社會(huì)節(jié)奏的加快導(dǎo)致人們照顧小孩(尤其是嬰幼兒),、老人的時(shí)間和精力都大為減少,，而嬰幼兒患肺炎等一系列疾病都會(huì)在其體溫、呼吸頻率等指標(biāo)上得以反映(醫(yī)學(xué)表明肺炎患者的呼吸頻率明顯異常),，老年疾病則體現(xiàn)在血壓等指標(biāo)上,。
另外，現(xiàn)代社會(huì)的人對(duì)鍛煉身體的重視程度不斷提高,，越來(lái)越多的人加入到了運(yùn)動(dòng)的行列,，而如何衡量自己鍛煉的質(zhì)量以及鍛煉后的身體狀況，這卻需要運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者有自我保健意識(shí),，比如了解自己在訓(xùn)練完畢一定時(shí)間后,，脈搏、呼吸頻率等體能指標(biāo)是否已恢復(fù)到正常狀態(tài)(正常情況下,，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后,，在規(guī)定的數(shù)分鐘內(nèi)，心率和呼吸頻率等都應(yīng)逐步恢復(fù)),。
上述兩方面的需求告訴我們,，有必要設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單方便的醫(yī)療電子系統(tǒng)來(lái)輔助人們照顧嬰幼兒、老年人等群體,，用于監(jiān)管這些弱勢(shì)群體的健康狀況,，測(cè)量嬰幼兒的體溫及呼吸頻率，測(cè)量老年人的血壓;同時(shí)也用于輔助測(cè)量脈搏等與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的體能指標(biāo),，供運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者監(jiān)管自己運(yùn)動(dòng)后的身體狀態(tài),。
但是,，目前市場(chǎng)上類似的醫(yī)療電子產(chǎn)品多為單一功能系統(tǒng)，限制了應(yīng)用范圍,，而隨著 “系統(tǒng)集成化”的發(fā)展趨勢(shì)一步步推進(jìn),，只能實(shí)現(xiàn)上述單一功能的單一系統(tǒng)將逐步被淘汰，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)綜合功能的系統(tǒng)則是大勢(shì)所趨,。
本文基于北京時(shí)代民芯科技有限公司自主研發(fā)的MXT8051單片機(jī),，充分利用其內(nèi)部資源，同時(shí)合理選擇外圍器件,，給出了集血壓測(cè)量,、體溫測(cè)量、呼吸頻率測(cè)量,、脈搏測(cè)量等多個(gè)功能為一體的便攜式體檢計(jì)的設(shè)計(jì)方案,，并試圖追求低功耗、高精度,、高速度等特色,，對(duì)產(chǎn)品的最終實(shí)現(xiàn)有一定的參考價(jià)值。
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。