基于MSP430單片機及USB總線(xiàn)的便攜式血壓計的設計

　　目前,市場(chǎng)上的血壓計大部分仍是水銀血壓計,電子血壓計在國外已經(jīng)大量普及,而我國才開(kāi)始應用。水銀血壓計每次測量必須由醫生戴上聽(tīng)診器進(jìn)行測量,測量過(guò)程復雜,而且不同的醫生,測量結果可能不同。而電子血壓計彌補了水銀血壓計的不足。本文使用低功耗MSP430單片機對人體血壓信號進(jìn)行采集,通過(guò)USB控制芯片CH375將這些數據存儲到U盤(pán)中,可以通過(guò)PC機的軟件分析一天中血壓的變化。

　　1 硬件設計

　　1.1芯片介紹

　　MSP430是近幾年流行的16位單片機,由于它具有超低功耗(在5V電壓下運行于12MHz的80C51工作電流達到十幾mA;而MSP430在3V時(shí)的工作電流為340μA,在2.2V的工作電流為220μA)、眾多的片內外設、強大的數據處理能力、系統工作穩定、方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境等特點(diǎn),被廣泛應用在各種工業(yè)儀表中。加之筆者對430單片機比較了解,在本設計中選用了其中的一種MSP430F149,由于該設計中對單片機的外設模塊只要求有A/D轉換模塊,所以可以選用MSP430中較便宜的系列。

　　CH375是南京沁恒有限公司生產(chǎn)的USB總線(xiàn)的通用接口芯片,支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設備方式。CH375具有8位數據總線(xiàn)和讀、寫(xiě)、片選控制線(xiàn)以及中斷輸出,可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統總線(xiàn)上。在USB主機方式下,CH375還提供了串行通訊方式,通過(guò)3根線(xiàn),即串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機/DSP/MCU/MPU等相連接。本文用的是從南京沁恒有限公司申請的樣片。LCM用的是16×2的HS162-4。自建了自定義字符,實(shí)現了簡(jiǎn)單顯示“血壓是:XXX.X”。本文中使用HS162-4為的是試驗方便,若是用到實(shí)際產(chǎn)品中,可以換用其他種類(lèi)。

　　選擇Motorola公司壓力傳感器MPX5050GP,其內部含有信號運放和信號調節功能,可以直接將動(dòng)脈血液對血管壁的壓力轉換為0V～4.7V的電信號,其對應的血壓值為0kPa～49.875kPa(0mmHg～375mmHg)。傳感器采集到的信號送入單片機的AD12模塊前要標度變換,即電平平移。

　　1.2工作原理

　　血壓傳感器將用戶(hù)的血壓變換成電壓信號,經(jīng)過(guò)濾波器送到149單片機的AD12模塊中,再經(jīng)過(guò)單片機處理后在LCM上顯示,隨時(shí)可以看到血壓值。并且這些數據可以通過(guò)CH375儲存在U盤(pán)中,在方便時(shí)將U盤(pán)插到PC機上,可以通過(guò)上位機軟件進(jìn)行觀(guān)察,這樣醫生可以從整體上了解患者的血壓變化情況,從而做出正確的診療結果。

　　1. 3系統框圖

　　MSP430單片機使用串口方式同CH375相連,將數據寫(xiě)入U盤(pán)。圖1為其原理框圖。

　　1.4硬件設計中遇到的問(wèn)題

　　在混合電壓系統中,不同電源電壓的邏輯器件相互接口時(shí)會(huì )存在以下3個(gè)主要問(wèn)題:一是加到輸入和輸出引腳上允許的最大電壓限制問(wèn)題;二是兩個(gè)電源間電流的互串問(wèn)題;三是必須滿(mǎn)足的輸入轉換門(mén)限電平問(wèn)題。

　　器件對加到輸入和輸出腳的電壓通常是有限制的。這些引腳有二極管或分離元件流向電源。例如3V器件的輸入端接上5V信號,則5V電源將會(huì )向3V電源充電,持續的電流會(huì )損壞二極管和電路元件。

　　在等待或掉電方式時(shí),3V電源降落到0V,大電流將流通到地,這使總線(xiàn)上的高電壓被下拉到地,這些情況將引起數據丟失和元件損壞。必須注意的是:不管是在3V工作狀態(tài)或是0V的等待狀態(tài)都不允許電流流向Vcc。

