基于MSP430的便攜式運動量及生理參數監測儀設計

　隨著我國經濟和醫療衛生事業的快速發展，人們對自身的健康狀況越來越關注，其健康理念已經逐漸從單純“預防疾病”向“改善和促進健康”轉變——即由“早發現、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”的一級預防轉變。與此相適應，智能化監護儀器作為健康管理和促進的重要手段已經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監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了我國新興的健康管理產業的基本發展趨勢。

系統設計

　　便攜式運動量及生理參數監測儀能實時記錄和監測人體的運動數據，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;監測儀還能夠實時監測人體血氧飽和度、心電信號、心率、體溫等重要生理參數，從運動量和生理參數兩方面評估體育鍛煉或康復訓練中的運動是否過量，并根據運動量及生理參數的數值是否在安全范圍來決定是否進行報警提示。因此該監測儀既能保證運動效果，又可以有效預防因“過量運動”導致意外的發生。

　　如圖1所示，便攜式運動量及生理參數監測儀是一個典型的單片機應用系統，在系統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監測儀的現場使用性要求其電流消耗小，以降低系統的功耗，延長電池使用時間。因此，微功耗設計是系統設計的重要內容。微功耗設計的核心是最小功耗系統的設計，它不僅能降低系統功耗，還使系統具有較低的電磁輻射和較高的可靠性。本監測儀的微功耗設計具體包括系統的運行功耗分析、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監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據作相應處理;

　　● 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機方便地交換數據，并可通過PC機上的配套軟件進行后續數據分析和處理;

　　● 監測儀能方便地佩帶于人體，重量輕，體積小，1~2節電池供電。

　　如圖1所示，運動傳感器、數字式血氧模塊、心電模塊以及信號調理單元構成了系統內的前向通道，人體的運動數據和血氧飽和度、心電、心率等生理參數的數據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)，其片內集成有8通道12位精度的A/D轉換模塊、60kB的FLASH ROM和2kB的數據RAM，且具有硬件乘法器和2個串行通信接口。采用F149作為本系統的中央控制單元，可以在無需片外A/D芯片的基礎上實現運動信號及各種生理信號的采集、接收和處理。提升了系統的先進性、可靠性和集成度，能有效降低系統設計的難度，較大程度提升系統的整體性能。

　　數據存儲單元用于存儲系統內的運動數據、血氧飽和度及心電信號等數據，需要根據存儲容量、功耗、接口形式、存取速度、體積等要求選擇合適的數據存儲芯片。

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

　　時鐘單元為系統提供實時的時間坐標，進而能為數據的存儲提供可參照的起始和結束時間點。

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

　　電源單元為監測儀內的模擬和數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管理功能，其輸出質量直接關系到系統的精度和可靠性。

運動監測模塊

　　運動監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，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轉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)不失真地放大或調整到能夠直接由A/D轉換模塊采樣的幅度足夠的電壓信號，且信號調理單元對其前級的傳感器和后級的A/D轉換模塊的影響要盡可能的小。

　　信號調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，主要實現信號的放大、整形及濾波等功能。信號調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。同時信號調理單元中的濾波器應采用同相結構的精密運放和RC網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轉換的影響。

　　信號調理單元是本監測儀中模擬電路的主要部分，其調整后信號的精度直接決定著系統內可采集到的人體運動信號的精度，其電路結構和復雜程度也直接關系到系統的整體功耗和體積。因此信號調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轉換所需的信號幅度一致，在電路結構上應力求簡單，集成度要高，不宜采用分離元件太多的設計方案。

生理參數監測模塊

　　從系統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使用的監測血氧飽和度、心率等的集成功能模塊(簡稱為數字式血氧模塊)，其內往往已集成了信號處理內核(如Dolphin公司OEM-701模塊)，這種數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、體溫等數據，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、監護方式和手術方式)，具有起搏脈沖抑制功能和導聯脫落報警功能，其檢測的心電信號結果也可以通過串行接口輸出。

　　本監測儀的中央控制單元F149微控制器內包含有兩個串行通信接口—USART0和USART1，故可以直接接收數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據。這種直接采用已有集成式功能模塊進行二次開發的設計思路，可以有效降低本系統的設計難度和提高系統集成度。

數據存儲單元

　　由于監測儀需要存儲大量的現場數據，對數據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，能有效降低系統所占空間，提高系統可靠性，降低開關噪聲。AT45系列存儲器芯片的內部還包括2個SRAM類型的數據緩沖區，每個緩沖區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據，這就為數據存儲的實時性和可靠性提供了硬件保證。

　　本監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數據存儲芯片特別適用于本系統需要存儲大量實時的運動數據、生理數據的應用環境。

數據存儲程序

　　數據存儲程序設計時要重點考慮微功耗和實時性要求，即數據存儲程序應是基于中斷程序結構的，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測模塊的三維運動數據，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據。這些運動和生理數據首先由F149微控制器放置于其內的2KB數據RAM內，并通過頁寫入方式存儲到FLASH數據存儲芯片中。

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

　　用于接收生理數據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、體溫和心電數據填充到系統的數據RAM中。

　　在利用FLASH數據存儲芯片存儲本系統不同類別的大量數據時，需要注意F149內數據緩沖區的劃分、數據存儲芯片內不同數據區域的劃分。同時，在系統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，以確定數據讀寫時所需訪問的頁面;以及一個緩沖區標志的變量，使得程序能夠根據標志判斷當前緩沖區是否存滿、是否需要切換及切換到哪個緩沖區。

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

　　具體的數據存儲程序的流程如圖2所示。

監測儀的工作模式和流程

　　便攜式運動量及生理參數監測儀主要有兩種工作模式：運動現場模式和醫學監護模式。

　　在運動現場模式下，系統完成運動現場的人體運動數據、生理數據(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值，根據運動量是否過量及生理數據是否在安全范圍來判斷是否給予報警提示。同時監測儀內存儲的數據還可以傳輸到PC機上進行后續的處理，如給出運動過程的分析報告，對運動過程的所有數據進行數據庫管理。

　　在醫學監護模式下，監測儀的運動監測模塊主要用于病人姿態的感知，系統側重于臥床病人的主要生理參數的連續實時監測，并可通過所聯微機的配套軟件進行遠程數據傳輸和遠程報警。本監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，為他們在遠離醫院的條件下實施遠距離的生命體征的實時監控。

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

結語

　　便攜式運動量及生理參數監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。同時該監測儀還可以用于醫學監護和家庭護理，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過程中均取得了較好效果。