基于MSP430的便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀設計

　隨著我國經(jīng)濟和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展，人們對自身的健康狀況越來越關注，其健康理念已經(jīng)逐漸從單純“預防疾病”向“改善和促進健康”轉(zhuǎn)變——即由“早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療”的二級預防向“利用各種健康促進手段來改善健康狀況”的一級預防轉(zhuǎn)變。與此相適應，智能化監(jiān)護儀器作為健康管理和促進的重要手段已經(jīng)成為一個新興的應用領域和重要市場，每個人都可以通過一定的健康促進手段來對個人進行“健康管理”。本文所述的便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀就是一種可用于個人健康管理的智能化儀器，其設計理念和應用背景充分體現(xiàn)了我國新興的健康管理產(chǎn)業(yè)的基本發(fā)展趨勢。

系統(tǒng)設計

　　便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀能實時記錄和監(jiān)測人體的運動數(shù)據(jù)，并定量評估人體運動量和體能消耗程度，通過以卡路里為單位的熱量形式實時顯示出來;監(jiān)測儀還能夠?qū)崟r監(jiān)測人體血氧飽和度、心電信號、心率、體溫等重要生理參數(shù)，從運動量和生理參數(shù)兩方面評估體育鍛煉或康復訓練中的運動是否過量，并根據(jù)運動量及生理參數(shù)的數(shù)值是否在安全范圍來決定是否進行報警提示。因此該監(jiān)測儀既能保證運動效果，又可以有效預防因“過量運動”導致意外的發(fā)生。

　　如圖1所示，便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀是一個典型的單片機應用系統(tǒng)，在系統(tǒng)設計中應注意滿足微功耗、微型化及可靠性的要求。便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀的現(xiàn)場使用性要求其電流消耗小，以降低系統(tǒng)的功耗，延長電池使用時間。因此，微功耗設計是系統(tǒng)設計的重要內(nèi)容。微功耗設計的核心是最小功耗系統(tǒng)的設計，它不僅能降低系統(tǒng)功耗，還使系統(tǒng)具有較低的電磁輻射和較高的可靠性。本監(jiān)測儀的微功耗設計具體包括系統(tǒng)的運行功耗分析、低功耗設計、功耗管理以及低功耗的軟件設計。

　　具體而言，便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀需滿足以下要求：

　　● 能以高精度采集和存儲人體的運動信號、生理信號，并通過相關算法對數(shù)據(jù)作相應處理;

　　● 具有友好的中文人機操作界面，能夠方便地設置和操作;

　　● 能夠與PC機方便地交換數(shù)據(jù)，并可通過PC機上的配套軟件進行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和處理;

　　● 監(jiān)測儀能方便地佩帶于人體，重量輕，體積小，1~2節(jié)電池供電。

　　如圖1所示，運動傳感器、數(shù)字式血氧模塊、心電模塊以及信號調(diào)理單元構(gòu)成了系統(tǒng)內(nèi)的前向通道，人體的運動數(shù)據(jù)和血氧飽和度、心電、心率等生理參數(shù)的數(shù)據(jù)通過前向通道進入中央控制單元。

　　中央控制單元采用了具有超低功耗的16位微控制器MSP430F149(以下簡稱F149)，其片內(nèi)集成有8通道12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊、60kB的FLASH ROM和2kB的數(shù)據(jù)RAM，且具有硬件乘法器和2個串行通信接口。采用F149作為本系統(tǒng)的中央控制單元，可以在無需片外A/D芯片的基礎上實現(xiàn)運動信號及各種生理信號的采集、接收和處理。提升了系統(tǒng)的先進性、可靠性和集成度，能有效降低系統(tǒng)設計的難度，較大程度提升系統(tǒng)的整體性能。

　　數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲系統(tǒng)內(nèi)的運動數(shù)據(jù)、血氧飽和度及心電信號等數(shù)據(jù)，需要根據(jù)存儲容量、功耗、接口形式、存取速度、體積等要求選擇合適的數(shù)據(jù)存儲芯片。

