盧貺宋霞

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205； 2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

基于MSP430的家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀

盧貺1宋霞2

（1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430205； 2.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

本監(jiān)測(cè)儀是基于MSP430F149處理器的家用生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備，具有低功耗、體積小，偏于攜帶的特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體心電參數(shù)、血氧參數(shù)、體溫參數(shù)三個(gè)重要的生理參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過(guò)存儲(chǔ)器和顯示屏保存和顯示三種生理參數(shù)數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到生理參數(shù)數(shù)據(jù)不在合理范圍時(shí)，能自動(dòng)通過(guò)GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通知指定人員，同時(shí)將相應(yīng)的生理參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

MSP430；生理參數(shù)；監(jiān)測(cè)儀

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高和完善，健康已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)和追求的目標(biāo)，目前我國(guó)家庭中的疾病突發(fā)病率不斷上升，許多人由于無(wú)法提前預(yù)知自身身體狀況而無(wú)法得到及時(shí)的救護(hù)。另外，目前的心電監(jiān)測(cè)儀大多數(shù)只能檢測(cè)心電圖，功能比較單一，而且基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)的監(jiān)護(hù)設(shè)備，價(jià)格昂貴，體積龐大，不便于移動(dòng)，主要集中在大醫(yī)院，無(wú)法在日常實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)患者的病情，給醫(yī)生和病人都帶來(lái)了很大的不便。因此，設(shè)計(jì)家用便攜式生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀能夠有效地彌補(bǔ)醫(yī)院以外的監(jiān)護(hù)體系及救護(hù)體系的不足，挽回更多的生命。

本家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)心電參數(shù)、血氧參數(shù)、體溫參數(shù)等多項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處理和存儲(chǔ)，此外，該監(jiān)測(cè)儀能對(duì)各參數(shù)的綜合分析并在緊急情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，遠(yuǎn)程聯(lián)系指定人員，發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括多套家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀、總控機(jī)、PC應(yīng)用軟件，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，使各個(gè)設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來(lái)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

總控機(jī)主要包括微處理器、GPRS模塊和USB接口等幾部分。USB接口與PC機(jī)相連，用于收發(fā)命令或數(shù)據(jù)，GPRS模塊和家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行通訊，微處理器負(fù)責(zé)解析PC機(jī)或家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀傳送的命令、數(shù)據(jù)等內(nèi)容，控制與多個(gè)家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀通訊時(shí)的地址匹配，設(shè)置急救指定人員聯(lián)系方式等功能。

本文重點(diǎn)介紹家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)，該監(jiān)測(cè)儀分布于各個(gè)用戶處，借助GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet，通過(guò)總控機(jī)，與控制中心之間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用超低功耗芯片MSP430F149為主處理器，從家用便攜性角度考慮，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)功率消耗盡可能的減到最小，這樣可以減小芯片的發(fā)熱和延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。監(jiān)測(cè)儀采用多個(gè)模塊:心電參數(shù)檢測(cè)電路、血氧參數(shù)檢測(cè)電路、體溫參數(shù)檢測(cè)電路、LCD顯示模塊、按鍵模塊、存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊和電源模塊[1]。硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

采用MSP430F149為主處理器，MSP430是TI（德州儀器）公司設(shè)計(jì)的16位總線單片機(jī)，該單片機(jī)具有很好的性價(jià)比，內(nèi)部的集成度也很高，得到了廣泛應(yīng)用。該單片機(jī)使用16位精簡(jiǎn)指令集MCU，命令周期125ns，內(nèi)存與外圍設(shè)備采用統(tǒng)一的編址方式，具有64KB的尋址空間，片內(nèi)外圍模塊全面。低電壓、超低功耗，工作電壓3.6V～1.8V，正常工作模式280μA@1MHz，待機(jī)模式1.6μA，RAM數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1μA，五級(jí)節(jié)電模式。快速蘇醒，從待機(jī)模式下恢復(fù)工作，只需要不到6μS時(shí)間?？煽啃阅芎?，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。圖3為MSP430F149處理器引腳圖。

圖3 MSP430F149處理器引腳圖

人體心電參數(shù)信號(hào)是很微弱的低頻模擬信號(hào)，其幅值一般在3mv左右，甚至低至幾十微伏，頻譜分布在0.05～100Hz，主要頻譜分量集中的5～20Hz，因此需要有針對(duì)性的對(duì)心電參數(shù)信號(hào)進(jìn)行濾波放大再濾波電路處理后，再傳送給高精度ADC做模數(shù)轉(zhuǎn)換。主處理器將得到的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、儲(chǔ)存、顯示和發(fā)送。

