彭克勤

北京信息科技大學(xué)

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基于MSP430單片機(jī)的血氧儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭克勤

北京信息科技大學(xué)

摘要：血氧儀測(cè)量的都是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于MSP430f5419的血氧儀，是以MSP430f5419單片機(jī)為核心、采用TI 的AFE4401芯片做為血氧采集部分、外接OLED顯示屏的一款便攜式血氧儀。本文闡述了此類便攜式血氧儀的一個(gè)設(shè)計(jì)方案和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。

1　項(xiàng)目背景

生活水平的提高，越來越多的人選擇購(gòu)買一些醫(yī)療設(shè)備如血氧儀等來使用，因而醫(yī)用設(shè)備開始往小型化、智能化、低成本化發(fā)展等趨勢(shì)。血氧儀主要測(cè)量指標(biāo)分別為脈率、血氧飽和度、灌注指數(shù)（PI）。血氧儀測(cè)量的都是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是診斷心臟病的必要設(shè)備。若要體積小，必須將控制系統(tǒng)小型化、功耗低。根據(jù)這些需求，本文選擇控制核心用MSP430f5419,血氧采集部分選用TI的集成方案即AFE4401。

2　血氧儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

2.1主要硬件元器件介紹

2.1.1單片機(jī)MSP 430特點(diǎn)

MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125ns。

MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8～3.6V電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在200～400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA ，由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（ LPM0～LPM4 ）。在等待方式下，耗電為0.7uA ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 0.1uA 。

豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器 A （Timer_A）、定時(shí)器 B （Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10 位 /12 位 ADC 、IIC總線直接數(shù)據(jù)存取（DMA）、端口O（P0）、端口1～11（P1～P11）、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)器（Timer_ A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線；P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps 。

豐富的片上資源，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，非常適合做便攜式產(chǎn)品，本文就是以此低功耗的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)。

2.1.2血氧采集模塊AFE4401介紹

AFE4401支持常見的陽極配置；100 dB的動(dòng)態(tài)范圍；6位可編程的LED電流改成50 mA；同時(shí)支持3發(fā)光二極管的優(yōu)化；血氧飽和度或多波長(zhǎng)動(dòng)脈血氧飽和度。

脈沖頻率10 SPS 1000 SPS；靈活的脈沖序列和定時(shí)控制；靈活的時(shí)鐘選項(xiàng)：外部時(shí)鐘:4-60 MHz時(shí)鐘輸入和內(nèi)部時(shí)鐘:4 MHz振蕩器；I2C接口和SPI接口。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

血氧儀由三部分組成：核心控制CPU MSP430f5419、模擬采集部分、顯示界面部分三部分組成，其關(guān)系如圖1所示：

圖1　血氧儀硬件結(jié)構(gòu)圖

工作原理：整個(gè)系統(tǒng)在不使用時(shí)，處于待機(jī)工作模式，關(guān)閉所有外設(shè)；當(dāng)需要使用時(shí)，按下使用按鍵，系統(tǒng)處于正常工作模式，此時(shí)單片機(jī)MSP430f5419初始化AFE4401芯片控制血氧探頭的兩只LED發(fā)光（紅光和紅外光），當(dāng)AFE4401正常工作時(shí)，此芯片會(huì)每隔8.1MS產(chǎn)生一次中斷，通知單片機(jī)MSP430f5419開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)采集到的AD值經(jīng)過濾波后，每10組AD值進(jìn)行一次運(yùn)算，算出血氧含量，再通過OLED屏M00930_VGM顯示當(dāng)前的值。

2.3硬件電路圖

在本文中，按照功能應(yīng)用來分，大致分四部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路、OLED屏控制接口電路，電源控制電路，AFE4401芯片控制接口電路。

2.3.1單片機(jī)MSP430f5419控制電路

單片機(jī)MSP430f5419控制電路如圖2所示，它是由采用外部晶振16M做為時(shí)鐘主頻，32768HZ為RTC時(shí)鐘，上電復(fù)位電路。

圖2　單片機(jī)MSP430f5419控制電路

圖3　電源控制電路圖

圖4　OLED屏控制接口電路圖

圖5　AFE4401芯片控制接口電路圖

圖6　主程序流程圖

2.3.2 電源控制電路

電源控制電路如圖3所示，本系統(tǒng)中，電源部分采用鋰電池供電，因此需要考慮到充電部分，采用BQ24040做為鋰電池的充電部分，當(dāng)外接電源時(shí)，外接電源給電池充電；開機(jī)喚醒系統(tǒng)采用外部按鍵，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，此時(shí)按下按鍵，單片機(jī)被喚醒，打開AFE4401、OLED屏的電源并初始化，然后等待接收數(shù)據(jù)及處理數(shù)據(jù)。

2.3.3OLED屏控制接口電路

OLED屏控制接口電路如圖4所示，由于本文需要考慮到功耗的問題，因此，在系統(tǒng)中需要設(shè)置電源控制電路，當(dāng)不使用時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉屏幕電源，以節(jié)省系統(tǒng)電源。OLED屏與單片機(jī)MSP430f5419采用IIC接口, IIC工作頻率在100KHZ。

2.3.4AFE4401芯片控制接口電路

AFE4401芯片控制接口電路如圖5所示，本系統(tǒng)中，AFE4401芯片為TI公司的血氧集成解決方案。

如圖5所示。

3　軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

按照功能來分，主要分為三部分：主程序、中斷程序、顯示程序等部分。每個(gè)功能即相互關(guān)聯(lián)，又相互獨(dú)立。下面按功能要求來講述。

3.1主程序

程序上電時(shí)，首先依次進(jìn)行時(shí)鐘初始化、AFE4401進(jìn)行初始化、OLED屏初始化、外部中斷初始化；然后進(jìn)入低功耗等待數(shù)據(jù)采集、處理數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)。

主流程圖如6所示。

3.2中斷程序

將MSP430f5419的GPIO口的設(shè)置成中斷口。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，進(jìn)入中斷，將其產(chǎn)生的中斷標(biāo)志成使能狀態(tài)，當(dāng)外AFE4401產(chǎn)生中斷，也將需要讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)志使能。其中斷部分程序如下：

（三）OLED程序

在這里只列出一部分，其他部分暫略。

4　結(jié)束語

本文針對(duì)“便攜式血氧儀”這樣一個(gè)正在走入每個(gè)家庭的微型醫(yī)療儀器，詳細(xì)介紹了其系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。該設(shè)計(jì)方案可以在上市產(chǎn)品中使用。本文也是MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

參考文獻(xiàn)

[1]Datasheet_AFE4401_Rev1.1_Choicemed_Nov10_2014.pdf

[2]最新M00930_VGM064032A0W01_D02_20140627 .pdf

[3]洪利、章?lián)P、李世寶.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解（2010.7）

[4]沈建華、楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐（2010.7）

作者介紹

彭克勤，女，碩士，副教授。

關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) MSP430f5419 血氧儀 AFE4401