基于MSP430的便攜式運(yùn)動(dòng)量及生理參數(shù)監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

　隨著我國經(jīng)濟(jì)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(guān)注，其健康理念已經(jīng)逐漸從單純“預(yù)防疾病”向“改善和促進(jìn)健康”轉(zhuǎn)變——即由“早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療”的二級(jí)預(yù)防向“利用各種健康促進(jìn)手段來改善健康狀況”的一級(jí)預(yù)防轉(zhuǎn)變。與此相適應(yīng)，智能化監(jiān)護(hù)儀器作為健康管理和促進(jìn)的重要手段已經(jīng)成為一個(gè)新興的應(yīng)用領(lǐng)域和重要市場，每個(gè)人都可以通過一定的健康促進(jìn)手段來對個(gè)人進(jìn)行“健康管理”。本文所述的便攜式運(yùn)動(dòng)量及生理參數(shù)監(jiān)測儀就是一種可用于個(gè)人健康管理的智能化儀器，其設(shè)計(jì)理念和應(yīng)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(shè)計(jì)

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

　　如圖1所示，便攜式運(yùn)動(dòng)量及生理參數(shù)監(jiān)測儀是一個(gè)典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意滿足微功耗、微型化及可靠性的要求。便攜式運(yùn)動(dòng)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(shí)間。因此，微功耗設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。微功耗設(shè)計(jì)的核心是最小功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)具體包括系統(tǒng)的運(yùn)行功耗分析、低功耗設(shè)計(jì)、功耗管理以及低功耗的軟件設(shè)計(jì)。

　　具體而言，便攜式運(yùn)動(dòng)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(chǔ)人體的運(yùn)動(dòng)信號(hào)、生理信號(hào)，并通過相關(guān)算法對數(shù)據(jù)作相應(yīng)處理;

　　● 具有友好的中文人機(jī)操作界面，能夠方便地設(shè)置和操作;

　　● 能夠與PC機(jī)方便地交換數(shù)據(jù)，并可通過PC機(jī)上的配套軟件進(jìn)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(yùn)動(dòng)傳感器、數(shù)字式血氧模塊、心電模塊以及信號(hào)調(diào)理單元構(gòu)成了系統(tǒng)內(nèi)的前向通道，人體的運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(gè)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(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)信號(hào)及各種生理信號(hào)的采集、接收和處理。提升了系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和集成度，能有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，較大程度提升系統(tǒng)的整體性能。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、血氧飽和度及心電信號(hào)等數(shù)據(jù)，需要根據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)芯片。

顯示與鍵盤接口單元提供了設(shè)置和操作本監(jiān)測儀的鍵盤接口，并通過圖形點(diǎn)陣液晶實(shí)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(jī)交互界面。

　　時(shí)鐘單元為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的時(shí)間坐標(biāo)，進(jìn)而能為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)提供可參照的起始和結(jié)束時(shí)間點(diǎn)。

　　數(shù)據(jù)通信單元提供本監(jiān)測儀與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換手段，既可以是串行、USB、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)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(gè)固定頻點(diǎn)下(如433MHz)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，或者是基于GPRS的遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

　　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(guān)系到系統(tǒng)的精度和可靠性。

運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊

　　運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊完成人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的輸入、放大和濾波，主要包括運(yùn)動(dòng)傳感器和信號(hào)調(diào)理單元。

　　運(yùn)動(dòng)傳感器一般可以有兩種形式：單維的振動(dòng)傳感器和三維的運(yùn)動(dòng)傳感器。前者如微振動(dòng)傳感器，是一種有源的微功耗振動(dòng)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(shí)時(shí)記錄跑步者的步數(shù)，并以此計(jì)算運(yùn)動(dòng)者的體能損耗。

　　更精確的人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)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(yùn)動(dòng)傳感器，其不僅能夠通過測量運(yùn)動(dòng)能耗來評估運(yùn)動(dòng)量，還能通過測量加速度來反映人體運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和頻率，能夠把人體的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不同幅度的電壓信號(hào)。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(yùn)動(dòng)傳感器元件。

　　如圖1所示，信號(hào)調(diào)理單元的作用是將傳感器輸出的微弱電信號(hào)(通常為電壓信號(hào))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(hào)，且信號(hào)調(diào)理單元對其前級(jí)的傳感器和后級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換模塊的影響要盡可能的小。

　　信號(hào)調(diào)理單元具體包括信號(hào)放大電路、濾波電路及精密電壓基準(zhǔn)電路等，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大、整形及濾波等功能。信號(hào)調(diào)理單元中的信號(hào)放大電路應(yīng)具有較強(qiáng)的共模抑制和差動(dòng)放大能力，實(shí)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(hào)放大電路對傳感器輸入信號(hào)的影響，減少溫度誤差。同時(shí)信號(hào)調(diào)理單元中的濾波器應(yīng)采用同相結(jié)構(gòu)的精密運(yùn)放和RC網(wǎng)絡(luò)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(jí)尤其是A/D轉(zhuǎn)換的影響。

　　信號(hào)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(hào)的精度直接決定著系統(tǒng)內(nèi)可采集到的人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)的精度，其電路結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度也直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體功耗和體積。因此信號(hào)調(diào)理單元的設(shè)計(jì)更要符合微功耗和微型化設(shè)計(jì)要求，能夠在單電源下工作，其信號(hào)放大范圍要與A/D轉(zhuǎn)換所需的信號(hào)幅度一致，在電路結(jié)構(gòu)上應(yīng)力求簡單，集成度要高，不宜采用分離元件太多的設(shè)計(jì)方案。

