毕业设计（论文）-睡眠呼吸暂停报警监护仪的设计.doc

西南科技大学本科生毕业论文 III睡眠呼吸暂停报警监护仪的设计摘要：睡眠呼吸暂停综合症(Sleep Apnea Syndrome，SAS)是一种发病率高，具有潜在危险性的疾病。传统的呼吸暂停监护系统虽能有效减少呼吸暂停病患者的死亡率，但不能对众多该类患者进行实时监护，尤其是症状较轻的早期患者。其发病随机，持续时间短暂，给病情的及早诊断和治疗造成很大的困难。本文主要介绍了利用热敏电阻MF52作为温度传感器来检测人体呼吸时呼出的气流温度的变化，将从温度传感器输出的毫伏级的信号经过AD620放大后，得到2.3V左右的能够被微处理器处理的信号，从而获得呼吸信号参数，并通过微处理器MSP430F149进行分析处理后，判断是否暂停，如果有暂停发生，则通过蜂鸣器发出报警信号以提示旁人进行一定的处理。同时记录下发生呼吸暂停的时间，并且在LCD上显示，实现了实时监控的目的。关键词：睡眠呼吸暂停综合症；监护仪；热敏电阻；MSP430F149The Design of Sleep Apnea Alarm MonitorAbstract: Sleep apnea syndrome is a high incidence and potentially dangerous disease. The traditional apnea monitoring system can effectively reduce the mortality rate of sleep apnea patients, but can not monitor numerous patients by the real-time, especially the patients with early lighter symptoms. It is difficult to early diagnosticate and treat, because of random and short duration. This paper introduces a method of using thermister MF52 as temperature sensors to detect the temperature changes of exhaled airflow by human breath, the mV level signal which output from the temperature sensor, through the amplifier AD620, we can obtain a signal about 2.3 V, which could be processed by microprocessor, that is the signal processing parameters. After breathing signal processed by MSP430F149 microprocessor analysis, it can judge if it is suspended, if it is, a warning signal by a buzzer can be given to others to make some processing, while recording the occurred time, and displaying in LCD, which can realize the purpose of real-time monitoring.Key words: Sleep Apnea Syndrome, Monitor, Thermister , MSP430F149西南科技大学本科生毕业论文IV 目 录第1章 绪 论11.1 睡眠呼吸暂停综合症11.2 睡眠呼吸暂停监测研究现状11.3 研究的内容2第2章 监护仪系统的总体设计42.1系统总体方案42.2系统组成42.2.1 系统硬件部分52.2.2 系统软件部分62.3 本章小结7第3章 系统硬件设计83.1 硬件电路总体设计83.2 电源单元83.3 信号采集与预处理单元93.4 信号处理单元143.5 报警单元173.6 液晶显示单元183.7 JTAG接口单元193.8 本章小结20第4章 系统软件设计214.1 系统软件开发环境214.2 系统软件模块224.2.1 采样呼吸信号模块234.2.2 实时时钟处理模块254.2.3 数据处理模块304.2.4 液晶显示模块314.2.5 报警处理模块354.3 本章小结35第5章 系统测试375.1 系统硬件测试375.2 系统软件测试37结 论39致 谢40参考文献41附录1 睡眠呼吸暂停报警监护仪电路原理图42附录2 睡眠呼吸暂停报警监护仪实物照片43附录3 主要程序清单44西南科技大学本科生毕业论文第1章 绪 论1.1 睡眠呼吸暂停综合症睡眠呼吸障碍诊治的研究国外迄今已有30余年，国内己有10余年历史，随着研究工作的不断深入及诊治水平的不断进步，对此类疾患的认识和监测有较大的提高。