MSP430的低功耗人體生理參數(shù)綜合測(cè)量儀

引言

當(dāng)今社會(huì)人們?cè)絹碓疥P(guān)注醫(yī)療衛(wèi)生和保健，敬老院、學(xué)校、部隊(duì)等集體單位體檢時(shí)，身高、體重、心率、肺活量等基本生理參數(shù)的測(cè)量大多是分開進(jìn)行或部分合在一起測(cè)量，并且這些測(cè)量儀器體積較大、操作繁瑣且精度不夠，在很大程度上浪費(fèi)了人力、物力、財(cái)力和體檢時(shí)間。因此，有必要利用現(xiàn)在成熟的電子技術(shù)，運(yùn)用微控制器強(qiáng)大的運(yùn)算、處理和控制能力，設(shè)計(jì)一款低功耗綜合性的測(cè)量儀。

本文采用MSP430F5529單片機(jī)作為主控制器，利用各個(gè)生理參數(shù)測(cè)量傳感器，提出了一種低功耗綜合體質(zhì)測(cè)量儀的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

作為儀表類設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的測(cè)量精度和功耗是主要考慮的因素，因此選用了MSP430F5529單片機(jī)和相應(yīng)高精度低功耗器件。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 主控制器

MSP430F5529是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)，簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算;具有高效的查表處理指令，這些特點(diǎn)保證了

單片機(jī)可編制出高效率的源程序。其能在25 MHz晶振的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)40 ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40 ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算)相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法(如FFT等)，內(nèi)部具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，速度快、精度高。它在降低芯片的電源電壓和靈活可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面設(shè)計(jì)出色，具有超低功耗。

1.2 身高檢測(cè)模塊

身高檢測(cè)模塊采用WF20D電阻式位移傳感器，獨(dú)立線性公差為精密級(jí)±0.1%，拉線長度為1000 mm，外形小巧、堅(jiān)固耐用、安裝方便，通過該傳感器可以將身高物理量轉(zhuǎn)換成電阻值。電路原理如圖2所示，利用穩(wěn)壓管TL431產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓給拉線電位器供電，同時(shí)接入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器通道1，拉線電位器輸出端接一跟隨器之后，再經(jīng)過RC低通濾波電路接入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器通道2，這樣設(shè)計(jì)有助于消除A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差并可有效抑制溫漂，在接下來的軟件設(shè)計(jì)中會(huì)有身高測(cè)量值的具體計(jì)算方法。

1.3 體重檢測(cè)模塊

體重檢測(cè)模塊的傳感器為HX—Z系列雙孔懸梁形式壓力傳感器，其量程為200 kg，精度為0.01 kg，誤差±0.05kg。該傳感器精度高、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抗偏載能力強(qiáng)。

為了提高測(cè)量精度，使用外置24位A/D轉(zhuǎn)換電路HX711，HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等外圍電路以及低噪聲可編程放大器，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了測(cè)量儀的整機(jī)成本，

提高了整機(jī)的性能和可靠性。設(shè)計(jì)中通過編程設(shè)置放大倍數(shù)為64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±40 mV。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接為外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件，上電自動(dòng)復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程，芯片與MCU通過I2C總線串行通信，接口簡單方便。體重檢測(cè)模塊電路圖如圖3所示。

1.4 肺活量檢測(cè)模塊

肺活量檢測(cè)模塊采用高精度MPX系列硅壓力傳感器MPX5010，MPX系列是電壓輸出型壓力變送器模塊，采用壓力傳感器作為敏感元件并集成了數(shù)字調(diào)理芯片，對(duì)傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償。其內(nèi)部集成了信號(hào)放大電路，傳感器測(cè)壓范圍為0～10 kPa，滿量程電壓為5 V，具有集成度高、體積小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、溫度范圍寬等卓越特性。采用MSP430內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，對(duì)氣體流動(dòng)壓力進(jìn)行軟件積分即可測(cè)量出人體呼氣的流量，經(jīng)過標(biāo)定從而計(jì)算出人體肺活量。

1.5 心率檢測(cè)模塊

心率檢測(cè)采用HKG—07系列傳感器，該傳感器利用紅外線檢測(cè)，由于心臟跳動(dòng)而引起的手指尖內(nèi)微血管容積發(fā)生的變化，經(jīng)過信號(hào)放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)(如圖4所示)，經(jīng)過單片機(jī)簡單計(jì)算即可得到心率數(shù)值。該產(chǎn)品采用高度集成化工藝，將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號(hào)調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)主要用于臨床上心率的計(jì)數(shù)、監(jiān)測(cè)等。

