基于MSP430睡眠呼吸暂停监护仪的设计

第 39卷 第 4期 2008年 7月 太 原 理 工 大 学 学 报 JOURNAL 0F TAIYUAN UNIVERSITY 0F TECHN0L0GY V01．39 NO．4 Ju1．2008 文 章 编 号 ：1007 9432(2008)04—039卜03 基于 MSP430睡眠呼吸暂停监护仪的 白凤娥 ，辛海琴 ，刘学军 (1．太原理工大学计算机与软件季院，山西太原030024；2．山西医科大学第一医院，山西太原030001) 摘 要 ：设 计 了 以低 功 耗 单 片 机 M SP430为 核 心 的 睡 眠 呼 吸 暂 停 监 护 仪 ，用 硅 压 阻 式 传 感 器 采 集呼 吸 信 号 ，通 过 MSP430F149进 行 数 据 处 理 和 电路 控 制 ，N-呼 吸 速 率 和 呼 吸 波 形 图 在 液 晶 屏 上 显 示 出 来 ，当 病 人 出现 呼 吸 暂 停 症 状 或 仪 器 工 作 电源 电 压 发 生 异 常 时进 行 声 光 报 警 ，并 具 有 N-这 些 呼 吸 数 据 和 信 号 向上 位 PC 机 利 用 串行 方 式 传 输 等 功 能 。 该 仪 器 具 有 低 功 耗 、便 携 、价 廉 等 特 点 ，在 医院 临床 和 家庭 监 护 中有 较 大 的 推 广 应 用 价 N-。 关 键 词 ：睡 眠 呼 吸 暂 停 综 合 症 ；监 护 仪 ；M SP43OF149；硅 压 阻 式 传 感 器 中 图 分 类 号 ：TP368．1 文 献 标 识 码 ：A 随着计算机技术 和电子技术的迅速发展，近些 年来 ，市场上已推出不同档次的动态睡眠呼吸暂停 记录与系统 ，而此类仪器价格 昂贵且基本需从 国外进 口，不适合在 国内医院和患者 中推广使用。 所以设计一种低功耗、体积小 、价格便宜的呼吸系统 监护仪是十分必要的。 1 原理 据医学生理学原理 ，在肺通气阻力一定时 ，推动 气体流动的压力越大 ，单位时间内气体流量就越大， 当气道管径一定时，气体流速也就越大 ，反之亦然。 人的呼吸途径有两个 ，一个是鼻腔 ，另一个是口 腔。在呼吸时 ，口、鼻腔处由于气流流过而使压力发 生变化。将压力传感器固定在鼻腔或 口腔下方，在 呼吸时 ，口鼻腔底部 由于气流流过使压力发生变化， 传感器就会将受到的压力信号转换为电信号从而得 到呼吸信号 ，因此人体 的呼吸状态可以通过检测 口 鼻腔处压力变化获得l3]。 本睡眠呼吸暂停监护仪主要功能包括 ： 1)电源电压 、气道压力、呼吸速率信号的检测 ； 2)液晶屏实时时间、呼吸速率及系统异常情况 的显 示 ； 3)数据的上传。 2 硬件设计 硬件设计包括 ：MSP430F149、电源单元、键 盘 单元、信号调理单元 、液 晶显示单元、报警单元 、PC 通信单元 。系统结构如图 1所示。 P6 r0．4、 电源单元 } p’rn． 、 MSP430 键盘单元 } F149 信号调理单元 兰 图 1 系 统 结构 框 图 2．1 MSP430F149 通过检测与 MSP43OF149的 P2口连接的键盘 状态来设置不呼吸的电压范围参数 ，P6口接 电源电 压信号和呼吸电压信号进行 A／D转换，并把转换后 的数据进行处理 ，在液晶屏上显示呼吸状态实 时波 形图和呼吸速度 ，出现异常时通过 P4口接 的发光 二极管和蜂鸣器报警，P3．4和 P3．5接 PC通信单 元实现数据上传功能。 2．2 电源单元 采用 DC12V输入电压 ，利用稳压芯片 L7810、 L7805、AS281O一33和 LM317把输入电压依次转换 成 DC10 V、5 V、3．3 V和 2 V用作传感器 、液晶屏 、 MSP43OF149和信号放大芯片的工作电压。为了减 少干扰 ，每个芯片的电源端都加上 电容进行滤波处 理 ，另外 ，用 MSP43OF149中的 P6口对单片机 的工 作电压和 AD620的参考电压进行检测 ，出现异常即 进行报警 。 收稿 日期 ：2008—02—20 作者简介：白凤娥(1 966一)，女，山西临县人，教授，主要从事计算机监控系统、嵌入式系统研究，(Te1)13835102363 维普资讯 http://www.cqvip.com 392 太 原 理 工 大 学 学 报 第 39卷 2．3 键盘单元 本系统用到的按键有六个 ，分别是 ：“开／关 (K— on／off)”、“功 能 (K—Function)”、“增 加 (K— In— crease)”、“减少(K—Decrease)”、“确认 (K—Enter)” 和“报警解除(K—Relicve)”，如 图 3所示 。