顯示與鍵盤接口單元提供了設置和操作本監(jiān)測儀的鍵盤接口，并通過圖形點陣液晶實現(xiàn)漢字功能菜單顯示、生理參數(shù)的數(shù)值顯示和波形回放等功能，為系統(tǒng)提供友好和智能化的人機交互界面。

　　時鐘單元為系統(tǒng)提供實時的時間坐標，進而能為數(shù)據(jù)的存儲提供可參照的起始和結(jié)束時間點。

　　數(shù)據(jù)通信單元提供本監(jiān)測儀與PC機之間的數(shù)據(jù)交換手段，既可以是串行、USB、TCP/IP網(wǎng)絡通信等有線接口方式;又可以通過無線收發(fā)芯片組建一個固定頻點下(如433MHz)的無線通信網(wǎng)絡，或者是基于GPRS的遠程無線傳輸網(wǎng)絡。

　　電源單元為監(jiān)測儀內(nèi)的模擬和數(shù)字電路部分分別供電，提供不同的工作電壓和一定的電源分區(qū)管理功能，其輸出質(zhì)量直接關系到系統(tǒng)的精度和可靠性。

運動監(jiān)測模塊

　　運動監(jiān)測模塊完成人體運動信號的輸入、放大和濾波，主要包括運動傳感器和信號調(diào)理單元。

　　運動傳感器一般可以有兩種形式：單維的振動傳感器和三維的運動傳感器。前者如微振動傳感器，是一種有源的微功耗振動檢測器件，一般以正弦波形式輸出，可將其轉(zhuǎn)換成脈沖波形后輸入微控制器。微控制器通過檢測高電平來實時記錄跑步者的步數(shù)，并以此計算運動者的體能損耗。

　　更精確的人體運動信號可以通過三維加速度傳感器獲得。加速度傳感器作為近十幾年才發(fā)展、成熟起來的運動傳感器，其不僅能夠通過測量運動能耗來評估運動量，還能通過測量加速度來反映人體運動的強度和頻率，能夠把人體的各種運動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同幅度的電壓信號。其安裝簡便，體積小，測量簡單。三維加速度傳感器是本監(jiān)測儀前向通道中的理想運動傳感器元件。

　　如圖1所示，信號調(diào)理單元的作用是將傳感器輸出的微弱電信號(通常為電壓信號)不失真地放大或調(diào)整到能夠直接由A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣的幅度足夠的電壓信號，且信號調(diào)理單元對其前級的傳感器和后級的A/D轉(zhuǎn)換模塊的影響要盡可能的小。

　　信號調(diào)理單元具體包括信號放大電路、濾波電路及精密電壓基準電路等，主要實現(xiàn)信號的放大、整形及濾波等功能。信號調(diào)理單元中的信號放大電路應具有較強的共模抑制和差動放大能力，實際共模抑制比較高，輸入阻抗較大，失調(diào)和溫漂較小，這些都能有效減小信號放大電路對傳感器輸入信號的影響，減少溫度誤差。同時信號調(diào)理單元中的濾波器應采用同相結(jié)構(gòu)的精密運放和RC網(wǎng)絡組成高階有源濾波器，這樣既能提供一定的增益和緩沖作用，又可以減小對后級尤其是A/D轉(zhuǎn)換的影響。

　　信號調(diào)理單元是本監(jiān)測儀中模擬電路的主要部分，其調(diào)整后信號的精度直接決定著系統(tǒng)內(nèi)可采集到的人體運動信號的精度，其電路結(jié)構(gòu)和復雜程度也直接關系到系統(tǒng)的整體功耗和體積。因此信號調(diào)理單元的設計更要符合微功耗和微型化設計要求，能夠在單電源下工作，其信號放大范圍要與A/D轉(zhuǎn)換所需的信號幅度一致，在電路結(jié)構(gòu)上應力求簡單，集成度要高，不宜采用分離元件太多的設計方案。

