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實的基礎(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)計思路和具體實現(xiàn)方法。這些設(shè)計方案都在實用中取得了很好的效果。