫入功能，使得采樣數(shù)據(jù)能及時存儲。

　　·數(shù)據(jù)采集過程中保證穩(wěn)定的時鐘源。應(yīng)注意在F149進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)時，保證相應(yīng)的時鐘信號可用，否則會引起采樣時間間隔上的嚴(yán)重誤差甚至錯誤，而這種錯誤往往還不易察覺。

　　由于人體的一些生理信號均為低頻信號，且人體的很多生理參數(shù)都是緩慢變化的，很多情況下無需以很高的頻率進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集，對變化較緩慢的生理參數(shù)如體溫可以1分鐘采集和記錄一次數(shù)據(jù)。另一方面，通過在軟件上采用可伸縮尺度的存儲方法也能大大節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間，即始終以恒定的采樣率進(jìn)行生理信號的連續(xù)采集并放入F149的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，但對經(jīng)識別連續(xù)正常的生理信號采用相對長的存儲時間間隔，而對識別到的異常生理信號進(jìn)行連續(xù)實(shí)時記錄(即采集到多少數(shù)據(jù)就連續(xù)存儲多少數(shù)據(jù))。這樣可以有效節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間，并降低了平均功耗。

　　電源模塊

　　由于便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)內(nèi)往往同時存在模擬和數(shù)字電路，電源模塊必須對模擬電路和數(shù)字電路部分同時供電。

　　便攜式監(jiān)控系統(tǒng)中一般可采用堿性或可充電電池組成的電池組供電。

　　圖2是便攜式監(jiān)護(hù)系統(tǒng)電源模塊的結(jié)構(gòu)圖。

　　采用中央控制單元、模擬電路和數(shù)字電路分別單獨(dú)供電的電源結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中，由MCU控制DC-DC升壓變換電路的開、關(guān)，實(shí)現(xiàn)對模擬電路的供電管理；由MCU控制3V低壓差穩(wěn)壓電路的使能引腳，以控制數(shù)字電路部分的供電。

　　結(jié)語

　　功能強(qiáng)大的MSP430F149芯片為便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供了微功耗、高性能及低成本的微控制器選擇。同時，本文結(jié)合監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和微功耗、可靠性設(shè)計原則，詳細(xì)討論了能夠長時間記錄人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和存儲部分，及能夠提供高質(zhì)量電源輸出的電源模塊的設(shè)計思路和具體實(shí)現(xiàn)方法。這些設(shè)計方案都在實(shí)用中取得了很好的效果。