本文基于北京時(shí)代民芯科技有限公司自主研發(fā)的MXT80
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
MXT8051簡(jiǎn)介
MXT8051是北京時(shí)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(mén)狗(WDT)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、內(nèi)部振蕩器和外部時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的片上系統(tǒng)化相對(duì)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(jiǎn)單的外圍器件的配合，并通過(guò)軟件的協(xié)同工作，將血壓測(cè)量、體溫測(cè)量、呼吸頻率測(cè)量、脈搏測(cè)量等多個(gè)功能集成在一個(gè)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(gè)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(hào)采集模塊，以語(yǔ)音芯片和LCD為主的輸出顯示模塊，電源及鍵盤(pán)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(gè)較完善的架構(gòu)對(duì)后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
針對(duì)血壓測(cè)量，通過(guò)MPS系列的專用血壓傳感器來(lái)感知臂膀血流壓力，同時(shí)利用MXT8051內(nèi)部的PWM波來(lái)控制馬達(dá)及對(duì)袖帶的充放氣，將采集到的模擬信號(hào)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(hào)處理。
針對(duì)體溫測(cè)量，利用單總線傳感器DS18B20來(lái)感知體溫信號(hào)，在嚴(yán)格遵循DS18B20時(shí)序的情況下，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送往MXT8051處理，利用軟件補(bǔ)償?shù)人惴▉?lái)提高精度。
針對(duì)呼吸頻率測(cè)量，利用兩個(gè)熱敏電阻和兩個(gè)普通電阻構(gòu)成惠斯頓電橋，一個(gè)熱敏電阻感知環(huán)境溫度，另一個(gè)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(hào)來(lái)表征呼吸動(dòng)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(duì)脈搏測(cè)量，利用聲音傳感器將腕部脈搏音信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，同樣輸入到MXT8051內(nèi)部的OP、ADC做模擬前端處理來(lái)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(hào)處理來(lái)達(dá)到脈搏測(cè)量的目的。
針對(duì)測(cè)量結(jié)果的輸出顯示，有兩部分設(shè)計(jì)功能，一是將測(cè)量值送往LCD顯示，二是利用語(yǔ)音模塊告知用戶測(cè)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(jiǎn)單的外圍電路來(lái)保證功能設(shè)計(jì)。整個(gè)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(gè)模塊的設(shè)計(jì)。
血壓測(cè)量模塊設(shè)計(jì)
對(duì)于血壓信號(hào)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(cè)量模塊設(shè)計(jì)
對(duì)于體溫信號(hào)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(gè)接口引腳即可通信;且它能直接將數(shù)字信號(hào)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(shí)可通過(guò)配置內(nèi)部的寄存器使其分辨率達(dá)到0.0625℃。這些特性說(shuō)明，在硬件上DS18B20已經(jīng)可以承擔(dān)體溫信號(hào)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(cè)量模塊設(shè)計(jì)
對(duì)于呼吸頻率信號(hào)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(cè)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(cè)量模塊設(shè)計(jì)
對(duì)于脈搏信號(hào)的感知，選取普通的拾音頭MIC即可感知脈搏音信號(hào)，將采集到的模擬信號(hào)通過(guò)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(yǔ)音芯片可選取Winbond公司的ISD1730單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路。可錄放音十萬(wàn)次，可處理多達(dá)255段信息，多種采樣頻率對(duì)應(yīng)多種錄放時(shí)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(shí)代民芯科技有限公司提供的MXT8051開(kāi)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(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤(pán)控制電路等需要的器件都可參考由北京時(shí)代民芯科技有限公司提供的MXT8051開(kāi)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(shí)鐘電路原理圖如圖7、圖8所示。
軟件設(shè)計(jì)
算法思想
根據(jù)整個(gè)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(cè)量部分，而體溫測(cè)量、呼吸頻率測(cè)量和脈搏測(cè)量相對(duì)容易很多，當(dāng)然在體溫測(cè)量中由于DS18B20的嚴(yán)格時(shí)序要求，代碼的編寫(xiě)需仔細(xì)。
針對(duì)血壓測(cè)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(lái)完成。而呼吸頻率測(cè)量和脈搏測(cè)量，都可以簡(jiǎn)單地利用測(cè)量周期再取倒數(shù)的方法來(lái)完成，同時(shí)為了避免誤差，可以考慮增加樣本數(shù)量等。關(guān)于體溫測(cè)量，則需嚴(yán)格遵循DS18B20的初始化時(shí)序和讀寫(xiě)時(shí)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(cè)量，在此給出體溫測(cè)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(duì)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(jià)值。由于時(shí)間關(guān)系，并未完全實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。同時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)以供醫(yī)學(xué)對(duì)比及分析等。