基于MSP430單片機的血氧儀的設計與實現

彭克勤

北京信息科技大學

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基于MSP430單片機的血氧儀的設計與實現

彭克勤

北京信息科技大學

摘要：血氧儀測量的都是臨床醫療上重要的基礎數據。基于MSP430f5419的血氧儀，是以MSP430f5419單片機為核心、采用TI 的AFE4401芯片做為血氧采集部分、外接OLED顯示屏的一款便攜式血氧儀。本文闡述了此類便攜式血氧儀的一個設計方案和軟硬件實現方法。

1　項目背景

生活水平的提高，越來越多的人選擇購買一些醫療設備如血氧儀等來使用，因而醫用設備開始往小型化、智能化、低成本化發展等趨勢。血氧儀主要測量指標分別為脈率、血氧飽和度、灌注指數（PI）。血氧儀測量的都是臨床醫療上重要的基礎數據，是診斷心臟病的必要設備。若要體積小，必須將控制系統小型化、功耗低。根據這些需求，本文選擇控制核心用MSP430f5419,血氧采集部分選用TI的集成方案即AFE4401。

2　血氧儀系統設計及硬件實現

2.1主要硬件元器件介紹

2.1.1單片機MSP 430特點

MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125ns。

MSP430系列單片機的電源電壓采用的是1.8～3.6V電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在200～400uA 左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 0.1uA ，由于系統運行時打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（ LPM0～LPM4 ）。在等待方式下，耗電為0.7uA ，在節電方式下，最低可達 0.1uA 。

豐富的片上外圍模塊 MSP430 系列單片機的各成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器 A （Timer_A）、定時器 B （Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驅動器、10 位 /12 位 ADC 、IIC總線直接數據存取（DMA）、端口O（P0）、端口1～11（P1～P11）、基本定時器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器；16位定時器（Timer_ A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數、時序發生、PWM 等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口，最多達 6*8 條 I/O 口線；P0、P1、P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉換器有較高的轉換速率，最高可達200kbps 。

豐富的片上資源，具有低功耗的優點，非常適合做便攜式產品，本文就是以此低功耗的特點來設計。

2.1.2血氧采集模塊AFE4401介紹

AFE4401支持常見的陽極配置；100 dB的動態范圍；6位可編程的LED電流改成50 mA；同時支持3發光二極管的優化；血氧飽和度或多波長動脈血氧飽和度。

脈沖頻率10 SPS 1000 SPS；靈活的脈沖序列和定時控制；靈活的時鐘選項：外部時鐘:4-60 MHz時鐘輸入和內部時鐘:4 MHz振蕩器；I2C接口和SPI接口。

2.2系統結構原理框圖

血氧儀由三部分組成：核心控制CPU MSP430f5419、模擬采集部分、顯示界面部分三部分組成，其關系如圖1所示：

圖1　血氧儀硬件結構圖

工作原理：整個系統在不使用時，處于待機工作模式，關閉所有外設；當需要使用時，按下使用按鍵，系統處于正常工作模式，此時單片機MSP430f5419初始化AFE4401芯片控制血氧探頭的兩只LED發光（紅光和紅外光），當AFE4401正常工作時，此芯片會每隔8.1MS產生一次中斷，通知單片機MSP430f5419開始采集數據。當采集到的AD值經過濾波后，每10組AD值進行一次運算，算出血氧含量，再通過OLED屏M00930_VGM顯示當前的值。

2.3硬件電路圖

在本文中，按照功能應用來分，大致分四部分：單片機控制電路、OLED屏控制接口電路，電源控制電路，AFE4401芯片控制接口電路。

2.3.1單片機MSP430f5419控制電路

單片機MSP430f5419控制電路如圖2所示，它是由采用外部晶振16M做為時鐘主頻，32768HZ為RTC時鐘，上電復位電路。

圖2　單片機MSP430f5419控制電路

圖3　電源控制電路圖

圖4　OLED屏控制接口電路圖

圖5　AFE4401芯片控制接口電路圖

圖6　主程序流程圖

2.3.2 電源控制電路

電源控制電路如圖3所示，本系統中，電源部分采用鋰電池供電，因此需要考慮到充電部分，采用BQ24040做為鋰電池的充電部分，當外接電源時，外接電源給電池充電；開機喚醒系統采用外部按鍵，當系統上電時，單片機處于待機狀態，此時按下按鍵，單片機被喚醒，打開AFE4401、OLED屏的電源并初始化，然后等待接收數據及處理數據。

2.3.3OLED屏控制接口電路

OLED屏控制接口電路如圖4所示，由于本文需要考慮到功耗的問題，因此，在系統中需要設置電源控制電路，當不使用時，應該關閉屏幕電源，以節省系統電源。OLED屏與單片機MSP430f5419采用IIC接口, IIC工作頻率在100KHZ。

2.3.4AFE4401芯片控制接口電路

AFE4401芯片控制接口電路如圖5所示，本系統中，AFE4401芯片為TI公司的血氧集成解決方案。

如圖5所示。

3　軟件設計及實現

按照功能來分，主要分為三部分：主程序、中斷程序、顯示程序等部分。每個功能即相互關聯，又相互獨立。下面按功能要求來講述。

3.1主程序

程序上電時，首先依次進行時鐘初始化、AFE4401進行初始化、OLED屏初始化、外部中斷初始化；然后進入低功耗等待數據采集、處理數據、顯示數據。

主流程圖如6所示。

3.2中斷程序

將MSP430f5419的GPIO口的設置成中斷口。當有按鍵按下時，進入中斷，將其產生的中斷標志成使能狀態，當外AFE4401產生中斷，也將需要讀取數據的標志使能。其中斷部分程序如下：

（三）OLED程序

在這里只列出一部分，其他部分暫略。

4　結束語

本文針對“便攜式血氧儀”這樣一個正在走入每個家庭的微型醫療儀器，詳細介紹了其系統設計方案和軟硬件實現方法。該設計方案可以在上市產品中使用。本文也是MSP430系列16位超低功耗單片機的一個應用實例。

參考文獻

[1]Datasheet_AFE4401_Rev1.1_Choicemed_Nov10_2014.pdf

[2]最新M00930_VGM064032A0W01_D02_20140627 .pdf

[3]洪利、章揚、李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解（2010.7）

[4]沈建華、楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐（2010.7）

作者介紹

彭克勤，女，碩士，副教授。

關鍵字：單片機 MSP430f5419 血氧儀 AFE4401