生理參數(shù)監(jiān)測模塊

　　從系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)和降低設(shè)計(jì)難度的角度，血氧飽和度、心電信號(hào)、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(shè)計(jì)。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(hào)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(hào)的檢測電路一般都較為復(fù)雜，因此也可以采用市面上已有的心電信號(hào)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(jí)程控增益，三級(jí)濾波方式(診斷方式、監(jiān)護(hù)方式和手術(shù)方式)，具有起搏脈沖抑制功能和導(dǎo)聯(lián)脫落報(bào)警功能，其檢測的心電信號(hào)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(gè)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(hào)的數(shù)據(jù)。這種直接采用已有集成式功能模塊進(jìn)行二次開發(fā)的設(shè)計(jì)思路，可以有效降低本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和提高系統(tǒng)集成度。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

　　由于監(jiān)測儀需要存儲(chǔ)大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的要求很高，存儲(chǔ)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(chǔ)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(guān)噪聲。AT45系列存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部還包括2個(gè)SRAM類型的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)的容量均與主存儲(chǔ)器陣列中一個(gè)頁面的存儲(chǔ)容量相同。這樣即使在存儲(chǔ)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(chǔ)的實(shí)時(shí)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(chǔ)器，如三星電子的K9xxGxxxxM系列NAND FLASH芯片，能夠提供4224M位的存儲(chǔ)容量。這種高存儲(chǔ)密度、大容量的并行FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片特別適用于本系統(tǒng)需要存儲(chǔ)大量實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)境。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮微功耗和實(shí)時(shí)性要求，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序應(yīng)是基于中斷程序結(jié)構(gòu)的，通過A/D中斷服務(wù)子程序來實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)來自于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊的三維運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過2個(gè)串行通信接收中斷服務(wù)子程序來分別接收和存儲(chǔ)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(hào)等生理數(shù)據(jù)。這些運(yùn)動(dòng)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(chǔ)到FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中。

　　由于來自于運(yùn)動(dòng)監(jiān)測模塊的三維運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)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(shí)序控制簡單，靈活性高。同時(shí)采用Timer_A定時(shí)器為A/D轉(zhuǎn)換模塊定時(shí)，使其工作在增計(jì)數(shù)模式，其定時(shí)時(shí)間對應(yīng)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(yīng)模式的，由32768Hz的時(shí)鐘晶振提供串行通信的時(shí)鐘信號(hào)源，通過2個(gè)串行通信接收中斷的響應(yīng)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(chǔ)芯片存儲(chǔ)本系統(tǒng)不同類別的大量數(shù)據(jù)時(shí)，需要注意F149內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的劃分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片內(nèi)不同數(shù)據(jù)區(qū)域的劃分。同時(shí)，在系統(tǒng)的主程序中需要維護(hù)幾個(gè)重要變量：如一個(gè)記錄頁面編號(hào)的全局變量，以確定數(shù)據(jù)讀寫時(shí)所需訪問的頁面;以及一個(gè)緩沖區(qū)標(biāo)志的變量，使得程序能夠根據(jù)標(biāo)志判斷當(dāng)前緩沖區(qū)是否存滿、是否需要切換及切換到哪個(gè)緩沖區(qū)。

　　另外，在編寫FLASH芯片的數(shù)據(jù)寫子程序時(shí)需要注意數(shù)據(jù)采集、接收與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之間的時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)讀寫過程中穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)也是需要優(yōu)先考慮的，而這點(diǎn)往往為設(shè)計(jì)者所忽略。

　　具體的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)量及生理參數(shù)監(jiān)測儀主要有兩種工作模式：運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場模式和醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)模式。

　　在運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場模式下，系統(tǒng)完成運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場的人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)(血氧飽和度、心率、體溫、心電信號(hào)等)的采集和存儲(chǔ)，并計(jì)算累計(jì)運(yùn)動(dòng)量的數(shù)值，根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(bào)警提示。同時(shí)監(jiān)測儀內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)還可以傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行后續(xù)的處理，如給出運(yùn)動(dòng)過程的分析報(bào)告，對運(yùn)動(dòng)過程的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。

　　在醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)模式下，監(jiān)測儀的運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)監(jiān)測，并可通過所聯(lián)微機(jī)的配套軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程報(bào)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(hù)理，為他們在遠(yuǎn)離醫(yī)院的條件下實(shí)施遠(yuǎn)距離的生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　本系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)量和生理參數(shù)的具體閾值范圍應(yīng)結(jié)合運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的具體理論并通過一定的人體運(yùn)動(dòng)分組實(shí)驗(yàn)來確定。監(jiān)測儀的控制程序需要完成運(yùn)動(dòng)量的定量計(jì)算、運(yùn)動(dòng)者姿態(tài)的感知、運(yùn)動(dòng)量及生理參數(shù)的智能判別功能，當(dāng)運(yùn)動(dòng)過度或生理參數(shù)指標(biāo)不正常時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

結(jié)語

　　便攜式運(yùn)動(dòng)量及生理參數(shù)監(jiān)測儀能夠完成運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)能耗評估、運(yùn)動(dòng)危險(xiǎn)因素評價(jià)及運(yùn)動(dòng)干預(yù)管理等功能，使運(yùn)動(dòng)效率和安全性得到較大程度的提高。同時(shí)該監(jiān)測儀還可以用于醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)和家庭護(hù)理，是一種專為個(gè)人健康管理服務(wù)的智能化儀器，具有可預(yù)見的廣闊市場前景。本文的設(shè)計(jì)方案在樣機(jī)實(shí)現(xiàn)過程中均取得了較好效果。