圖4 心電參數(shù)檢測(cè)電路框圖

心電參數(shù)檢測(cè)電路框圖如圖4所示，放大器是整個(gè)心電參數(shù)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為了提高信噪比，選用高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的ADI公司的儀表放大器AD620AN，符號(hào)圖如圖5所示，為DIP8封裝，只需要在1腳和8腳之間跨接增益電阻RG就可改變放大器的增益。增益G為:

放大器電路圖如圖6所示。

圖5 AD620AN符號(hào)圖

圖6 AD620放大器電路圖

放大器輸出的信號(hào)并不是純粹的心電參數(shù)信號(hào)，其中除了夾雜著不少工頻干擾外，還有很多直流或低頻信號(hào)，使用前級(jí)和后級(jí)濾波器來(lái)濾除直流和低頻信號(hào)。有些工頻干擾是以差模形式進(jìn)入放大器，在輸出信號(hào)中會(huì)有較強(qiáng)的工頻干擾，使用50Hz陷波器可濾掉工頻干擾。然后將心電參數(shù)信號(hào)通過(guò)電平遷移電路，送入處理器的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

血氧檢測(cè)電路主要測(cè)量血氧飽和度，采用反射血氧傳感器DCM05，該傳感器有4個(gè)引腳，其內(nèi)部電路如圖7所示。

圖7 血氧傳感器DCM05內(nèi)部電路圖

使用時(shí)只需將血氧傳感器貼近手指，傳感器內(nèi)部的雙發(fā)射器（LED）分別發(fā)出波長(zhǎng)為660nm紅光和905nm紅外光。傳感器內(nèi)部還有一個(gè)光電檢測(cè)器，將穿透和反射的手指動(dòng)脈血管紅外光等光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳感器檢測(cè)到的光電信號(hào)越弱，表示光信號(hào)穿透和反射探頭傳感器部分時(shí)，被里面的人體組織損耗得很多。而人體組織，比如血液、表皮、鈣成分等對(duì)紅外光的損耗比例是不變的，所以這些人體組織僅影響采集到的光信號(hào)中的直流部分。根據(jù)HbO2與Hb在兩種光線區(qū)域的光譜特性，在600～700nm光譜區(qū)域，HbO2和Hb的損耗數(shù)值不同，靜脈血的光線通過(guò)損耗系數(shù)和光線發(fā)散程度與血氧飽和度有很大的關(guān)系；而在800～1000nm光譜區(qū)域，損耗系數(shù)和光線發(fā)散程度的區(qū)別不大。因此，HbO2和Hb的溶度與光譜特性的關(guān)系是成比例的，通過(guò)大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，血氧飽和度在660nm和905nm波長(zhǎng)附近的光線變化量最大，通過(guò)檢測(cè)這些波長(zhǎng)的變化數(shù)值，可得到無(wú)創(chuàng)方式檢測(cè)血氧濃度的方法[2]。

血氧檢測(cè)電路框圖如圖8所示，通過(guò)血氧傳感器DCM05內(nèi)部LED作為入射光源，內(nèi)部接收器對(duì)透射和反射光進(jìn)行檢測(cè)，然后進(jìn)行信號(hào)放大和電平遷移。得到的模擬信號(hào)傳送給處理器進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和處理，得到無(wú)創(chuàng)測(cè)量血氧濃度參數(shù)數(shù)據(jù)[3]。

圖8 血氧檢測(cè)電路框圖

由于MSP430處理器內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)電壓采集范圍是0～3.3V，需要電平遷移電路將放大后的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換到A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍中。電路圖如圖9所示，包含電壓跟隨器和加法器模塊。

圖9 電平遷移電路圖

該電路輸出電平電壓如下式計(jì)算[4]:

