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隨著社會的發展，人們的醫療保健意識越來越強，所以醫生的培訓也就成為非常重要的環節。雖然測量血壓是一項較簡單的技術，但若操作不規范，所測血壓數值與實際血壓相比也常出現誤差，不能客觀真實地反映病人的血壓情況。血壓測量作為學生的基本考核部分，以往都是通過直接的人體測量，但老師不知道在當時情況下人體的血壓狀況，同時測量情況又受到外界環境的干擾，所以給考核造成一定的困難。該系統可以隨意設置血壓情況，使得測量情況更加豐富，以盡快提高醫生的血壓測量技術。該血壓模擬發生器是根據柯勞克氏技術(血壓測量時聽診器在動脈上聽到的5個時相的聲音)以及現代醫學的相關規定，嚴格按照脈搏發生的規律。發出的聲音逼真、效果良好，可以在不同的心率下判斷血壓收縮壓和舒張壓等各項指標，可以用于醫療培訓機構的培訓工具，使學員快速掌握血壓測量方法。該系統配合血壓手臂，壓力表，聽診器使用，具有廣闊的市場前景。 本文介紹的血壓模擬發生器是以凌陽16位單片機SPCE061A為控制核心，充分利用凌陽單片機所帶有的強大語音功能，以符合實際情況的順序播放柯勞克氏音，同時實現電磁閥跳動模擬人體脈搏搏動。可以設置相應的收縮壓、舒張壓、聽診間隔，還帶有誤差校準功能，誤差值不超過2 mmHg。 1 系統結構和設計方案 系統主要包括凌陽16位單片機SPCE061A，傳感器輸入模塊，電磁閥驅動模塊，語音播放模塊，液晶顯示模塊，鍵盤控制等幾個部分。本系統采用凌陽16位單片機SPCE061A作為主控制芯片，該芯片CPU時鐘O．32～9．152 MHz(2．6～3．6 V)；內置2 KB SRAM和32 KB FLASH；32位可編程的多功能I／O端口；兩個16位定時器／計數器；可編程音頻處理；系統備用狀態下(時鐘處于停止狀態)耗電僅為2μA；7通道10位電壓模／數轉換器；雙通道10位DAC方式的音頻輸入功能，只需要外接功放(SPY0030A)即可完成語音的播放，方便實現系統的語音功能；14個中斷源可來自定時器A／B時基，2個外部時鐘源輸入；具備觸鍵喚醒的功能。另外該單片機具有自己的集成開發環境，支持標準的C語言。可以實現C語言與匯編語言的相互調用，并提供了語音播放的庫函數，這樣很容易就完成語音的播放，為軟件開發提供了方便的條件。血壓模擬發生器總體系統設計方案如圖1所示。 2 系統硬件部分 該部分主要分為SPCE061A系統部分，電源管理模塊，電磁閥驅動，氣體壓力傳感器，語音輸出，液晶顯示，鍵盤設置。系統在單片機的控制下，由氣體壓力傳感器對壓力采集，并進行A／D轉換后交給MCU，將測量結果與預設值進行比較，播放脈搏跳動聲音。同時電磁閥開始工作。系統硬件連接圖如圖2所示。 2．1 電源管理模塊 電源管理是任何電子產品都無法回避的問題，也是系統的核心部分，隨著能源成本的提升，降低功耗成為電子產品的競爭優勢之一。以移動性取勝的便攜式產品中以電池供電為主，降低能耗成為便攜式產品中電源管理急需解決的問題。系統電源部分采用MAX1705升降壓芯片和BQ2057充電管理芯片，MAX1705具有低功耗，高效、低噪聲的特點，輸出電壓在2．5～5．5 V范圍內。最大輸出電流850 mA，完全可以滿足大部分便攜式儀器的需要。同時還采用了美國TI公司生產的先進鋰電池充電管理芯片BQ2057，它適合單節或雙節鋰離子電池的充電需要，BQ2057可以動態補償鋰電池組的內阻以減少充電時間，帶有可選的電池溫度監測，利用電池組溫度傳感器連續檢測電池溫度，當電池溫度超出設定范圍時BQ2057關閉對電池充電。內部集成的恒壓恒流器帶有高／低邊電流感測和可編程充電電流，充電狀態識別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實現，具有自動重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。利用該芯片設計的充電器外圍電路極其簡單，非常適合便攜式電子產品的緊湊設計需要。 2．2 氣體壓力傳感器 該模塊采用摩托羅拉公司的MPX5100系列氣體壓力傳感器，可以承受0～100 kPa的壓強，輸出電壓在O．5～4．5 V的范圍內，可以滿足凌陽單片機I／O的電壓輸入范圍，通過凌陽單片機的A／D轉換采集氣體壓力傳感器電壓的變化，由于血壓計壓力表的量程范圍是0～300 mmHg，根據760 mmHg="101".3 kPa，得到300 mmHg="39".9868 kPa，并且壓力傳感器的輸入與輸出為線性關系，根據多次測量得到公式： ADValue=K1Value*mmHgValue+offset*K2Value 其中：ADValue為電壓經過AD轉換后的數字量；mmHgValue為壓力表上的刻度值；K1Value=1．