社會節(jié)奏的加快導致人們照顧小孩(尤其是嬰幼兒),、老人的時間和精力都大為減少,，而嬰幼兒患肺炎等一系列疾病都會在其體溫,、呼吸頻率等指標上得以反映(醫(yī)學表明肺炎患者的呼吸頻率明顯異常)，老年疾病則體現(xiàn)在血壓等指標上,。
另外,，現(xiàn)代社會的人對鍛煉身體的重視程度不斷提高，越來越多的人加入到了運動的行列,，而如何衡量自己鍛煉的質(zhì)量以及鍛煉后的身體狀況,，這卻需要運動愛好者有自我保健意識，比如了解自己在訓練完畢一定時間后,，脈搏,、呼吸頻率等體能指標是否已恢復到正常狀態(tài)(正常情況下，運動結(jié)束后,，在規(guī)定的數(shù)分鐘內(nèi),，心率和呼吸頻率等都應逐步恢復)。
上述兩方面的需求告訴我們,，有必要設計一些簡單方便的醫(yī)療電子系統(tǒng)來輔助人們照顧嬰幼兒,、老年人等群體，用于監(jiān)管這些弱勢群體的健康狀況,，測量嬰幼兒的體溫及呼吸頻率,，測量老年人的血壓;同時也用于輔助測量脈搏等與運動相關的體能指標，供運動愛好者監(jiān)管自己運動后的身體狀態(tài),。
但是,，目前市場上類似的醫(yī)療電子產(chǎn)品多為單一功能系統(tǒng),，限制了應用范圍，而隨著 “系統(tǒng)集成化”的發(fā)展趨勢一步步推進,，只能實現(xiàn)上述單一功能的單一系統(tǒng)將逐步被淘汰,，設計出能實現(xiàn)綜合功能的系統(tǒng)則是大勢所趨。
本文基于北京時代民芯科技有限公司自主研發(fā)的MXT8051單片機,，充分利用其內(nèi)部資源,，同時合理選擇外圍器件，給出了集血壓測量,、體溫測量,、呼吸頻率測量、脈搏測量等多個功能為一體的便攜式體檢計的設計方案,，并試圖追求低功耗,、高精度、高速度等特色,，對產(chǎn)品的最終實現(xiàn)有一定的參考價值,。
系統(tǒng)總體設計
MXT8051簡介
MXT8051是北京時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,，諸如數(shù)字部分的上電復位,、脈沖寬度調(diào)制(PWM)、串口(UART),、看門狗(WDT),、實時時鐘、內(nèi)部振蕩器和外部時鐘可選等模塊;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)模外設嵌入到低功耗的MCU中,，以MXT8051為核心器件來實現(xiàn)便攜式醫(yī)療電子設備的片上系統(tǒng)化相對容易很多。
系統(tǒng)組成
本文所給出的基于MXT8051的便攜式多功能體檢計的設計方案,，正是充分利用了MXT8051所提供的豐富的片上外設資源,，從而可以僅僅依靠簡單的外圍器件的配合，并通過軟件的協(xié)同工作,，將血壓測量,、體溫測量、呼吸頻率測量,、脈搏測量等多個功能集成在一個便攜的系統(tǒng)上,。
系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示，整個系統(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采集模塊,，以語音芯片和LCD為主的輸出顯示模塊，電源及鍵盤等系統(tǒng)控制模塊以及應用擴展模塊等,。
系統(tǒng)工作原理
由于本系統(tǒng)待實現(xiàn)的功能較多,，所以在系統(tǒng)總體設計階段給出一個較完善的架構(gòu)對后續(xù)的軟硬件設計至關重要。
針對血壓測量,，通過MPS系列的專用血壓傳感器來感知臂膀血流壓力,，同時利用MXT8051內(nèi)部的PWM波來控制馬達及對袖帶的充放氣，將采集到的模擬信號送往MXT8051內(nèi)部的OP,、ADC做模擬前端處理,，再用軟件算法做數(shù)字信號處理。
針對體溫測量,，利用單總線傳感器DS18B20來感知體溫信號,，在嚴格遵循DS18B20時序的情況下，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送往MXT8051處理,，利用軟件補償?shù)人惴▉硖岣呔取?/p>
針對呼吸頻率測量,，利用兩個熱敏電阻和兩個普通電阻構(gòu)成惠斯頓電橋，一個熱敏電阻感知環(huán)境溫度,，另一個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)境溫度不同而導致的橋路輸出變化，從而用電橋壓差信號來表征呼吸動作并輸入到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,。
針對脈搏測量,，利用聲音傳感器將腕部脈搏音信號轉(zhuǎn)化為電信號，同樣輸入到MXT8051內(nèi)部的OP,、ADC做模擬前端處理來實現(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一步的信號處理來達到脈搏測量的目的,。
針對測量結(jié)果的輸出顯示，有兩部分設計功能,，一是將測量值送往LCD顯示,，二是利用語音模塊告知用戶測量結(jié)果正常與否。
硬件設計
為達到充分利用MXT8051片上資源的目的,，本文綜合權衡了各種方案,，并合理地選擇外圍器件，力圖用最簡單的外圍電路來保證功能設計。整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示,，后續(xù)將分別詳細介紹各個模塊的設計,。
血壓測量模塊設計
對于血壓信號的感知，可采用Metrodyne Microsystem公司的MPS-2108傳感器,。它在血壓計,、數(shù)字壓力計及醫(yī)療設備領域的廣泛應用已表明其可以勝任本文所要設計的功能。MPS-2108傳感器和MXT8051的接口原理圖如圖3所示,。