體溫檢測(cè)采用DS18B20傳感器，該器件傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，支持“單總線”方式。其主要特點(diǎn)如下:1）電壓范圍:3.0～5.5V，可由數(shù)據(jù)線供電；2）單總線接口，與微處理器連接時(shí)僅需一根口線即能雙向通訊；3）能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)方式成網(wǎng)，幾個(gè)DS18B20通過(guò)單數(shù)據(jù)總線，同時(shí)測(cè)量多個(gè)端點(diǎn)的溫度；4）測(cè)量范圍從-55℃～125℃，在-10℃～85℃時(shí)，測(cè)量精度是± 0.5℃；5）分辨率為從9～12位，對(duì)應(yīng)能夠檢測(cè)的溫度可辨數(shù)值是0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；6）當(dāng)分辨率設(shè)置為九位方式時(shí)，在93.75毫秒以內(nèi)能將檢測(cè)到的溫度值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)據(jù)，當(dāng)分辨率設(shè)置為十二位方式時(shí)，在750毫秒以內(nèi)能將檢測(cè)到的溫度值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)據(jù)；7）得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式的數(shù)字溫度信號(hào)，通過(guò)單總線方式傳遞給主處理器，數(shù)據(jù)中包含校驗(yàn)碼，具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力和抗干擾性。體溫檢測(cè)電路框圖如圖10所示[5]。

圖10 體溫檢測(cè)電路框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

MSP430主處理器分別控制心電參數(shù)檢測(cè)電路、血氧參數(shù)檢測(cè)電路和體溫參數(shù)檢測(cè)電路，并在接收到相應(yīng)的生理參數(shù)檢測(cè)信號(hào)之后，將各生理參數(shù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、分析和處理，并將這些數(shù)字化的生理參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)加上時(shí)間信息后，保存到存儲(chǔ)模塊中，同時(shí)輸出到LCD顯示模塊上。得到的這些生理參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)還要與正常值進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)在合理范圍，則不給予警報(bào)，若是數(shù)據(jù)不在合理范圍，將激活GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳送模塊，把不合理的生理參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送給控制中心，并轉(zhuǎn)發(fā)給指定人員，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警呼救功能[6]。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。

圖11 軟件系統(tǒng)框圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

將傳感器連接到手指部位，能得到圖12所示的測(cè)量波形。

圖12 液晶屏顯示心電圖波形

控制中心得到的某用戶生理參數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 某用戶生理參數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)

5 小結(jié)

本家用生理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀采用MSP430F149為主處理器，具有使用方便、便于攜帶、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，并可實(shí)時(shí)不間斷地對(duì)心電參數(shù)信號(hào)、血氧參數(shù)信號(hào)、體溫參數(shù)信號(hào)等多項(xiàng)生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處理、分析、儲(chǔ)存和顯示，且可通過(guò)GPRS將不在合理范圍的生理參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心，并轉(zhuǎn)發(fā)給指定人員，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警呼救功能，從而更好的保護(hù)人們的健康。

[1]陳軼煒，張永紅，白凈.基于藍(lán)牙通訊的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀的研制[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2008(2)：173-177

[2]張志清.光學(xué)傳感血氧飽和度的檢測(cè)[J].傳感器世界，1999 (2)：19-20

[3]李龍飄，牛曉春，郭濤，等.基于鉑電阻的數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2009(5)：48-50

[4]戶艷，辛榮光.手持式超聲測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007(20)：24-25

[5]宋森森，趙麗娜,劉鳳林.MSP430的低功耗人體生理參數(shù)綜合測(cè)試儀[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015(4)：41-43

[6]曹崢,沈一凡,馮毅萍.基于虛擬儀器技術(shù)的家用心電儀的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2014(9)：84-88

（責(zé)任編校：馬余平）

Household Physiological Parameter Monitor Based on MSP430

Lu Kuang1Song Xia2
(1.Software and Engineering,Wuhan Vocational College,Wuhan,Hubei 430205;2.Wuhan Polytechnic,Wuhan,Hubei 430205)

The monitor is based on the MSP430F149 processor's home physiological parameter device,with low power consumption,small size,and partial to carry the characteristics.It can real-time monitoring of human ECG parameters,blood oxygen parameters,temperature parameters of three important physiological parameters data.It can storage and display of the three physiological parameters of the data.When the physiological parameters data is not reasonable,it can automatically notify the designated personnel through the GPRS module,and sends the corresponding physiological parameters data.

MSP430;physiological parameters;Monitor

TM 571.6

A

1672-738X(2015)05-0088-04

2015-08-05

2014年度湖北省職教學(xué)會(huì)科學(xué)研究課題重點(diǎn)課題“職業(yè)技能比賽對(duì)電子類(lèi)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域課程的教學(xué)改革意義與實(shí)踐研究”（鄂職教學(xué)會(huì)[2014]7號(hào) ZJGA201424）。

盧貺（1973—），男，湖北武漢人，電子技術(shù)碩士、副教授、高級(jí)工程師。主要研究方向：電子技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。