生理參數(shù)監(jiān)測模塊

　　從系統(tǒng)整體設計和降低設計難度的角度，血氧飽和度、心電信號、心率、體溫等人體重要的生理參數(shù)可以通過市面上已有的一些功能模塊直接獲得而不必自行設計。如目前市面上已有供二次開發(fā)使用的監(jiān)測血氧飽和度、心率等的集成功能模塊(簡稱為數(shù)字式血氧模塊)，其內(nèi)往往已集成了信號處理內(nèi)核(如Dolphin公司OEM-701模塊)，這種數(shù)字式血氧模塊能夠通過探頭直接檢測人體的血氧飽和度、心率、體溫等數(shù)據(jù)，支持串行接口的輸出方式。
由于心電信號的檢測電路一般都較為復雜，因此也可以采用市面上已有的心電信號檢測的功能模塊供二次開發(fā)使用。具體如BT007七通道心電模塊，能輸出同步七通道心電波，具有四級程控增益，三級濾波方式(診斷方式、監(jiān)護方式和手術方式)，具有起搏脈沖抑制功能和導聯(lián)脫落報警功能，其檢測的心電信號結(jié)果也可以通過串行接口輸出。

　　本監(jiān)測儀的中央控制單元F149微控制器內(nèi)包含有兩個串行通信接口—USART0和USART1，故可以直接接收數(shù)字式血氧模塊和心電模塊輸出的血氧飽和度、心率及心電信號的數(shù)據(jù)。這種直接采用已有集成式功能模塊進行二次開發(fā)的設計思路，可以有效降低本系統(tǒng)的設計難度和提高系統(tǒng)集成度。

數(shù)據(jù)存儲單元

　　由于監(jiān)測儀需要存儲大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)存儲容量的要求很高，存儲密度較低的EEPROM、SRAM等均不能滿足要求。ATMEL公司的AT45系列SPI串行接口FLASH存儲器的接口電平與F149相匹配，硬件上能直接連接。采用SPI串行三線接口，減少了I/O資源占用，能有效降低系統(tǒng)所占空間，提高系統(tǒng)可靠性，降低開關噪聲。AT45系列存儲器芯片的內(nèi)部還包括2個SRAM類型的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)的容量均與主存儲器陣列中一個頁面的存儲容量相同。這樣即使在存儲器被燒寫的過程中也允許接收數(shù)據(jù)，這就為數(shù)據(jù)存儲的實時性和可靠性提供了硬件保證。

　　本監(jiān)測儀中也可以采用并行的FLASH存儲器，如三星電子的K9xxGxxxxM系列NAND FLASH芯片，能夠提供4224M位的存儲容量。這種高存儲密度、大容量的并行FLASH數(shù)據(jù)存儲芯片特別適用于本系統(tǒng)需要存儲大量實時的運動數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)的應用環(huán)境。

數(shù)據(jù)存儲程序

　　數(shù)據(jù)存儲程序設計時要重點考慮微功耗和實時性要求，即數(shù)據(jù)存儲程序應是基于中斷程序結(jié)構(gòu)的，通過A/D中斷服務子程序來實時采集和存儲來自于運動監(jiān)測模塊的三維運動數(shù)據(jù)，通過2個串行通信接收中斷服務子程序來分別接收和存儲來自于血氧模塊和心電模塊的血氧飽和度、心率、體溫和心電信號等生理數(shù)據(jù)。這些運動和生理數(shù)據(jù)首先由F149微控制器放置于其內(nèi)的2KB數(shù)據(jù)RAM內(nèi)，并通過頁寫入方式存儲到FLASH數(shù)據(jù)存儲芯片中。

