利用高效能模擬器件簡化可攜式醫療裝置設計
目前，醫療電器 oem廠商正在開發技術含量更高的、用於**和監控常見疾病的個人保健裝置。這些產品**合理，極大提高了醫療保健質量。mcu在家用血壓計、肺活量計、脈搏血氧計及心率監測器等可攜式醫療裝置中起著重要作用。大多數此類產品中的實際生理訊號是模擬訊號，在測量、監控或顯示前需要進行放大、過濾等處理。
將高效能模擬外設嵌入超低功耗 mcu 中，不僅可以實現可攜式醫療電子裝置的片上系統化，而且還可延長電池使用壽命。本文將介紹簡化可攜式電池供電醫療裝置的模擬前端設計的多種方法，如將運算放大器、adc、dac等高效能外設與低功耗mcu結合使用。mcu 具有數字濾波、處理功能，還可以顯示血壓、肺活量、心率及血氧含量等生理資料。將上述外設與 mcu 結合使用，不僅可以實現上述全部功能，而且還可通過關閉外設使其進入待機模式(電流消耗僅為幾ma)來滿足功耗要求。
msp430fg4619就是乙個很好的例子，其16 位risc cpu不僅能提供所需的訊號處理能力，而且還具有超低的工作電流，使電池在此類應用中的壽命可達數年之久。該 mcu 整合了運算放大器、12位多通道adc及雙 12 位 dac等外設，是模擬訊號處理電路的一部分。除嵌入高效能模擬外設之外，該器件還具有 120kb的片上快閃儲存器及通用序列通訊介面(usci)。 以下為整合模擬外設實現醫療產品單晶元解決方案的具體介紹。
血壓計
圖1 血壓計功能結構圖
mcu 中pwm 輸出控制的直流電馬達對袖袋進行充/放氣。這是該血壓計唯一用到 6v 電源驅動馬達的地方。如果不能滿足電源需求，整個血壓計可以用一節 3v 鋰離子鈕扣電池供電。不過，目前只有少數馬達可以靠這種高阻抗鈕扣電池驅動，所以，此例可以使用4節普通低成本aaa鹼性電池及低壓降穩壓器 (ldo) 為mcu提供 3.3v電源。假設每天測量兩次血壓，這些電池可以使用兩年。mcu可以長期工作在活動顯示計時模式，原因是該模式的電流消耗非常小。另外，使用者檢視儲存的血壓讀數時也不會增加電流消耗。此外，整合的雙通道 dac能夠產生相移180°的正弦波，從而可以提高變送器效能。
肺活量計
肺活量計也稱為肺功能測試 (pft)裝置，在醫療診斷中用於測試肺容量。在該應用中，測量引數是一定呼氣時間內的氣流量，單位為公升/分鐘。所用感測器是氣動變送器，實際上是壓差變送器。除了無需充氣馬達外，該肺活量計與血壓計設計類似。3個mcu運算放大器用作測量氣流的感測器放大器。肺活量計其他部分的設計比較簡單，12 位 adc的作用是測量氣流並與儲存的標準化數值進行比較。快閃儲存器有助於儲存各種標準化數值，使設計適用於各種情況。圖 1 可以作為該肺活量計的參考設計(系統所用的變送器比較相似)。請注意，肺活量計無需馬達控制。另外，mcu的低功耗特性延長了電池使用時間，其高整合度降低了成本並提高了系統可靠性。
圖2 差動放大器
脈搏血氧計及心率監測器
心率監視和脈搏血氧計採用的技術不止一種。本文著重介紹非侵入式光學體積描記技術。此類血氧計採用配有mcu的外部探頭，能夠顯示血氧飽和度及脈搏率。在此應用中，同乙個感測器可同時用作心率檢測及脈搏血氧測量。該技術提供了估測動脈血氧飽和度和心率的簡單而精確的辦法。探頭置於指尖、耳垂和鼻子等身體不同位置。探頭包含兩個發光二極體(led)，其中乙個發射可見紅光(660nm)，另乙個發射紅外線(940nm)(見圖 3)。光束通過人體組織到達光電檢測器。在通過人體組織時，紅血球中的血色素會吸收部分光線，吸收量因血氧飽和度的不同而不同。首先，通過測量對兩個波長光線的吸收量，mcu能夠精確計算出氧化的血色素比例。其次，通過人體組織的光線中含有因心跳造成動脈血量不同而產生的脈衝分量。
