低功耗高精度便携多功能体检计设计技巧分享

2011-07-23 15:40:31来源: 互联网 关键字:便携  体检  设计  技巧

引言
  社会节奏的加快导致人们照顾小孩(尤其是婴幼儿)、老人的时间和精力都大为减少,而婴幼儿患肺炎等一系列疾病都会在其体温、呼吸频率等指标上得以反映(医学表明肺炎患者的呼吸频率明显异常),老年疾病则体现在血压等指标上。

  另外,现代社会的人对锻炼身体的重视程度不断提高,越来越多的人加入到了运动的行列,而如何衡量自己锻炼的质量以及锻炼后的身体状况,这却需要运动爱好者有自我保健意识,比如了解自己在训练完毕一定时间后,脉搏、呼吸频率等体能指标是否已恢复到正常状态(正常情况下,运动结束后,在规定的数分钟内,心率和呼吸频率等都应逐步恢复)。

  上述两方面的需求告诉我们,有必要设计一些简单方便的医疗电子系统来辅助人们照顾婴幼儿、老年人等群体,用于监管这些弱势群体的健康状况,测量婴幼儿的体温及呼吸频率,测量老年人的血压;同时也用于辅助测量脉搏等与运动相关的体能指标,供运动爱好者监管自己运动后的身体状态。

  但是,目前市场上类似的医疗电子产品多为单一功能系统,限制了应用范围,而随着 “系统集成化”的发展趋势一步步推进,只能实现上述单一功能的单一系统将逐步被淘汰,设计出能实现综合功能的系统则是大势所趋。

  本文基于北京时代民芯科技有限公司自主研发的MXT8051单片机,充分利用其内部资源,同时合理选择外围器件,给出了集血压测量、体温测量、呼吸频率测量、脉搏测量等多个功能为一体的便携体检计的设计方案,并试图追求低功耗、高精度、高速度等特色,对产品的最终实现有一定的参考价值。

  系统总体设计

  MXT8051简介

  MXT8051是北京时代民芯科技有限公司自主研发的以高速单指令周期8051为核的SoC,集成了丰富的数模外设,诸如数字部分的上电复位、脉冲宽度调制(PWM)、串口(UART)、看门狗(WDT)、实时时钟、内部振荡器和外部时钟可选等模块;模拟部分的4通道10位AD转换器、可编程增益放大器(PGA)、运算放大器(OP)、4com*36seg LCD driver等模块。

  凭借着将高性能的数模外设嵌入到低功耗的MCU中,以MXT8051为核心器件来实现便携式医疗电子设备的片上系统化相对容易很多。

  系统组成

  本文所给出的基于MXT8051的便携式多功能体检计的设计方案,正是充分利用了MXT8051所提供的丰富的片上外设资源,从而可以仅仅依靠简单的外围器件的配合,并通过软件的协同工作,将血压测量、体温测量、呼吸频率测量、脉搏测量等多个功能集成在一个便携的系统上。

  系统总体设计方案如图1所示,整个系统由5大部分组成,MXT8051为核心处理模块,并配备以传感器为主的信号采集模块,以语音芯片和LCD为主的输出显示模块,电源及键盘等系统控制模块以及应用扩展模块等。

系统总体设计方案

  系统工作原理

  由于本系统待实现的功能较多,所以在系统总体设计阶段给出一个较完善的架构对后续的软硬件设计至关重要。

  针对血压测量,通过MPS系列的专用血压传感器来感知臂膀血流压力,同时利用MXT8051内部的PWM波来控制马达及对袖带的充放气,将采集到的模拟信号送往MXT8051内部的OP、ADC做模拟前端处理,再用软件算法做数字信号处理

  针对体温测量,利用单总线传感器DS18B20来感知体温信号,在严格遵循DS18B20时序的情况下,直接将转换后的数字信号送往MXT8051处理,利用软件补偿等算法来提高精度。

  针对呼吸频率测量,利用两个热敏电阻和两个普通电阻构成惠斯顿电桥,一个热敏电阻感知环境温度,另一个热敏电阻感知呼出气体的温度,这样可以很好地消除因环境温度不同而导致的桥路输出变化,从而用电桥压差信号来表征呼吸动作并输入到MXT8051内部的OP、ADC做模拟前端处理,接着在MXT8051内部利用软件算法处理。

