基于MSP430的心肺聽(tīng)診技能訓練系統的設計

近年來(lái)基于醫療的嚴峻現狀，醫學(xué)院的教學(xué)性能不斷削弱；醫院對醫生的要求又不斷提高，學(xué)校教育與醫院要求出現脫節。社會(huì )的發(fā)展，醫療體制的改革，媒體的宣傳，民眾的法律意識大大加強，一系列醫療法規的出臺，進(jìn)一步明確了病人的各項權益。病人，這一以往傳統醫學(xué)教學(xué)的主體更多的選擇拒絕配合教學(xué)工作。而近年來(lái)醫療糾紛的增多與醫患關(guān)系的緊張，出于自身利益的考慮，醫院的教學(xué)性能不斷削弱。醫學(xué)院校在臨床醫學(xué)教育中的常規模式是：理論教學(xué)+單項技能訓練——見(jiàn)習——臨床實(shí)習。但由于種種原因，見(jiàn)習不能有效開(kāi)展，從而導致“理論教學(xué)+單項技能訓練”這一教學(xué)模式的形成?；谝陨犀F實(shí)情況，醫學(xué)院校內教學(xué)的尷尬局面迫切需要改變。將“模擬教學(xué)”引入校內教學(xué)流程，形成“理論教學(xué)+單項技能訓練——模擬教學(xué)——臨床實(shí)習”新型的臨床醫學(xué)教學(xué)模式。該系統結構簡(jiǎn)單，通過(guò)模型人的方式再現臨床醫學(xué)的工作場(chǎng)景，為學(xué)習者提供了一個(gè)無(wú)風(fēng)險學(xué)習臨床知識和技能的條件和環(huán)境。

2．1 主控制器芯片的選擇

主控制器是整個(gè)系統的核心部分，主控制器芯片的選擇關(guān)系到整個(gè)系統功能的實(shí)現與否。本系統要實(shí)現語(yǔ)音播放、無(wú)線(xiàn)收發(fā)、多路模擬開(kāi)關(guān)、電源低功耗、上位機教學(xué)等功能，所以就要求該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲器或者一些其他芯片)，并且功耗較低，調試方便等。綜合上述因素，主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產(chǎn)的MSP430，因為該系統是便攜式心肺聽(tīng)診系統，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：標準模式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種節點(diǎn)模式和6 ms內從等待模式喚醒；

16位RISC指令結構和125 ns指令周期；

12位A／D轉換和內部參考電壓、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，安全熔絲保護程序代碼；

內含60 KB閃存，2 KB隨機存儲器。

2．2 語(yǔ)音播放

語(yǔ)音播放是本系統一個(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)音數據的存儲，另一個(gè)是語(yǔ)音的編解碼和播放。由于WAV波形數據占用的空間較大，所以有必要先對原始數據進(jìn)行壓縮編碼。因此該系統選用中青世紀科技公司開(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，其音質(zhì)水平，價(jià)格都要略?xún)?yōu)于著(zhù)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)音單片機和FLASH RAM存儲器集合構成，它既有13～100 s的多段語(yǔ)音播放功能，也有單片機可編程的智能特性，該芯片具有如下特點(diǎn)：

可存儲聲音長(cháng)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結構，可以反復擦寫(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計，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，因為PM50芯片只能連接一路揚聲器，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)對本系統來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的選擇。

2．4 無(wú)線(xiàn)模塊的設計

無(wú)線(xiàn)模塊的設計包括兩個(gè)部分：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括PCB圖的布局走線(xiàn)和天線(xiàn)設計兩方面，軟件設計主要是通信協(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，這樣可以在PCB板的另外一側進(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)模塊穩定工作的重要保障之一。通信協(xié)議除了規定應答關(guān)系之外，檢錯也是一個(gè)重要環(huán)節。目前比較常用的檢錯方法是循環(huán)冗余校驗(CRC校驗)，其特征是信息字段和長(cháng)度字段的長(cháng)度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是：若設碼字長(cháng)度為N，信息字段長(cháng)度為K，校驗字段長(cháng)度為R，其中N=K+R，則對于CRC碼集中的任一碼字，當且存在一個(gè)R次的多項式g(x)，使得：

式中：m(x)為K次信息多項式；r(x)為R-1次校驗多項式；g(x)為生成多項式。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式與生成多項式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)品的設計中，為避免頻繁更換電池，延長(cháng)產(chǎn)品的一次使用時(shí)間，低功耗設計一直是重中之重。電源模塊主要用于對電池組的管理，并給系統的其他模塊供電。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。本系統采用的是兩節電池供電的方式，具有升降壓功能的DC／DC電源芯片。良好的電源模塊設計可以有效提高電池的利用效率，維持穩定的電壓，減少電源紋波，增大輸出電流。

2．6 低功耗設計

由于本系統采用的是兩節干電池供電的方式，對系統功耗要求比較高。為了延長(cháng)電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池，在系統設計的各個(gè)環(huán)節都要考慮到低功耗的設計要求。低功耗設計就是要降低系統時(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(cháng)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)檢測應答信號，只有當接收到應答信號時(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的功耗。

3 上位機教學(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，上位機根據收到的位置信號來(lái)控制上位機軟件界面的顯示，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，另外還可以外接揚聲器放大播放所聽(tīng)到的心肺聲音，達到醫學(xué)教學(xué)的目的。上位機界面的設計框圖如圖3所示。

4 結語(yǔ)

MSP430系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下特點(diǎn)：強大的處理能力；采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結構；具有豐富的尋址方式；簡(jiǎn)潔的27條內核指令以及片內數據存儲器都可以參加多重運算；高效的查表處理指令；較高的處理速度，在8 MHz晶體驅動(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系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當系統處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求將它喚醒只用6μs。

本系統的優(yōu)點(diǎn)是由于系統利用MSP430超低功耗性能，因此設計具有很高的實(shí)用性和穩定性，并且該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的I／O口，兼容一些外部芯片，調試方便等優(yōu)點(diǎn)。系統用普通聽(tīng)診器去測試心肺音，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)，不僅對于提高現階段我國醫學(xué)模擬教學(xué)的水平具有重要的現實(shí)意義，同時(shí)也具有良好的市場(chǎng)前景。