基于MXT8051的便攜式多功能體檢計系統(tǒng)設(shè)計

社會節(jié)奏的加快導(dǎo)致人們照顧小孩(尤其是嬰幼兒)、老人的時間和精力都大為減少，而嬰幼兒患肺炎等一系列疾病都會在其體溫、呼吸頻率等指標(biāo)上得以反映(醫(yī)學(xué)表明肺炎患者的呼吸頻率明顯異常)，老年疾病則體現(xiàn)在血壓等指標(biāo)上。

另外，現(xiàn)代社會的人對鍛煉身體的重視程度不斷提高，越來越多的人加入到了運動的行列，而如何衡量自己鍛煉的質(zhì)量以及鍛煉后的身體狀況，這卻需要運動愛好者有自我保健意識，比如了解自己在訓(xùn)練完畢一定時間后，脈搏、呼吸頻率等體能指標(biāo)是否已恢復(fù)到正常狀態(tài)(正常情況下，運動結(jié)束后，在規(guī)定的數(shù)分鐘內(nèi)，心率和呼吸頻率等都應(yīng)逐步恢復(fù))。

上述兩方面的需求告訴我們，有必要設(shè)計一些簡單方便的醫(yī)療電子系統(tǒng)來輔助人們照顧嬰幼兒、老年人等群體，用于監(jiān)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;同時也用于輔助測量脈搏等與運動相關(guān)的體能指標(biāo)，供運動愛好者監(jiān)管自己運動后的身體狀態(tài)。

但是，目前市場上類似的醫(yī)療電子產(chǎn)品多為單一功能系統(tǒng)，限制了應(yīng)用范圍，而隨著 “系統(tǒng)集成化”的發(fā)展趨勢一步步推進(jìn)，只能實現(xiàn)上述單一功能的單一系統(tǒng)將逐步被淘汰，設(shè)計出能實現(xiàn)綜合功能的系統(tǒng)則是大勢所趨。

本文基于北京時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(nèi)部資源，同時合理選擇外圍器件，給出了集血壓測量、體溫測量、呼吸頻率測量、脈搏測量等多個功能為一體的便攜式體檢計的設(shè)計方案，并試圖追求低功耗、高精度、高速度等特色，對產(chǎn)品的最終實現(xiàn)有一定的參考價值。

系統(tǒng)總體設(shè)計

MXT8051簡介

MXT8051是北京時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(shù)模外設(shè)，諸如數(shù)字部分的上電復(fù)位、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、串口(UART)、看門狗(WDT)、實時時鐘、內(nèi)部振蕩器和外部時鐘可選等模塊;模擬部分的4通道10位AD轉(zhuǎn)換器、可編程增益放大器(PGA)、運算放大器(OP)、4com*36seg LCD driver等模塊。

憑借著將高性能的數(shù)模外設(shè)嵌入到低功耗的MCU中，以MXT8051為核心器件來實現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的片上系統(tǒng)化相對容易很多。

系統(tǒng)組成

本文所給出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計的設(shè)計方案，正是充分利用了MXT8051所提供的豐富的片上外設(shè)資源，從而可以僅僅依靠簡單的外圍器件的配合，并通過軟件的協(xié)同工作，將血壓測量、體溫測量、呼吸頻率測量、脈搏測量等多個功能集成在一個便攜的系統(tǒng)上。

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，整個系統(tǒng)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，以語音芯片和LCD為主的輸出顯示模塊，電源及鍵盤等系統(tǒng)控制模塊以及應(yīng)用擴展模塊等。

系統(tǒng)工作原理

由于本系統(tǒng)待實現(xiàn)的功能較多，所以在系統(tǒng)總體設(shè)計階段給出一個較完善的架構(gòu)對后續(xù)的軟硬件設(shè)計至關(guān)重要。

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

針對體溫測量，利用單總線傳感器DS18B20來感知體溫信號，在嚴(yán)格遵循DS18B20時序的情況下，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送往MXT8051處理，利用軟件補償?shù)人惴▉硖岣呔取?/p>

針對呼吸頻率測量，利用兩個熱敏電阻和兩個普通電阻構(gòu)成惠斯頓電橋，一個熱敏電阻感知環(huán)境溫度，另一個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(dǎo)致的橋路輸出變化，從而用電橋壓差信號來表征呼吸動作并輸入到MXT8051內(nèi)部的OP、ADC做模擬前端處理，接著在MXT8051內(nèi)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(zhuǎn)化為電信號，同樣輸入到MXT8051內(nèi)部的OP、ADC做模擬前端處理來實現(xiàn)放大、整形、數(shù)字化等，接著在MXT8051內(nèi)部利用軟件算法做進(jìn)一步的信號處理來達(dá)到脈搏測量的目的。

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

硬件設(shè)計

為達(dá)到充分利用MXT8051片上資源的目的，本文綜合權(quán)衡了各種方案，并合理地選擇外圍器件，力圖用最簡單的外圍電路來保證功能設(shè)計。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，后續(xù)將分別詳細(xì)介紹各個模塊的設(shè)計。

血壓測量模塊設(shè)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(shù)字壓力計及醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已表明其可以勝任本文所要設(shè)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(shè)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接口，只需一個接口引腳即可通信;且它能直接將數(shù)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(shè)計;同時可通過配置內(nèi)部的寄存器使其分辨率達(dá)到0.0625℃。這些特性說明，在硬件上DS18B20已經(jīng)可以承擔(dān)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(shè)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(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計供計量和校準(zhǔn)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(shè)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。