低功耗高精度便攜多功能體檢計(jì)設(shè)計(jì)技巧分享

引言

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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jì)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(yùn)動相關(guān)的體能指標(biāo)，供運(yùn)動愛好者監(jiān)管自己運(yùn)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(shí)現(xiàn)上述單一功能的單一系統(tǒng)將逐步被淘汰，設(shè)計(jì)出能實(shí)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(jī)，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(jì)的設(shè)計(jì)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(xiàn)有一定的參考價值。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(shí)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(yùn)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(shí)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(jì)的設(shè)計(jì)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(jì)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(kuò)展模塊等。

系統(tǒng)工作原理

由于本系統(tǒng)待實(shí)現(xiàn)的功能較多，所以在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)階段給出一個較完善的架構(gòu)對后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)人惴▉硖?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/高精度">高精度。

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(shí)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(jì)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(jì)

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(jì)。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(jì)。

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血壓測量模塊設(shè)計(jì)

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(jì)、數(shù)字壓力計(jì)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(jì)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(jì)

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(dú)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(jī)，從而省去了很多模擬前端的外圍電路設(shè)計(jì);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(jì)

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(jì)供計(jì)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(jì)

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(yùn)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(shè)計(jì)

輸出模塊中，語音芯片可選取Winbond公司的ISD1730單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路。可錄放音十萬次，可處理多達(dá)255段信息，多種采樣頻率對應(yīng)多種錄放時間。這也為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了一定的可能。LCD采用北京時代民芯科技有限公司提供的MXT8051開發(fā)板上的產(chǎn)品。

系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制模塊中，所包含的電源供給電路、時鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤控制電路等需要的器件都可參考由北京時代民芯科技有限公司提供的MXT8051開發(fā)板上的成熟產(chǎn)品，借鑒其接口方式并稍作修改，可滿足預(yù)期要求。其中稍作修改的電源供給原理圖及時鐘電路原理圖如圖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(xiàn)可考慮利用此類已經(jīng)成熟的算法來完成。而呼吸頻率測量和脈搏測量，都可以簡單地利用測量周期再取倒數(shù)的方法來完成，同時為了避免誤差，可以考慮增加樣本數(shù)量等。關(guān)于體溫測量，則需嚴(yán)格遵循DS18B20的初始化時序和讀寫時序。

程序流程圖

將本文提到的設(shè)計(jì)方案投入實(shí)踐中，最終完整實(shí)現(xiàn)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(jié)

本文提出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計(jì)的設(shè)計(jì)方案對該類綜合化醫(yī)療電子設(shè)備產(chǎn)品的最終實(shí)現(xiàn)具有一定的參考價值。由于時間關(guān)系，并未完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。同時在預(yù)期功能之外，還可以做相應(yīng)擴(kuò)展，如利用MXT8051的片上資源----串口(UART)和計(jì)算機(jī)通信，將歷史測量數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)以供醫(yī)學(xué)對比及分析等。

軟件設(shè)計(jì)

算法思想

根據(jù)整個系統(tǒng)模塊劃分的結(jié)果，分析發(fā)現(xiàn)，算法難度較大的應(yīng)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(dāng)然在體溫測量中由于DS18B20的嚴(yán)格時序要求，代碼的編寫需仔細(xì)。