“开／关” 键中“开”显示呼吸暂停最大上限、呼吸暂停最小下 限和初始时间 ，“关”清屏，“功能”键与“增加”键、“减 少”键组合修改呼吸暂停上限、呼吸暂停下限和时间 参数 ，“确认”键结束呼吸暂停上限、呼吸暂停下限和 时间参数的修改，显示呼吸速度和时间，“报警解除” 键用来清除报警标志以解除呼吸异常或电源异常报 警信号_4]。 2．4 信号调理单元 采用 Honeywell公 司生 产的差压型硅 压阻式 传感器 26PCBFA6D采集呼吸信号 ，即把 呼吸时 与 外界产生的压力 差转换成毫伏 级的双极性电压信 号，调理单元电路对采集到的信号放大滤波得到 0 -- 3．3 V满足 MSP430F149 A／D转换量程范 围的 电压信号。调理后的信号 与 MSP43OF149的 P6．5 连接 ，以完成模数转换和数据处理 ，电路图见图 2。 - l2 V 图 2 信号调理电路 图 2．5 液晶显示单元 液 晶显示单元采用 LCM128645ZK模块 ，它包 括液晶屏幕、液晶驱动器和中文字库。该模块的字 型 ROM 内含 8 192个 16×16点 中文字型 和 128 个 16×8半宽的字母符号字型；绘 图显示画面提供 一 个 64×256点 的绘图区域 GDRAM。单片机 P5 端口和液晶屏 的数据线相连 ，P3．0、P3．1、P3．2三 个引脚分 别连 接液 晶屏 的 RS、R／W、E三根控制 线 。液 晶屏上可以显示报警信息 、实时 的呼吸速率 和实时时间。 2．6 报警单元 在单片机工作电压异常、AD620参考 电压异常 和呼吸异常三种情况下进行报警。 电压有 3．3±0．5 V 和 2±0．5 V，如果某个电 压超过其正常工作 范围，则认为系统工作电压发生 异常。呼吸异常是指 呼吸停止时间超过 10 S的情 况。如果出现以上三种异常情况 ，发光二极管亮蜂 鸣器响并可向上位机发送报警信息 。 2．7 PC通信单元 为了对采集到的数据(呼吸率 、实时信号 、呼吸 异常信号等)进行深入处理(如统计分析、存档打印、 绘制波形图等)，需将数据从监护仪送至上位 PC机 中。监护仪和 PC机的数据传输采用 RS232串行通 信方式来实现。在监护仪端用 MAX232芯片来完 成接口电平的转换。 3 软件设计 软件在 IAR Embedded Workbench环境下开 发 ，由主程序 、中断服务子程序和其他子程序组成 。 3．1 主程序 主程序 主要 负责与各个 中断服务程序进行交 互 。首先设 置看门狗定时器 、关 中断、系统 自检 ，其 次初始化单片机中用到的各个模块、参数和变量 ，然 后开中断允许单片机 响应各种 中断，然后进行报警 处理 ，继而使单片机进入低功耗模式等待中断的到 来。主程序如图 3所示。 ( 开始 ) =工二 设置看门狗 ——T一 关中断 二[ 系统自检 初始化 —] 一 开中断 三[ 报警处理 —]厂一 低功耗 圈 3 主 程序 流 程 圈 3．2 中断服务子程序 本系统设计的特点是采用 中断事件驱动技术 ， 目的在于降低功耗。在主程序设 置了 LPM0低功 耗模式(55 ttA)后，CPU即被禁止，外围模块维持活 动 ，并等待各类 中断事件。如有中断，CPU 被唤醒 并执行相应的中断服务子程序完成事件处理。每次 执行完 中断服务子程序后返 回，在 主程序中又重置 LPM0低功耗模式 ，并等待下一个中断事件的到来 。 如此反复，可使系统多数时间处于低功耗模式。 3．2．1 P2口中断服务子程序 P2口用于键盘接 口，采用独立按键式键盘中断 方式来编制键盘扫描程序。进人 中断后先判断键 值 ，然后做相应的按键处理 ，再清除 中断标 志，等待 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期 白凤娥 等：基于 MSP430睡眠呼吸暂停监护仪的设计 下次 P2口中断，如此反复。 3．2．2 定时器中断服务子程序 1)定时器 A中断。定时器 A中断包括定时中 断和捕获中断。定时器 A每隔 10 ms中断一次，采 集 A／D转换后的实时电压信号 ，并根据呼吸暂停参 数得出 PWM 波形图，高电平表示呼吸状态 ，低电平 表示呼吸暂停状态。 通过捕获波形图的下降沿来计算呼吸速率 ，当 下降沿到来时，用来计数的变量 IntCount加 1，到采 样间隔 tSamp(单位 ：秒)时计算呼吸速度(Speed— IntCount*60／tSamp，单 位：次／分)，同时变量 In— tCount清零。 通过捕获波形图的下降沿和上升沿到来时秒计 数器的值来计算呼吸暂停 时间，当下降沿到来时捕 获秒计数器的值记为 t ，同时改下降沿捕获为上升 沿捕获 ，当上升沿到来时再次捕获秒计数器的值记 为 t。