基于微功耗架构的新型微控制器实现便携式医疗监护系统的设计

作者：焦纯,卢虹冰,周智明

随着近年来微电子技术的快速发展和工艺的进步，医用电子领域中，常用的一些医疗监护设备有向着便携式、微型化及家庭化发展的新趋势，一些小型化、简便易用的监护仪器在社区医疗、家庭护理方面扮演着越来越重要的角色。这其中，基于微功耗架构设计的新型微控制器和一些低功耗优势明显的新型器件为这种趋势提供了新的助力并为之奠定了坚实的基础。

系统设计

为满足社区、家庭医疗监护的需要，便携式医疗监护系统往往需要在现场采集并存储一些人体生理信号的相关数据，如心电信号、血氧饱和度、心率及体温等，以达到监控人体重要生理参数的目的，并能够对这些生理参数的信号进行相应的识别和处理（如关键指标不正常时自动报警），能够提供简便的人机交互界面，数据可以传输给PC机进行后续的处理。便携式医疗监护系统的结构框图如图1所示。

考虑到本系统的应用需求，系统总体设计中尤其要满足微功耗、微型化和可靠性的要求，系统内的电路设计、电路形式、器件选择和电路板制作均应紧密围绕这三点展开。

图1中传感器、血氧模块、信号调理模块构成了系统内的前向通道。传感器（如测量心电信号的电极）用于将人体的微弱生理信号转换为电信号，其输出信号需要经过信号调理模块的放大、滤波等处理。血氧模块能够通过探头直接检测人体的血氧饱和度、心率等，目前市面上已经有供二次开发使用的监测血氧饱和度、心率等的集成电路板，其内往往已经集成了相应信号处理的内核，这种集成电路板的输出已经是符合一定格式要求的数字信号，可以由中央控制单元直接接收。

为有效放大传感器输出的有用差分信号，信号调理模块中的信号放大电路应具有较强的共模抑制和差动放大能力。同时信号调理模块中的滤波器应采用同相结构的精密运放和RC网络组成高阶有源滤波器。信号调理模块同时要具有微功耗特点，能够在单电源下工作，其信号放大范围要与A/D转换时所需要的信号幅度相一致。

中央控制单元可采用新型的16位微控制器，其片内具有较高精度的多通道A/D功能模块、大容量的FLASH ROM和数据RAM，可以在无需片外A/D芯片的基础上实现生理信号的采集、接收和处理。

数据存储模块可以根据存储容量的不同要求，选择不同形式的数据存储芯片。

显示与键盘接口模块提供了设置和操作系统的键盘接口，并通过图形点阵液晶实现汉字菜单显示、生理参数的数值显示和波形回放等功能，为系统提供智能化的人机交互界面。

时钟模块为系统提供实时的时间坐标。

数据通信模块提供本系统与PC机之间的数据交换手段，既可以是串行、USB、TCP/IP网络通信等有线接口方式；又可以通过无线收发芯片组建一个固定频点下（如433MHz）的无线通信网络。

电源模块为系统内的模拟和数字电路部分分别供电，提供不同的工作电压和一定的电源分区管理功能，其输出质量直接关系到系统的精度和可靠性。

便携式医疗监护系统的现场使用性要求其电流消耗小，以降低系统的功耗，延长电池的使用时间。因此，微功耗设计是系统总体设计的重要内容。微功耗设计的核心是最小功耗系统的设计，它不仅能降低系统功耗，还使系统具有较低的电磁辐射和较高的可靠性。

微控制器

TI公司的MSP430F149正是具有超低功耗特点的16位微控制器，其功耗可以达到微安级。

F149的软件结构也针对低功耗而设计，从备用模式唤醒MCU仅需6μS。中断和子程序调用无层次限制，这种丰富的中断能力减少了系统查询的需要，可以方便地设计出基于中断结构的数据采集及存储程序。

