基于MSP430的便攜式醫療監護系統的設計

　　隨著(zhù)近年來(lái)微電子技術(shù)的快速發(fā)展和工藝的進(jìn)步，醫用電子領(lǐng)域中，常用的一些醫療監護設備有向著(zhù)便攜式、微型化及家庭化發(fā)展的新趨勢，一些小型化、簡(jiǎn)便易用的監護儀器在社區醫療、家庭護理方面扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。這其中，基于微功耗架構設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(shí)的基礎。

　　系統設計

　　為滿(mǎn)足社區、家庭醫療監護的需要，便攜式醫療監護系統往往需要在現場(chǎng)采集并存儲一些人體生理信號的相關(guān)數據，如心電信號、血氧飽和度、心率及體溫等，以達到監控人體重要生理參數的目的，并能夠對這些生理參數的信號進(jìn)行相應的識別和處理(如關(guān)鍵指標不正常時(shí)自動(dòng)報警)，能夠提供簡(jiǎn)便的人機交互界面，數據可以傳輸給PC機進(jìn)行后續的處理。便攜式醫療監護系統的結構框圖如圖1所示。

　　考慮到本系統的應用需求，系統總體設計中尤其要滿(mǎn)足微功耗、微型化和可靠性的要求，系統內的電路設計、電路形式、器件選擇和電路板制作均應緊密?chē)@這三點(diǎn)展開(kāi)。

　　圖1中傳感器、血氧模塊、信號調理模塊構成了系統內的前向通道。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換為電信號，其輸出信號需要經(jīng)過(guò)信號調理模塊的放大、濾波等處理。血氧模塊能夠通過(guò)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(kāi)發(fā)使用的監測血氧飽和度、心率等的集成電路板，其內往往已經(jīng)集成了相應信號處理的內核，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，信號調理模塊中的信號放大電路應具有較強的共模抑制和差動(dòng)放大能力。同時(shí)信號調理模塊中的濾波器應采用同相結構的精密運放和RC網(wǎng)絡(luò )組成高階有源濾波器。信號調理模塊同時(shí)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轉換時(shí)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，其片內具有較高精度的多通道A/D功能模塊、大容量的FLASH ROM和數據RAM，可以在無(wú)需片外A/D芯片的基礎上實(shí)現生理信號的采集、接收和處理。

　　數據存儲模塊可以根據存儲容量的不同要求，選擇不同形式的數據存儲芯片。

　　顯示與鍵盤(pán)接口模塊提供了設置和操作系統的鍵盤(pán)接口，并通過(guò)圖形點(diǎn)陣液晶實(shí)現漢字菜單顯示、生理參數的數值顯示和波形回放等功能，為系統提供智能化的人機交互界面。

　　時(shí)鐘模塊為系統提供實(shí)時(shí)的時(shí)間坐標。

　　數據通信模塊提供本系統與PC機之間的數據交換手段，既可以是串行、USB、TCP/IP網(wǎng)絡(luò )通信等有線(xiàn)接口方式；又可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片組建一個(gè)固定頻點(diǎn)下(如433MHz)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )。

　　電源模塊為系統內的模擬和數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管理功能，其輸出質(zhì)量直接關(guān)系到系統的精度和可靠性。

　　便攜式醫療監護系統的現場(chǎng)使用性要求其電流消耗小，以降低系統的功耗，延長(cháng)電池的使用時(shí)間。因此，微功耗設計是系統總體設計的重要內容。微功耗設計的核心是最小功耗系統的設計，它不僅能降低系統功耗，還使系統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，其功耗可以達到微安級。

　　F149的軟件結構也針對低功耗而設計，從備用模式喚醒MCU僅需6μS。中斷和子程序調用無(wú)層次限制，這種豐富的中斷能力減少了系統查詢(xún)的需要，可以方便地設計出基于中斷結構的數據采集及存儲程序。

　　采用MSP430F149作為便攜式醫療監護系統的中央控制單元，提升了系統的先進(jìn)性、可靠性和集成度。

　　數據存儲器

　　在便攜式醫療監護系統中，在數據存儲容量要求不高的情況下(幾十K字節以?xún)?，可以通過(guò)一定的軟件設計技巧將數據存儲在MCU內的FLASH存儲器中。F149內有60KB的FLASH ROM，由2段信息存儲器和118段主存儲器構成，主存儲器中除了放置控制程序的存儲段以外，系統采集到的人體生理參數數據也可以逐段地依次存入到其它的空余存儲段中。這樣就可以節省專(zhuān)用的數據存儲芯片，使得在便攜式監護系統中，一片16位微控制器—F149芯片就足以替代以前“單片機+數據存儲芯片+A/D芯片”的常規組合，既降低了成本又有效提高了系統的集成度。