，判断两值的差(低电平持续 的时间)是否大于 10 S，若大于 10 S则进行声光报警 ，然后改上升沿捕 获为下降沿捕获。 2)定时器 B中断。定时器 B每隔 1 S中断一 次，此时用作秒计数器 的变量 SecCount加 1；每隔 60 S，采集 A／D转换后 的电源单元的实时电压 ，如 果超出范围则进行声光报警 。 3．3 其他子 程序 其它子程序包括系统 自检、初始化 、延时、液晶 显示、按键处理等。系统 自检主要检测各个外围模 块(如发光二极管、蜂鸣器、液晶模块等)工作是否正 常。初始化子程序初始化全局变量 、系统时钟、键盘 接 口、定时器 A、定时器 B、ADC12、液晶模块等。液 晶显示子程序又包括清屏 、写指令、判忙 、写数据等 子程序。按键处理子程序根据各个按键的组合来修 改呼吸暂停最大上 限 HVMax、呼吸暂停 最小下 限 LVMin(系统采集到 的信号为电压信号 ，当电压在 某个范围内时表示呼吸暂停状态 ，这个范围即呼吸 暂停上下限)和初始时间(00：00：00)这三个参数，显 示开机画面、设置 的呼吸暂停上限(HV)、呼吸暂停 下限(I V)、实时时间(Hour：Min：Sec)和呼吸速率 (Speed)。 4 结论 本监护仪体积小、成本低、耗电省 、易于操作 、人 机界面友好 ，具有实时呼吸数据采集、呼吸速度显 示、呼吸暂停报警和与上位机通信等功能，非常适用 于监测夜间有无发生呼吸暂停情况 ，从而降低了患 者的医疗费用，在医院临床和家庭监护 中有较大的 推广应用价值 。 参考文献： [1] 中华医学会呼吸病学分会睡眠呼吸疾病学组．阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征诊治指南(草案)[J]．中华结核和呼吸杂 志 ，2002，25(4)：1 95—198． Eel 魏小龙．MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002． [3] 金鑫．张庆稼．简易睡眠呼吸暂停监测仪的研究[J]．医疗设备信息，2002(5)：24 26． [4] 白风娥．常小明，张新日．基于SOC的输液滴速监视器设计EJ]．计算机工程 ，2005，31(14)：202—204． Design of a Sleep Apnea M onitor Based on M SP4 3 O BAI Feng-e ，XIN Hai—qin ，LIU Xue-j an (1．College of Computer and Soft nrP of TL，T，Taiyuan 030024，China； 2．First Hospital，Shan．ri Medical University，Taiyuan 030001，China) Abstract：A sleep apnea monitor was designed based on MSP430 that is a single—chip micro— computer system with low power consumption．Respiration signal was sampled through silicon piezoresistance transducer．The signal was dealt and the circuit was controlled by MSP430F149， and the respiration rate and waveform graph can be displayed on LCD．Acousto—optical warning device would functioned if sleep apnea syndrome occurred in patients or supply voltage was out of the way．The data or signal could be transmitted to PC by serial port．The monitor has the merits of low power dissipation，easy handling and low cost，and has the value of practical application in hospital and family monitoring． Key words：sleep apnea syndrome；monitor；MSP430F149；silicon piezoresistance transducer (编辑 ：刘笑达) 维普资讯 http://www.cqvip.com