低功耗高精度便攜多功能體檢計設計技巧分享

引言

社會(huì )節奏的加快導致人們照顧小孩(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、呼吸頻率等指標上得以反映(醫學(xué)表明肺炎患者的呼吸頻率明顯異常)，老年疾病則體現在血壓等指標上。

另外，現代社會(huì )的人對鍛煉身體的重視程度不斷提高，越來(lái)越多的人加入到了運動(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，這卻需要運動(dòng)愛(ài)好者有自我保健意識，比如了解自己在訓練完畢一定時(shí)間后，脈搏、呼吸頻率等體能指標是否已恢復到正常狀態(tài)(正常情況下，運動(dòng)結束后，在規定的數分鐘內，心率和呼吸頻率等都應逐步恢復)。

上述兩方面的需求告訴我們，有必要設計一些簡(jiǎn)單方便的醫療電子系統來(lái)輔助人們照顧嬰幼兒、老年人等群體，用于監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動(dòng)相關(guān)的體能指標，供運動(dòng)愛(ài)好者監管自己運動(dòng)后的身體狀態(tài)。

但是，目前市場(chǎng)上類(lèi)似的醫療電子產(chǎn)品多為單一功能系統，限制了應用范圍，而隨著(zhù) “系統集成化”的發(fā)展趨勢一步步推進(jìn)，只能實(shí)現上述單一功能的單一系統將逐步被淘汰，設計出能實(shí)現綜合功能的系統則是大勢所趨。

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，充分利用其內部資源，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的設計方案，并試圖追求低功耗、高精度、高速度等特色，對產(chǎn)品的最終實(shí)現有一定的參考價(jià)值。

系統總體設計

MXT8051簡(jiǎn)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，集成了豐富的數模外設，諸如數字部分的上電復位、脈沖寬度調制(PWM)、串口(UART)、看門(mén)狗(WDT)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、內部振蕩器和外部時(shí)鐘可選等模塊；模擬部分的4通道10位AD轉換器、可編程增益放大器(PGA)、運算放大器(OP)、4com*36seg LCD driver等模塊。

憑借著(zhù)將高性能的數模外設嵌入到低功耗的MCU中，以MXT8051為核心器件來(lái)實(shí)現便攜式醫療電子設備的片上系統化相對容易很多。

系統組成

本文所給出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計的設計方案，正是充分利用了MXT8051所提供的豐富的片上外設資源，從而可以?xún)H僅依靠簡(jiǎn)單的外圍器件的配合，并通過(guò)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)便攜的系統上。

系統總體設計方案如圖1所示，整個(gè)系統由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采集模塊，以語(yǔ)音芯片和LCD為主的輸出顯示模塊，電源及鍵盤(pán)等系統控制模塊以及應用擴展模塊等。

系統工作原理

由于本系統待實(shí)現的功能較多，所以在系統總體設計階段給出一個(gè)較完善的架構對后續的軟硬件設計至關(guān)重要。

針對血壓測量，通過(guò)MPS系列的專(zhuān)用血壓傳感器來(lái)感知臂膀血流壓力，同時(shí)利用MXT8051內部的PWM波來(lái)控制馬達及對袖帶的充放氣，將采集到的模擬信號送往MXT8051內部的OP、ADC做模擬前端處理，再用軟件算法做數字信號處理。

針對體溫測量，利用單總線(xiàn)傳感器DS18B20來(lái)感知體溫信號，在嚴格遵循DS18B20時(shí)序的情況下，直接將轉換后的數字信號送往MXT8051處理，利用軟件補償等算法來(lái)提高精度。

針對呼吸頻率測量，利用兩個(gè)熱敏電阻和兩個(gè)普通電阻構成惠斯頓電橋，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)境溫度不同而導致的橋路輸出變化，從而用電橋壓差信號來(lái)表征呼吸動(dòng)作并輸入到MXT8051內部的OP、ADC做模擬前端處理，接著(zhù)在MXT8051內部利用軟件算法處理。

針對脈搏測量，利用聲音傳感器將腕部脈搏音信號轉化為電信號，同樣輸入到MXT8051內部的OP、ADC做模擬前端處理來(lái)實(shí)現放大、整形、數字化等，接著(zhù)在MXT8051內部利用軟件算法做進(jìn)一步的信號處理來(lái)達到脈搏測量的目的。

針對測量結果的輸出顯示，有兩部分設計功能，一是將測量值送往LCD顯示，二是利用語(yǔ)音模塊告知用戶(hù)測量結果正常與否。

硬件設計

為達到充分利用MXT8051片上資源的目的，本文綜合權衡了各種方案，并合理地選擇外圍器件，力圖用最簡(jiǎn)單的外圍電路來(lái)保證功能設計。整個(gè)系統的硬件框圖如圖2所示，后續將分別詳細介紹各個(gè)模塊的設計。

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血壓測量模塊設計

對于血壓信號的感知，可采用Metrodyne Microsystem公司的MPS-2108傳感器。它在血壓計、數字壓力計及醫療設備領(lǐng)域的廣泛應用已表明其可以勝任本文所要設計的功能。MPS-2108傳感器和MXT8051的接口原理圖如圖3所示。

體溫測量模塊設計

對于體溫信號的感知，采用的是Dallas Semiconductor公司的DS18B20傳感器。它擁有獨特的單總線(xiàn)接口，只需一個(gè)接口引腳即可通信;且它能直接將數字信號傳給單片機，從而省去了很多模擬前端的外圍電路設計;同時(shí)可通過(guò)配置內部的寄存器使其分辨率達到0.0625℃。這些特性說(shuō)明，在硬件上DS18B20已經(jīng)可以承擔體溫信號的采集任務(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計

對于呼吸頻率信號的感知，可選取靈敏度高的熱電阻Pt1000傳感器。它精度高，穩定性好，應用溫度范圍廣，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計供計量和校準使用。Pt1000傳感器與MXT8051的接口原理圖如圖5所示。

脈搏測量模塊設計

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

輸出顯示模塊設計

輸出模塊中，語(yǔ)音芯片可選取Winbond公司的ISD1730單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路?？射浄乓羰f(wàn)次，可處理多達255段信息，多種采樣頻率對應多種錄放時(shí)間。這也為系統功能擴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(kāi)發(fā)板上的產(chǎn)品。

系統控制模塊設計

系統控制模塊中，所包含的電源供給電路、時(shí)鐘電路、復位電路、鍵盤(pán)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(kāi)發(fā)板上的成熟產(chǎn)品，借鑒其接口方式并稍作修改，可滿(mǎn)足預期要求。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。

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

程序流程圖

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

總結

本文提出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計的設計方案對該類(lèi)綜合化醫療電子設備產(chǎn)品的最終實(shí)現具有一定的參考價(jià)值。由于時(shí)間關(guān)系，并未完全實(shí)現預期功能。同時(shí)在預期功能之外，還可以做相應擴展，如利用MXT8051的片上資源----串口(UART)和計算機通信，將歷史測量數據傳至計算機以供醫學(xué)對比及分析等。

軟件設計

算法思想

根據整個(gè)系統模塊劃分的結果，分析發(fā)現，算法難度較大的應該是血壓測量部分，而體溫測量、呼吸頻率測量和脈搏測量相對容易很多，當然在體溫測量中由于DS18B20的嚴格時(shí)序要求，代碼的編寫(xiě)需仔細。