睡眠呼吸暂停综合症( Sleep Apnea Syndrome，SAS)是指7小时睡眠中，呼吸暂停和低通气次数超过30，或每小时大于5次，同时在白天有困倦等症状的一种疾病1。大量的调查发现人群中大约1%4%的人患有该病，以美国为例，估计两千万人有睡眠时呼吸暂停症状，3060岁的成年人中四分之一的男性及十分之一的女性有该病的临床表现。据估计，全球每天大约有3000人死于该症。目前，诊断SAS的“金标准”仍然是多导睡眠图(Poly SomnoGraphy, PSG)。70年代多为有纸记录，90年代多为计算机识别、储存及分析。为使PSG能在更为自然的睡眠条件下得到实施，便携式记录盒已经用于临床。为了减少对复杂脑电波的记录识别误差，简化脑电记录，出现了体位记录的软件，这种软件分析醒觉、非快动眼睡眠(Non Raped Eye Movement，NREM)及快动眼睡眠(Rapid Eye Movement，REM)，与经典的PSG记录分析的睡眠呼吸暂停低通气指数(Apnea Hypopnea Index，AHI)对照，也取得了较好的相关性，简便了PSG的监测，并可通过调制解调器及电话线远程监测与实验室联网2。1.2 睡眠呼吸暂停监测研究现状随着科技的发展,人们对睡眠生理,病理的了解日益增多,一门新兴的边缘学科-睡眠医学作为现代医学的一个重要组成部分正在建立和发展起来,广泛地受到重视。在美国有数百家大型研究机构正在从事睡眠呼吸方面的研究2,他们在睡眠疾病,尤其是上呼吸道阻塞引起的“阻塞性睡眠呼吸暂停综合症”的可能病因、危害、诊断及治疗方法等方面进行了大量的研究工作。研究发现:打鼾通常并不是睡眠呼吸暂停的标志,但是10个成年人中有一个打鼾,而10个打鼾者中就有患有睡眠呼吸暂停综合症的。也就是说“打鼾”这种现象很有可能潜伏着睡眠呼吸暂停综合症,正常人有轻度鼾声不属呼吸暂停,呼吸暂停的定义是指呼吸道停止气流达10s以上。如夜间打鼾且伴有间歇性呼吸暂停30次以上,每次暂停时间超过10s以上即可被诊为“呼吸暂停综合症”。这是一种潜在的致死性疾病。其特点是睡眠时上呼吸道阻塞导致进行性缺氧,酸中毒,呼吸困难。造成白天嗜睡,头晕,头痛,记忆力减退,乏力,反应迟缓,睡眠行为异常等症状。长期患“呼吸暂停综合症”可引起高血压,心律失常及猝死。国外医学界对此类疾病的研究十分重视，且已取得重大成果。目前国内对此类患者的诊断大多采用多导仪或其它呼吸诊断仪器。而此类仪器价格昂贵且基本需从国外进口，不便在国内医院和患者中推广使用。因此我们尝试研究一种价格便宜,性能优良的“呼吸暂停监测仪”，以满足各级医院和患者的需求。目前检测呼吸暂停的主要方法有以下四种3:运动检测法、电阻抗法、气流检测法和多道检测法。运动检测法测量的是身体随呼吸的运动，人在呼吸时胸腔会扩大和缩小，腹肌的收缩和舒张会有腹部的起伏变化，这些变化经过一定形式的传感器转化为电信号便是呼吸的运动信号；电阻抗法测量呼吸信号的基本原理是随着呼吸运动的变化，肺组织的电阻率也有相应的改变。吸气时肺容量增大，吸入的气体使得肺部组织的电阻率升高、阻抗变大。呼气时肺容量减小，组织电阻率降低，阻抗变小，在体表施加恒流源或恒压源，通过检测电极可以检测到随肺组织阻抗变化而变化的电信号；气流检测法以呼吸气流为检测对象，气流有无便是通气的有无，它是检测呼吸暂停最直接的方法。常见的气流检测方式有热敏气流测量法和气流音测量法，另外还有手术中使用的插管气流压力测量法、潮气量、CO2测量法等等；多道检测就是将多种检测呼吸暂停的方法组合在一起的检测系统，多道检测系统在不同环境、不同用途或不同呼吸暂停类型的检测中有多种不同的组合，着重于睡眠研究的装置可以有CO2检测、气管音检测、SaO2检测、心电检测、脑电检测等等。1.3 研究的内容随着经济的发展，人们生活水平的不断提高，饮食结构的改变，劳动强度的改善，睡眠呼吸疾病发病率呈逐渐上升的趋势，特别是青壮年男性的发病率增高，本病除对患者本人健康造成危害外，还对社会、家庭造成不良影响。