  针对脉搏测量,利用声音传感器将腕部脉搏音信号转化为电信号,同样输入到MXT8051内部的OP、ADC做模拟前端处理来实现放大、整形、数字化等,接着在MXT8051内部利用软件算法做进一步的信号处理来达到脉搏测量的目的。

  针对测量结果的输出显示,有两部分设计功能,一是将测量值送往LCD显示,二是利用语音模块告知用户测量结果正常与否。

  硬件设计

  为达到充分利用MXT8051片上资源的目的,本文综合权衡了各种方案,并合理地选择外围器件,力图用最简单的外围电路来保证功能设计。整个系统的硬件框图如图2所示,后续将分别详细介绍各个模块的设计。

整个系统的硬件框图

 血压测量模块设计

  对于血压信号的感知,可采用Metrodyne Microsystem公司的MPS-2108传感器。它在血压计、数字压力计及医疗设备领域的广泛应用已表明其可以胜任本文所要设计的功能。MPS-2108传感器和MXT8051的接口原理图如图3所示。

MPS-2108传感器和MXT8051的接口原理图


  体温测量模块设计

  对于体温信号的感知,采用的是Dallas Semiconductor公司的DS18B20传感器。它拥有独特的单总线接口,只需一个接口引脚即可通信;且它能直接将数字信号传给单片机,从而省去了很多模拟前端的外围电路设计;同时可通过配置内部的寄存器使其分辨率达到0.0625℃。这些特性说明,在硬件上DS18B20已经可以承担体温信号的采集任务。DS18B20传感器与MXT8051的接口原理图如图4所示。

DS18B20传感器与MXT8051的接口原理图

  呼吸频率测量模块设计

  对于呼吸频率信号的感知,可选取灵敏度高的热电阻Pt1000传感器。它精度高,稳定性好,应用温度范围广,不仅广泛应用于工业测温,而且被制成各种标准温度计供计量和校准使用。Pt1000传感器与MXT8051的接口原理图如图5所示。

Pt1000传感器与MXT8051的接口原理图

  脉搏测量模块设计

  对于脉搏信号的感知,选取普通的拾音头MIC即可感知脉搏音信号,将采集到的模拟信号通过片运算放大器交由MXT8051处理。拾音头与MXT8051的接口原理图如图6所示。

拾音头与MXT8051的接口原理图

  输出显示模块设计

  输出模块中,语音芯片可选取Winbond公司的ISD1730单片优质语音录放电路。可录放音十万次,可处理多达255段信息,多种采样频率对应多种录放时间。这也为系统功能扩展提供了一定的可能。LCD采用北京时代民芯科技有限公司提供的MXT8051开发板上的产品。

  系统控制模块设计

  系统控制模块中,所包含的电源供给电路、时钟电路、复位电路、键盘控制电路等需要的器件都可参考由北京时代民芯科技有限公司提供的MXT8051开发板上的成熟产品,借鉴其接口方式并稍作修改,可满足预期要求。其中稍作修改的电源供给原理图及时钟电路原理图如图7、图8所示。

电源供给原理图

时钟电路原理图

 

  针对血压测量,业界普遍采用示波法,最终产品的实现可考虑利用此类已经成熟的算法来完成。而呼吸频率测量和脉搏测量,都可以简单地利用测量周期再取倒数的方法来完成,同时为了避免误差,可以考虑增加样本数量等。关于体温测量,则需严格遵循DS18B20的初始化时序和读写时序。

  程序流程图

  将本文提到的设计方案投入实践中,最终完整实现的功能是体温测量,在此给出体温测量的软件程序流程图如图9所示。

体温测量的软件程序流程图

  总结

  本文提出的基于MXT8051的便携式多功能体检计的设计方案对该类综合化医疗电子设备产品的最终实现具有一定的参考价值。由于时间关系,并未完全实现预期功能。同时在预期功能之外,还可以做相应扩展,如利用MXT8051的片上资源----串口(UART)和计算机通信,将历史测量数据传至计算机以供医学对比及分析等。

  软件设计

  算法思想

  根据整个系统模块划分的结果,分析发现,算法难度较大的应该是血压测量部分,而体温测量、呼吸频率测量和脉搏测量相对容易很多,当然在体温测量中由于DS18B20的严格时序要求,代码的编写需仔细。

关键字:便携  体检  设计  技巧

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0723/article_7447.html
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