8；K2Value=329.17；offset=0.2，offset為校準系數，通過調整offset可以使誤差控制在2 mmHg。 2．3 電磁閥驅動電路 該部分主要是模擬人體脈搏跳動，為了更好地模擬血壓測量環境，帶來更加逼真的效果，采用的電磁閥靈敏度高、噪音小，其吸合電流為100 mA，釋放電流為12 mA，工作電壓為5 V，當系統初始化以后電磁閥便開始根據設定的心率值工作。通過MCU控制其跳動頻率，為了增大驅動電流采用達林頓管，其放大倍數是兩個三極管放大倍數的乘積，達到小的基極電流控制大的集電極電流的目的，驅動電磁閥工作，如圖3所示。 2．4 語音輸出模塊 凌陽SPCE061A單片機支持語音播放技術所要求的硬件和軟件的全部功能。硬件方面，SPCE061A有兩類D／A轉換通道，一類是直接采用數／模轉換的DAC方式，另一類是采用脈寬調制的PWM驅動方式，其結構是由兩個DAC通道或一個PWM驅動通道構成。兩類實現方式實質都為數／模轉換，都是將數字信號轉換成模擬電流信號輸出。該設計的音頻輸出采用雙通道數／模轉換DAC方式，即數字信號通過10位DAC轉換成3 mA驅動的模擬電流信號輸出，經SPY0030A芯片信號放大后，由揚聲器輸出。音頻電路圖如圖4所示。 2．5 液晶顯示模塊 系統采用的CMS-TG94DYSG-w小型液晶顯示模塊，該128×64點陣液晶顯示模塊具有20個引腳。價格低廉，數據可讀可寫，使用方便。其驅動芯片采用三星電子公司生產的KS0713。它是一種小型的大規模集成并帶有驅動器的點陣型液晶控制芯片。KS0713體積小，外觀尺寸只有42 mm×39 mm，可直接由微處理器控制，數據讀寫操作不受外部時鐘控制，集成化程度高，自帶液晶所必需的電源驅動。 2．6 低功耗設計 SPCE06lA在功能上增加了睡眠與喚醒功能。當IC在接受到睡眠信號后關閉系統時鐘(PLL振蕩器)，進入睡眠狀態。可以通過對P_SystemClock(寫)(7013)單元寫入CPUCLKSTOP控制字(CPU睡眠信號)使系統從運行狀態轉入低功耗睡眠狀態。系統進入睡眠狀態后，通過設置該單元的第4位可以打開或關閉32 768 Hz實時時鐘，同時程序計數器(PC)會停在程序的下一條指令計數上，當有喚醒事件發生后，由此繼續執行程序。只有當IOA[7～O]內位的控制字為000，001和010時，相對應位才具有喚醒功能。系統收到喚醒信號后會接通PLL振蕩器，同時回響應喚醒事件的處理并初始化。CPU需要200μs的時間完成喚醒，隨意喚醒睡眠的頻率不能超過5 kHz，否則CPU無法進入睡眠模式。該系統在規定時間內沒有接收到按鍵觸發即轉入休眠狀態。 3 軟件設計 SPCE061A單片機內部具有9個中斷向量，可安置14個中斷源。14個中斷源分為兩個定時器溢出中斷、兩個外部中斷、一個串行口中斷、一個觸鍵喚醒中斷、7個時基信號中斷、PWM音頻輸出中斷，可以靈活地配置給各個模塊使用。圖5為主程序流程圖。本設計的軟件采用C語言編寫，整個程序包括主程序、A／D轉換、鍵盤掃描子程序、延時子程序、顯示及語音播放子程序等。系統啟動后，先進行初始化操作，初始化程序主要完成I／O端口初始化、開定時中斷、調用開機顯示界面、接收鍵盤賦值，驅動電磁閥跳動等。然后進入循環，接收傳感器輸出電壓值，與預設值進行比較后，根據設定調用語音播報函數，SPCE061A自帶有多種音頻壓縮算法，具有豐富的語音函數庫可分別實現高保真音樂、普通話音等語音效果。 本設計采用SACM_A2000音頻壓縮算法提供音頻輸出，使用SACM A2000模塊的函數進行開發，可直接調用相應的API函數，軟件編程容易，可方便地完成語音的播放，大大節省了開發設計的時間。 4 結 語 本文詳細介紹了為醫療培訓機構開發的便攜式血壓模擬發生器。功能上主要是把應用越來越廣泛的SPCE061A單片機自帶的數字語音處理應用于醫療設備。系統利用了SPCE061A單片機強大的處理能力，以及豐富的外圍接口，SPCE061A片內有32 KB的FLASH ROM，該系統完成所有功能僅占用一半的FLASH資源，可擴展的空間還很大。系統成本低、操作方便，經大量實驗測試表明，其性能穩定，功耗低，并且在系統功能擴展上具有較大的潛力，有很好的應用前景。 |