　　所謂輸入轉換門(mén)限電平問(wèn)題,即噪聲容限問(wèn)題。連接在一起的兩個(gè)邏輯器件要想正常工作,必須滿(mǎn)足高、低噪聲容限都為正值。本文中CH375采用5V電源供電,MSP430F149采用3.3V供電。

　　CH375和MSP430F149的噪聲容限值見(jiàn)表1。

　　MSP430F149驅動(dòng)CH375時(shí),高噪聲容限=2.75V-2V=0.75V;低噪聲容限=0.7V-0.25V=0.45V。

　　CH375驅動(dòng)MSP430F149時(shí),高噪聲容限=4.5V-1.9V=2.7V;低噪聲容限=0.9V-0.5V=0.4V。

　　由于噪聲容限都為正值,所以MSP430F149和CH375可以直接相連正常工作。

　　2 軟件設計

　　2.1串行數據格式問(wèn)題

　　由于采用串行接口,串行數據格式必須一致。CH375的串行數據格式為:1個(gè)起始位、9個(gè)數據位、1個(gè)停止位,其中前8個(gè)數據位是一個(gè)字節數據,最后1個(gè)數據位是命令標志位。第9位為0時(shí),前8位的數據被寫(xiě)入CH375芯片中,第9位為1時(shí),前8位被作為命令碼寫(xiě)入CH375芯片中。CH375的串行通訊波特率默認是9600b/s,單片機可以隨時(shí)通過(guò)SET_BAUDRATE命令選擇合適的通訊波特率。MSP430的通用串行通信模塊分異步模式和同步模式。

　　異步通信的幀格式:1位起始位、7位或8位數據位、校驗位(可奇/可偶/可無(wú))、1位地址位(地址模式時(shí))和1位或2位停止位。異步模式又分空閑多機模式和地址位多機模式。同步模式下,允許7位或8位數據流移入或移出MSP430單片機。

　　對照375的串行數據格式,筆者選用異步模式中的地址位多機模式。這種模式下,字符包含一個(gè)附加的位作為地址標志。數據塊的第一個(gè)字符帶有一個(gè)置位的地址位,表明該字符是一個(gè)地址。結合375的串行數據格式,把430的地址位看作第9位,可以模擬375的串行數據格式。

　　如果選用沒(méi)有串行通信模塊的430單片機,也可以選用串行方式,解決方法是用普通的IO口模擬串行通信的時(shí)序,當然要用到定時(shí)器Timer?？梢杂脙蓚€(gè)函數實(shí)現寫(xiě)命令和寫(xiě)數據的功能,程序中要用到位處理指令&,<<,>>等?，F給出部分代碼程序:

　　2.2軟件濾波程序問(wèn)題

　　雖然硬件用了濾波器,在軟件中也要編寫(xiě)濾波程序,常用的軟件濾波方法有11種,如限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法等。文中采用中位值平均濾波法,即相當于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”,連續采樣N個(gè)數據,去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,然后計算N-2個(gè)數據的算術(shù)平均值。N值的選取:3～14。其優(yōu)點(diǎn)是融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn),可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差;其缺點(diǎn)是測量速度較慢,和算術(shù)平均濾波法一樣,比較浪費RAM。由于血壓計對測量速度要求不高,而且149的RAM有2kb,所以選用該濾波方法。

　　2.3U盤(pán)讀寫(xiě)文件格式問(wèn)題

　　對U盤(pán)的讀寫(xiě)分為兩類(lèi):把U盤(pán)當作存儲器,按照文件格式讀寫(xiě)U盤(pán)。前者讀寫(xiě)速度快,操作簡(jiǎn)單,但計算機不能直接讀取寫(xiě)入的數據;后者由于按照文件格式,計算機可以直接看到相應的數據。公司子程序庫提供U盤(pán)文件操作的API,對于普通用戶(hù)可以直接調用這些API讀寫(xiě)U盤(pán),且可以與計算機無(wú)縫連接,但要求有600kb的RAM,若用51單片機則需要外擴RAM。由于筆者熟悉430單片機且149有2kb的RAM,滿(mǎn)足要求,這也正是選用430單片機的一個(gè)原因。

　　3 結語(yǔ)

　　試驗證明,該裝置可以將采集到的數據成功地放到U盤(pán)中,因此可以應用到實(shí)踐中去。