作者：焦純,盧虹冰,周智明

隨著近年來(lái)微電子技術(shù)的快速發(fā)展和工藝的進(jìn)步，醫(yī)用電子領(lǐng)域中，常用的一些醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備有向著便攜式、微型化及家庭化發(fā)展的新趨勢(shì)，一些小型化、簡(jiǎn)便易用的監(jiān)護(hù)儀器在社區(qū)醫(yī)療、家庭護(hù)理方面扮演著越來(lái)越重要的角色。這其中，基于微功耗架構(gòu)設(shè)計(jì)的新型微控制器和一些低功耗優(yōu)勢(shì)明顯的新型器件為這種趨勢(shì)提供了新的助力并為之奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足社區(qū)、家庭醫(yī)療監(jiān)護(hù)的需要，便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)往往需要在現(xiàn)場(chǎng)采集并存儲(chǔ)一些人體生理信號(hào)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如心電信號(hào)、血氧飽和度、心率及體溫等，以達(dá)到監(jiān)控人體重要生理參數(shù)的目的，并能夠?qū)@些生理參數(shù)的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別和處理（如關(guān)鍵指標(biāo)不正常時(shí)自動(dòng)報(bào)警），能夠提供簡(jiǎn)便的人機(jī)交互界面，數(shù)據(jù)可以傳輸給PC機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理。便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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

圖1中傳感器、血氧模塊、信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成了系統(tǒng)內(nèi)的前向通道。傳感器（如測(cè)量心電信號(hào)的電極）用于將人體的微弱生理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)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(cè)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(cè)血氧飽和度、心率等的集成電路板，其內(nèi)往往已經(jīng)集成了相應(yīng)信號(hào)處理的內(nèi)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(hào)，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(hào)，信號(hào)調(diào)理模塊中的信號(hào)放大電路應(yīng)具有較強(qiáng)的共模抑制和差動(dòng)放大能力。同時(shí)信號(hào)調(diào)理模塊中的濾波器應(yīng)采用同相結(jié)構(gòu)的精密運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)組成高階有源濾波器。信號(hào)調(diào)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(hào)放大范圍要與A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所需要的信號(hào)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(nèi)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(wú)需片外A/D芯片的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)的采集、接收和處理。

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

顯示與鍵盤接口模塊提供了設(shè)置和操作系統(tǒng)的鍵盤接口，并通過(guò)圖形點(diǎn)陣液晶實(shí)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(jī)交互界面。

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

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

電源模塊為系統(tǒng)內(nèi)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(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的精度和可靠性。

便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)使用性要求其電流消耗小，以降低系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。因此，微功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。微功耗設(shè)計(jì)的核心是最小功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(diǎn)的16位微控制器，其功耗可以達(dá)到微安級(jí)。

F149的軟件結(jié)構(gòu)也針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，從備用模式喚醒MCU僅需6μS。中斷和子程序調(diào)用無(wú)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(shè)計(jì)出基于中斷結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)程序。

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

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

在便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量要求不高的情況下（幾十K字節(jié)以內(nèi)），可以通過(guò)一定的軟件設(shè)計(jì)技巧將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MCU內(nèi)的FLASH存儲(chǔ)器中。F149內(nèi)有60KB的FLASH ROM，由2段信息存儲(chǔ)器和118段主存儲(chǔ)器構(gòu)成，主存儲(chǔ)器中除了放置控制程序的存儲(chǔ)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(chǔ)段中。這樣就可以節(jié)省專用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，使得在便攜式監(jiān)護(hù)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(jī)+數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)芯片，尤其若干個(gè)AT24LC系列芯片進(jìn)行級(jí)聯(lián)后存儲(chǔ)容量可以大幅提高。

對(duì)于需要實(shí)時(shí)存儲(chǔ)多通道生理參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可采用ATMEL公司的AT45系列SPI串行接口低電壓FLASH存儲(chǔ)器。

對(duì)于更進(jìn)一步的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)芯片，其缺點(diǎn)是占用MCU的I/O資源過(guò)多，功耗稍高。

數(shù)據(jù)采集

F149的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12具有四種轉(zhuǎn)換模式：?jiǎn)瓮ǖ绬未无D(zhuǎn)換、單通道重復(fù)轉(zhuǎn)換、序列通道單次轉(zhuǎn)換及序列通道重復(fù)轉(zhuǎn)換。在監(jiān)護(hù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換模式時(shí)，應(yīng)相應(yīng)設(shè)置控制寄存器ADC12CTL1的SHP＝1，同時(shí)將SHS（采樣輸入信號(hào)源選擇控制位）設(shè)置為1，即由F149內(nèi)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(jì)數(shù)模式，其定時(shí)間隔就是A/D轉(zhuǎn)換的采樣時(shí)間間隔。采用定時(shí)器輸出信號(hào)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(nèi)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(shè)計(jì)原則。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中應(yīng)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(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間的時(shí)序配合。解決方法是：在F149的數(shù)據(jù)RAM內(nèi)開辟兩塊緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小與FLASH存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)面的大小相同。利用兩塊緩沖區(qū)切換，并結(jié)合FLASH存儲(chǔ)器的頁(yè)面批量數(shù)據(jù)寫入功能，使得采樣數(shù)據(jù)能及時(shí)存儲(chǔ)。

·數(shù)據(jù)采集過(guò)程中保證穩(wěn)定的時(shí)鐘源。應(yīng)注意在F149進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)時(shí)，保證相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)可用，否則會(huì)引起采樣時(shí)間間隔上的嚴(yán)重誤差甚至錯(cuò)誤，而這種錯(cuò)誤往往還不易察覺。

由于人體的一些生理信號(hào)均為低頻信號(hào)，且人體的很多生理參數(shù)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(shù)據(jù)采集，對(duì)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(guò)在軟件上采用可伸縮尺度的存儲(chǔ)方法也能大大節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，即始終以恒定的采樣率進(jìn)行生理信號(hào)的連續(xù)采集并放入F149的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)，但對(duì)經(jīng)識(shí)別連續(xù)正常的生理信號(hào)采用相對(duì)長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間間隔，而對(duì)識(shí)別到的異常生理信號(hào)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)記錄（即采集到多少數(shù)據(jù)就連續(xù)存儲(chǔ)多少數(shù)據(jù)）。這樣可以有效節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hù)系統(tǒng)內(nèi)往往同時(shí)存在模擬和數(shù)字電路，電源模塊必須對(duì)模擬電路和數(shù)字電路部分同時(shí)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(hù)系統(tǒng)電源模塊的結(jié)構(gòu)圖。

采用中央控制單元、模擬電路和數(shù)字電路分別單獨(dú)供電的電源結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中，由MCU控制DC-DC升壓變換電路的開、關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jié)語(yǔ)

功能強(qiáng)大的MSP430F149芯片為便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)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(shí)，本文結(jié)合監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和微功耗、可靠性設(shè)計(jì)原則，詳細(xì)討論了能夠長(zhǎng)時(shí)間記錄人體生理參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)部分，及能夠提供高質(zhì)量電源輸出的電源模塊的設(shè)計(jì)思路和具體實(shí)現(xiàn)方法。這些設(shè)計(jì)方案都在實(shí)用中取得了很好的效果。

責(zé)任編輯：gt