基于MSP430的便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設計

　　隨著近年來微電子技術的快速發(fā)展和工藝的進步，醫(yī)用電子領域中，常用的一些醫(yī)療監(jiān)護設備有向著便攜式、微型化及家庭化發(fā)展的新趨勢，一些小型化、簡便易用的監(jiān)護儀器在社區(qū)醫(yī)療、家庭護理方面扮演著越來越重要的角色。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的基礎。

　　系統(tǒng)設計

　　為滿足社區(qū)、家庭醫(yī)療監(jiān)護的需要，便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)往往需要在現(xiàn)場采集并存儲一些人體生理信號的相關數(shù)據(jù)，如心電信號、血氧飽和度、心率及體溫等，以達到監(jiān)控人體重要生理參數(shù)的目的，并能夠對這些生理參數(shù)的信號進行相應的識別和處理(如關鍵指標不正常時自動報警)，能夠提供簡便的人機交互界面，數(shù)據(jù)可以傳輸給PC機進行后續(xù)的處理。便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

　　考慮到本系統(tǒng)的應用需求，系統(tǒng)總體設計中尤其要滿足微功耗、微型化和可靠性的要求，系統(tǒng)內的電路設計、電路形式、器件選擇和電路板制作均應緊密圍繞這三點展開。

　　圖1中傳感器、血氧模塊、信號調理模塊構成了系統(tǒng)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)過信號調理模塊的放大、濾波等處理。血氧模塊能夠通過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)有供二次開發(fā)使用的監(jiān)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(shù)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放大能力。同時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)絡組成高階有源濾波器。信號調理模塊同時要具有微功耗特點，能夠在單電源下工作，其信號放大范圍要與A/D轉換時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(shù)據(jù)RAM，可以在無需片外A/D芯片的基礎上實現(xiàn)生理信號的采集、接收和處理。

　　數(shù)據(jù)存儲模塊可以根據(jù)存儲容量的不同要求，選擇不同形式的數(shù)據(jù)存儲芯片。

　　顯示與鍵盤接口模塊提供了設置和操作系統(tǒng)的鍵盤接口，并通過圖形點陣液晶實現(xiàn)漢字菜單顯示、生理參數(shù)的數(shù)值顯示和波形回放等功能，為系統(tǒng)提供智能化的人機交互界面。

　　時鐘模塊為系統(tǒng)提供實時的時間坐標。

　　數(shù)據(jù)通信模塊提供本系統(tǒng)與PC機之間的數(shù)據(jù)交換手段，既可以是串行、USB、TCP/IP網(wǎng)絡通信等有線接口方式；又可以通過無線收發(fā)芯片組建一個固定頻點下(如433MHz)的無線通信網(wǎng)絡。

　　電源模塊為系統(tǒng)內的模擬和數(shù)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(qū)管理功能，其輸出質量直接關系到系統(tǒng)的精度和可靠性。

　　便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的現(xiàn)場使用性要求其電流消耗小，以降低系統(tǒng)的功耗，延長電池的使用時間。因此，微功耗設計是系統(tǒng)總體設計的重要內容。微功耗設計的核心是最小功耗系統(tǒng)的設計，它不僅能降低系統(tǒng)功耗，還使系統(tǒng)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層次限制，這種豐富的中斷能力減少了系統(tǒng)查詢的需要，可以方便地設計出基于中斷結構的數(shù)據(jù)采集及存儲程序。

　　采用MSP430F149作為便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的中央控制單元，提升了系統(tǒng)的先進性、可靠性和集成度。

　　數(shù)據(jù)存儲器

　　在便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)存儲容量要求不高的情況下(幾十K字節(jié)以內)，可以通過一定的軟件設計技巧將數(shù)據(jù)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(tǒng)采集到的人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)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(jié)省專用的數(shù)據(jù)存儲芯片，使得在便攜式監(jiān)護系統(tǒng)中，一片16位微控制器—F149芯片就足以替代以前“單片機+數(shù)據(jù)存儲芯片+A/D芯片”的常規(guī)組合，既降低了成本又有效提高了系統(tǒng)的集成度。

　　對于數(shù)據(jù)存儲容量在幾百K～1M字節(jié)的，可以采用I2C接口的AT24LC系列數(shù)據(jù)存儲芯片，尤其若干個AT24LC系列芯片進行級聯(lián)后存儲容量可以大幅提高。

　　對于需要實時存儲多通道生理參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)護系統(tǒng)，可采用ATMEL公司的AT45系列SPI串行接口低電壓FLASH存儲器。

　　對于更進一步的數(shù)據(jù)存儲容量要求(1G字節(jié)以上)可以考慮目前優(yōu)盤中常用的并行高容量FLASH存儲芯片，其缺點是占用MCU的I/O資源過多，功耗稍高。

　　數(shù)據(jù)采集

　　F149的A/D轉換模塊ADC12具有四種轉換模式：單通道單次轉換、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(jiān)護系統(tǒng)中往往需要采集多通道、連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，則序列通道單次轉換模式的時序控制較為簡單，靈活性較高。

　　采用序列通道單次轉換模式時，應相應設置控制寄存器ADC12CTL1的SHP＝1，同時將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)采樣定時器。定時器A可以工作在增計數(shù)模式，其定時間隔就是A/D轉換的采樣時間間隔。采用定時器輸出信號觸發(fā)采樣的優(yōu)點在于：能精確控制采樣時間間隔；由于采用硬件定時，因此MCU可以在定時間隔內進入休眠狀態(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(shù)據(jù)采集過程中應注意以下幾個問題：

　　·避免可能的“丟幀”問題，即要注意數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲之間的時序配合。解決方法是：在F149的數(shù)據(jù)RAM內開辟兩塊緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小與FLASH存儲器的一個存儲頁面的大小相同。利用兩塊緩沖區(qū)切換，并結合FLASH存儲器的頁面批量數(shù)據(jù)寫入功能，使得采樣數(shù)據(jù)能及時存儲。

　　·數(shù)據(jù)采集過程中保證穩(wěn)定的時鐘源。應注意在F149進入低功耗休眠狀態(tài)時，保證相應的時鐘信號可用，否則會引起采樣時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。

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

　　電源模塊

　　由于便攜式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)內往往同時存在模擬和數(shù)字電路，電源模塊必須對模擬電路和數(shù)字電路部分同時供電。

　　便攜式監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)護系統(tǒng)電源模塊的結構圖。

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

　　結語

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