1.6 實(shí)時(shí)日歷時(shí)間模塊

采用美國DALLAS公司推出的具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302。它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768 kHz晶振，工作電壓為2.5～5.5 V，采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。日歷時(shí)間模塊電路圖如圖5所示。

1.7 打印機(jī)接口和RS232通信接口

設(shè)計(jì)中選擇具有串口通信功能的MP-320T熱敏微型80 mm小票據(jù)打印機(jī)，按下打印按鍵時(shí)，MSP430將日期時(shí)間和各項(xiàng)測(cè)量的參數(shù)通過串口發(fā)送給打印機(jī)進(jìn)行打印。

2 軟件程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用MSP430為主控制器，利用C語言進(jìn)行編程，簡單明了，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電初始化之后，顯示時(shí)間和日期等信息，等待各被測(cè)者生理參數(shù)的測(cè)量。程序主流程圖如圖6所示，在主循環(huán)中實(shí)時(shí)讀取各參數(shù)的值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，待測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定之后單片機(jī)自動(dòng)將數(shù)據(jù)裝入數(shù)組u32 LAST_Data[]，數(shù)據(jù)格式為測(cè)量編號(hào)、日期時(shí)間、身高、體重、肺活量、心率、血壓，每個(gè)數(shù)據(jù)各占4個(gè)字節(jié)。

2.2 各模塊子程序設(shè)計(jì)

在各個(gè)參數(shù)測(cè)量中，為了減小誤差采用了均值濾波，在測(cè)量身高的時(shí)候同時(shí)將2.5 V基準(zhǔn)電壓接入單片機(jī)A/D通道1，身高傳感器(拉線電位器)的輸出電壓接入單片機(jī)A/D通道2，轉(zhuǎn)換之后分別得到數(shù)字量H_Data_refer和H_Data。選用的身高傳感器量程是100～200 mm，實(shí)際身高為H_Real=(1000×H_Data/H_Data_refer+1000)，可精確到2 mm。

肺活量測(cè)量時(shí)，采樣周期為5 ms，具體為采用定時(shí)器定時(shí)5 ms，每5 ms進(jìn)入一次服務(wù)程序，對(duì)傳感器前后兩次輸出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)差值大于最小臨界點(diǎn)時(shí)即自動(dòng)開始對(duì)傳感器氣流壓力進(jìn)行軟件積分，每5 ms累積一次，然后當(dāng)小于最小臨界點(diǎn)時(shí)判斷測(cè)量完畢并停止積分。經(jīng)過標(biāo)定即可得到最終肺活量的數(shù)值。

心率檢測(cè)傳感器已經(jīng)把心率信號(hào)調(diào)理成同步脈沖，利用定時(shí)器外部脈沖觸發(fā)，上升沿到來使能定時(shí)，為了減小誤差，累計(jì)10次上升沿的時(shí)間，心率計(jì)算公式為H_Rate=60×10/(T2-T1)。

程序分模塊設(shè)計(jì)，各模塊調(diào)試、參數(shù)標(biāo)定、精度調(diào)節(jié)分開進(jìn)行，軟件系統(tǒng)具有很大的靈活性。

結(jié)語

選取5組被測(cè)者對(duì)本測(cè)量儀的測(cè)量精度進(jìn)行測(cè)試。通過現(xiàn)有機(jī)械式和在售的分立式電子測(cè)量儀所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所列。

身高測(cè)量中由于讀數(shù)等存在誤差，使得該測(cè)量儀器和實(shí)際測(cè)量存在≤5 cm的誤差可能性;體重對(duì)比測(cè)量時(shí)，由于機(jī)械式體重表本身精度就不高，測(cè)量數(shù)據(jù)具有 ≤0.5 kg的誤差;在肺活量測(cè)量時(shí)采用市場在售的電子式肺活量測(cè)量儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，無法保證同一被測(cè)對(duì)象兩次肺活量完全相同，也無法保證被測(cè)對(duì)象兩次的吹氣速度，這使得測(cè)量結(jié)果具有≤60 mm的誤差。心率對(duì)比測(cè)量采用人工方法，由于起始和結(jié)束時(shí)間的掌握不準(zhǔn)使得結(jié)果存在±2最大誤差。同時(shí)，還對(duì)同一被測(cè)對(duì)象進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，結(jié)果表明本測(cè)量儀具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。