　　對于數據存儲容量在幾百K～1M字節的，可以采用I2C接口的AT24LC系列數據存儲芯片，尤其若干個(gè)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(shí)存儲多通道生理參數數據的監護系統，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)一步的數據存儲容量要求(1G字節以上)可以考慮目前優(yōu)盤(pán)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(guò)多，功耗稍高。

　　數據采集

　　F149的A/D轉換模塊ADC12具有四種轉換模式：?jiǎn)瓮ǖ绬未无D換、單通道重復轉換、序列通道單次轉換及序列通道重復轉換。在監護系統中往往需要采集多通道、連續變化的數據，則序列通道單次轉換模式的時(shí)序控制較為簡(jiǎn)單，靈活性較高。

　　采用序列通道單次轉換模式時(shí)，應相應設置控制寄存器ADC12CTL1的SHP＝1，同時(shí)將SHS(采樣輸入信號源選擇控制位)設置為1，即由F149內的Timer_A.OUT1觸發(fā)采樣定時(shí)器。定時(shí)器A可以工作在增計數模式，其定時(shí)間隔就是A/D轉換的采樣時(shí)間間隔。采用定時(shí)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(shí)間間隔；由于采用硬件定時(shí)，因此MCU可以在定時(shí)間隔內進(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計原則。

　　在數據采集過(guò)程中應注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　·避免可能的“丟幀”問(wèn)題，即要注意數據采集和數據存儲之間的時(shí)序配合。解決方法是：在F149的數據RAM內開(kāi)辟兩塊緩沖區，緩沖區大小與FLASH存儲器的一個(gè)存儲頁(yè)面的大小相同。利用兩塊緩沖區切換，并結合FLASH存儲器的頁(yè)面批量數據寫(xiě)入功能，使得采樣數據能及時(shí)存儲。

　　·數據采集過(guò)程中保證穩定的時(shí)鐘源。應注意在F149進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)時(shí)，保證相應的時(shí)鐘信號可用，否則會(huì )引起采樣時(shí)間間隔上的嚴重誤差甚至錯誤，而這種錯誤往往還不易察覺(jué)。

　　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都是緩慢變化的，很多情況下無(wú)需以很高的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集，對變化較緩慢的生理參數如體溫可以1分鐘采集和記錄一次數據。另一方面，通過(guò)在軟件上采用可伸縮尺度的存儲方法也能大大節省數據存儲空間，即始終以恒定的采樣率進(jìn)行生理信號的連續采集并放入F149的數據緩沖區內，但對經(jīng)識別連續正常的生理信號采用相對長(cháng)的存儲時(shí)間間隔，而對識別到的異常生理信號進(jìn)行連續實(shí)時(shí)記錄(即采集到多少數據就連續存儲多少數據)。這樣可以有效節省數據存儲空間，并降低了平均功耗。

　　電源模塊

　　由于便攜式醫療監護系統內往往同時(shí)存在模擬和數字電路，電源模塊必須對模擬電路和數字電路部分同時(shí)供電。

　　便攜式監控系統中一般可采用堿性或可充電電池組成的電池組供電。

　　圖2是便攜式監護系統電源模塊的結構圖。

　　采用中央控制單元、模擬電路和數字電路分別單獨供電的電源結構。系統中，由MCU控制DC-DC升壓變換電路的開(kāi)、關(guān)，實(shí)現對模擬電路的供電管理；由MCU控制3V低壓差穩壓電路的使能引腳，以控制數字電路部分的供電。

　　結語(yǔ)

　　功能強大的MSP430F149芯片為便攜式醫療監護系統提供了微功耗、高性能及低成本的微控制器選擇。同時(shí)，本文結合監護系統的總體設計思路和微功耗、可靠性設計原則，詳細討論了能夠長(cháng)時(shí)間記錄人體生理參數數據的數據采集和存儲部分，及能夠提供高質(zhì)量電源輸出的電源模塊的設計思路和具體實(shí)現方法。這些設計方案都在實(shí)用中取得了很好的效果。