采用MSP430F149作为便携式医疗监护系统的中央控制单元，提升了系统的先进性、可靠性和集成度。

数据存储器

在便携式医疗监护系统中，在数据存储容量要求不高的情况下（几十K字节以内），可以通过一定的软件设计技巧将数据存储在MCU内的FLASH存储器中。F149内有60KB的FLASH ROM，由2段信息存储器和118段主存储器构成，主存储器中除了放置控制程序的存储段以外，系统采集到的人体生理参数数据也可以逐段地依次存入到其它的空余存储段中。这样就可以节省专用的数据存储芯片，使得在便携式监护系统中，一片16位微控制器—F149芯片就足以替代以前“单片机+数据存储芯片+A/D芯片”的常规组合，既降低了成本又有效提高了系统的集成度。

对于数据存储容量在几百K～1M字节的，可以采用I2C接口的AT24LC系列数据存储芯片，尤其若干个AT24LC系列芯片进行级联后存储容量可以大幅提高。

对于需要实时存储多通道生理参数数据的监护系统，可采用ATMEL公司的AT45系列SPI串行接口低电压FLASH存储器。

对于更进一步的数据存储容量要求（1G字节以上）可以考虑目前优盘中常用的并行高容量FLASH存储芯片，其缺点是占用MCU的I/O资源过多，功耗稍高。

数据采集

F149的A/D转换模块ADC12具有四种转换模式：单通道单次转换、单通道重复转换、序列通道单次转换及序列通道重复转换。在监护系统中往往需要采集多通道、连续变化的数据，则序列通道单次转换模式的时序控制较为简单，灵活性较高。

采用序列通道单次转换模式时，应相应设置控制寄存器ADC12CTL1的SHP＝1，同时将SHS（采样输入信号源选择控制位）设置为1，即由F149内的Timer_A.OUT1触发采样定时器。定时器A可以工作在增计数模式，其定时间隔就是A/D转换的采样时间间隔。采用定时器输出信号触发采样的优点在于：能精确控制采样时间间隔；由于采用硬件定时，因此MCU可以在定时间隔内进入休眠状态，并由中断唤醒，这就完全符合了基于中断的微功耗程序设计原则。

在数据采集过程中应注意以下几个问题：

·避免可能的“丢帧”问题，即要注意数据采集和数据存储之间的时序配合。解决方法是：在F149的数据RAM内开辟两块缓冲区，缓冲区大小与FLASH存储器的一个存储页面的大小相同。利用两块缓冲区切换，并结合FLASH存储器的页面批量数据写入功能，使得采样数据能及时存储。

·数据采集过程中保证稳定的时钟源。应注意在F149进入低功耗休眠状态时，保证相应的时钟信号可用，否则会引起采样时间间隔上的严重误差甚至错误，而这种错误往往还不易察觉。

由于人体的一些生理信号均为低频信号，且人体的很多生理参数都是缓慢变化的，很多情况下无需以很高的频率进行实时数据采集，对变化较缓慢的生理参数如体温可以1分钟采集和记录一次数据。另一方面，通过在软件上采用可伸缩尺度的存储方法也能大大节省数据存储空间，即始终以恒定的采样率进行生理信号的连续采集并放入F149的数据缓冲区内，但对经识别连续正常的生理信号采用相对长的存储时间间隔，而对识别到的异常生理信号进行连续实时记录（即采集到多少数据就连续存储多少数据）。这样可以有效节省数据存储空间，并降低了平均功耗。

电源模块

由于便携式医疗监护系统内往往同时存在模拟和数字电路，电源模块必须对模拟电路和数字电路部分同时供电。

便携式监控系统中一般可采用碱性或可充电电池组成的电池组供电。

图2是便携式监护系统电源模块的结构图。

采用中央控制单元、模拟电路和数字电路分别单独供电的电源结构。系统中，由MCU控制DC-DC升压变换电路的开、关，实现对模拟电路的供电管理；由MCU控制3V低压差稳压电路的使能引脚，以控制数字电路部分的供电。

结语

功能强大的MSP430F149芯片为便携式医疗监护系统提供了微功耗、高性能及低成本的微控制器选择。同时，本文结合监护系统的总体设计思路和微功耗、可靠性设计原则，详细讨论了能够长时间记录人体生理参数数据的数据采集和存储部分，及能够提供高质量电源输出的电源模块的设计思路和具体实现方法。这些设计方案都在实用中取得了很好的效果。

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