圖3探頭上配有兩個led
必須使用恆流源驅動這兩個led，以確保測量過程中保持穩定的亮度。具有自動增益控制(agc) 反饋的恆流源可以通過採用內部 dac及簡單mcu演算法而獲得。mcu能夠選擇輸出血液脈動部分的吸收量，動脈血液、非脈動靜脈血液或毛細血管血液以及其它人體組織色素均會吸收光線。最新測量技術降低了測量血氧飽和度時的干擾效應。兩個led週期性開啟，紅光led開啟，然後紅外線led開啟，最後兩個都關閉，每秒鐘重複幾次，這種時分多路復用技術消除了背景雜訊的干擾。相位正交復用技術可使紅色光及紅外線先按相位(而不是時間)分離，隨後又組合。這種更先進的技術有可能消除運動或電磁干擾產生的大氣干擾，原因是兩種led訊號在再組合時相位有差異 。5~20s可 以測出平均血樣飽和度，通過連續脈動訊號之間的led週期數能夠計算出脈搏率，得出脈搏率平均值大概與得出飽和度平均值的時間近似，這與具體的監控器有關。
mcu根據兩種頻率光線的吸收比例計算兩個引數的比值。mcu 快閃儲存器中儲存了一系列通過實驗得到的血氧飽和值(志願者在實驗中呼吸氣體的氧氣含量逐漸增加)。mcu將測量到的兩種光線波長吸收率的比值與儲存值比較，然後以百分比顯示血氧飽和度。通常情況下，血氧飽和值在70%~100%之間，低於70%的資料是估測得出的，因為無法獲得人體血氧含量低於70%的資料。
基於msp430fg461x的脈搏血氧計結構圖如圖4所示。該應用具有完整的模擬前端解決方案，其中包括整合運算放大器、adc及 dac。dac與片上參考電路形成驅動 led 的恆流源。其中乙個運算放大器用作感測器光電二極體的i/v轉換器。通過使用dac輸出及 mcu 執行的軟體演算法來調節led 亮度，由此實現自動增益控制。adc將放大後並經過濾波的輸出訊號進行數位化處理，而mcu中的軟體則計算出平均值。至此完成了紅光、紅外線光源及雙方比值的資料採集和計算。該比值與儲存的標準資料比較後得到精確的血氧飽和度值。計算出的血氧百分比值顯示在lcd上。a/d轉換值也含有心率資訊，軟體在5s左右可以計算出心率平均值，該值也同時顯示在 lcd上。另外，mcu的pwm輸出驅動壓力蜂鳴器，每心跳一下就發出一次短暫蜂鳴。通過這種週期性蜂鳴可以判斷感測器位置及訊號採集是否正常。
圖4 基於msp430fg461x的脈搏血氧計
結語
在上述可攜式醫療應用中，超低功率微控制器msp430fg461x作為單晶元解決方案，具有多種優勢。adc的高精度很容易滿足測量類應用的需求。片上運算放大器及 dac非常有助於訊號調節和自動增益控制。為測量類應用選擇了合適 的mcu之後 ，系統設計師下一步就要進行軟體開發。由於mcu能夠提供片上**功能，所以設計人員可以通過jtag埠進行實時除錯。現有多種編譯器及偵錯程式可用，且偵錯程式硬體很便宜。偵錯程式硬體需要乙個簡單的邏輯電平轉換器連線至pc並行埠，且無需傳統的ice介面。全功能實時**可以在晶元內建硬體上設定斷點，因而在除錯的同時能夠實現全速執行。該器件的高整合度和**開發方便性顯著降低了系統設計成本。除錯過程中可以隨時重新整理快閃儲存器中的程式**，從而極大縮短了開發時間，所以，選擇該mcu能夠有效縮短產品上市時間。另外，120kb的系統內可程式設計快閃儲存器同時可以作為資料記錄器使用。
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