　　由于來自于運動監(jiān)測模塊的三維運動數(shù)據(jù)是多通道、連續(xù)變化的大量數(shù)據(jù)，考慮到數(shù)據(jù)采集過程中的微功耗和實時性要求，對F149的A/D轉(zhuǎn)換模塊采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式較為合適，其時序控制簡單，靈活性高。同時采用Timer_A定時器為A/D轉(zhuǎn)換模塊定時，使其工作在增計數(shù)模式，其定時時間對應于采樣頻率。

　　用于接收生理數(shù)據(jù)的串行通信接收子程序也是基于中斷響應模式的，由32768Hz的時鐘晶振提供串行通信的時鐘信號源，通過2個串行通信接收中斷的響應子程序分別將接收到的血氧飽和度、心率、體溫和心電數(shù)據(jù)填充到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)RAM中。

　　在利用FLASH數(shù)據(jù)存儲芯片存儲本系統(tǒng)不同類別的大量數(shù)據(jù)時，需要注意F149內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的劃分、數(shù)據(jù)存儲芯片內(nèi)不同數(shù)據(jù)區(qū)域的劃分。同時，在系統(tǒng)的主程序中需要維護幾個重要變量：如一個記錄頁面編號的全局變量，以確定數(shù)據(jù)讀寫時所需訪問的頁面;以及一個緩沖區(qū)標志的變量，使得程序能夠根據(jù)標志判斷當前緩沖區(qū)是否存滿、是否需要切換及切換到哪個緩沖區(qū)。

　　另外，在編寫FLASH芯片的數(shù)據(jù)寫子程序時需要注意數(shù)據(jù)采集、接收與數(shù)據(jù)存儲之間的時序配合，以保證數(shù)據(jù)采集、接收的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的不丟失。同時數(shù)據(jù)讀寫過程中穩(wěn)定的時鐘信號也是需要優(yōu)先考慮的，而這點往往為設計者所忽略。

　　具體的數(shù)據(jù)存儲程序的流程如圖2所示。

監(jiān)測儀的工作模式和流程

　　便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀主要有兩種工作模式：運動現(xiàn)場模式和醫(yī)學監(jiān)護模式。

　　在運動現(xiàn)場模式下，系統(tǒng)完成運動現(xiàn)場的人體運動數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)(血氧飽和度、心率、體溫、心電信號等)的采集和存儲，并計算累計運動量的數(shù)值，根據(jù)運動量是否過量及生理數(shù)據(jù)是否在安全范圍來判斷是否給予報警提示。同時監(jiān)測儀內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)還可以傳輸?shù)絇C機上進行后續(xù)的處理，如給出運動過程的分析報告，對運動過程的所有數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫管理。

　　在醫(yī)學監(jiān)護模式下，監(jiān)測儀的運動監(jiān)測模塊主要用于病人姿態(tài)的感知，系統(tǒng)側(cè)重于臥床病人的主要生理參數(shù)的連續(xù)實時監(jiān)測，并可通過所聯(lián)微機的配套軟件進行遠程數(shù)據(jù)傳輸和遠程報警。本監(jiān)測儀的這種工作模式非常適合于長期臥床病人的家庭護理，為他們在遠離醫(yī)院的條件下實施遠距離的生命體征的實時監(jiān)控。

　　本系統(tǒng)中運動量和生理參數(shù)的具體閾值范圍應結(jié)合運動醫(yī)學的具體理論并通過一定的人體運動分組實驗來確定。監(jiān)測儀的控制程序需要完成運動量的定量計算、運動者姿態(tài)的感知、運動量及生理參數(shù)的智能判別功能，當運動過度或生理參數(shù)指標不正常時進行報警提示。

結(jié)語

　　便攜式運動量及生理參數(shù)監(jiān)測儀能夠完成運動過程中的運動能耗評估、運動危險因素評價及運動干預管理等功能，使運動效率和安全性得到較大程度的提高。同時該監(jiān)測儀還可以用于醫(yī)學監(jiān)護和家庭護理，是一種專為個人健康管理服務的智能化儀器，具有可預見的廣闊市場前景。本文的設計方案在樣機實現(xiàn)過程中均取得了較好效果。