传统的呼吸暂停监护系统虽能有效地减少呼吸暂停病患者的死亡率，但不能对众多的呼吸暂停病患者进行实时监护，尤其是症状较轻的呼吸暂停病早期患者，平时没有症状，偶感呼吸不畅，一般也仅持续几十秒钟，等赶到医院做呼吸检查时，因为症状消失，呼吸恢复正常，使医生不能对病人进行及时确诊，疾病也难以得到早期治疗和控制。因此，能够记录分析病人24小时活动过程中的动态呼吸记录，并对其分析，给医生提供具有诊断价值的资料，对于呼吸功能的评估，睡眠呼吸暂停病的早期诊断非常有益。针对这种医疗诊断的需要，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分析系统，而此类仪器价格昂贵且基本需从国外进口，不便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视仪是十分必要的。47西南科技大学本科生毕业论文第2章 系统的总体设计2.1系统总体方案对于睡眠呼吸暂停监护仪来说，应该根据调研和收集的资料确定系统设计的任务和目标，分析需要解决的问题，实现的基本功能。为了解决夜间睡眠过程中存在的呼吸暂停的问题，提出了睡眠呼吸暂停报警监护仪具有的功能： 在输入方面，通过传感器采集呼吸信号； 对采集到的信号进行处理，得出呼吸是否异常； 监视过程中，系统的实时情况可以显示； 具备报警的能力； 系统应该操作简单，易于使用； 系统成本应该控制在合理的价格之内。根据对监护仪硬件系统和软件系统等的需求分析，得到睡眠呼吸暂停报警监护仪系统的设计原则如下： 采用低功耗硬件电路设计及微控制器芯片，为睡眠呼吸监控提供平台支持,并能根据以后应用的需要，对于该平台进行模块扩展。 对于所设计的系统来说，需要响应呼吸时定时器的定时中断、液晶显示中断和报警中断，系统对中断的异步响应能力是验证系统稳定性的一个重要方面，因此增加中断源能更好验证系统的可靠性与稳定性。 睡眠呼吸暂停报警监护仪要有良好的人机交互窗口，使用可以显示图形和字体的液晶屏，可以提高系统的交互性。 呼吸监控在医学治疗应用环境中，对可靠性要求较高，所以硬件电路设计重点是考虑外围工作电路的可靠性设计。 采用高性能低价格的系统方案。2.2系统组成睡眠呼吸暂停监护仪的设计主要由两个部分组成，系统的硬件部分以及软件部分。硬件部分则主要由单片机应用系统实现，单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制等外围电路和软件能实现一种或多种功能的实用系统。硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。硬件和软件二者相互依赖，缺一不可。2.2.1 系统硬件部分基于以上的需求分析，可以得到睡眠呼吸暂停报警监测系统硬件主要由以下几个部分组成：信号采集部分、信号预处理部分、单片机处理部分(MCU)、报警部分、电源部分、显示部分。u 信号采集部分：主要是负责采集呼吸信号，可以通过各种传感器，如温度传感器、压力传感器和阻抗法等。u 信号预处理部分：主要负责的是将采集到的呼吸信号经过一定的放大、滤波处理，使之能够被送入到单片机中进行处理，继而进行其他的操作。u 单片机处理部分(MCU)：它是整个系统的“大脑”，对整个系统进行智能控制和管理，并对检测信号进行处理，经过计算给出系统的呼吸速度，并且与设置的参数进行比较，确定是否需要进行报警操作。本文采用的单片机是MSP430F149。u 报警部分：信号采集部分采集到的信号经单片机处理后，得出报警控制信号，再由报警部分响应，以引起操作人员的注意。主要有光电报警(发光二极管)和声音报警(扬声器或蜂鸣器)等。u 电源部分：主要负责为睡眠呼吸暂停监测系统硬件设施提供标准电源的模块，以使各个模块能够正常的工作。u 显示部分：主要负责显示实时时间以及呼吸速度等信息。一般采用LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示)液晶屏显示。基于以上的分析，可以得到系统的硬件框图如图2-1所示： 信号采集信号预处理 实时时钟 MSP 430 F149电 源液晶显示报 警 图2-1 系统硬件框图2.2.2 系统软件部分本次设计中,主要完成的是系统软件部分的工作,同时也参与了硬件方面的设计和选型等。系统的软件部分主要完成的工作则是采样经过放大、滤波后的呼吸信号，经过一定的分析处理，判断呼吸暂停是否超过10S，如果超过10S，则启动报警。同时系统的软件部分还要控制液晶的显示。基于以上的分析，可以得到系统的软件部分框图如图2-2所示：采样呼吸信号实时时钟处理数据处理液晶显示报警处理软件部分图2-2 系统的软件框图2.3 本章小结通过对睡眠呼吸暂停报警监护仪的总体分析，提出了系统的总体设计方案。系统共分为两大部分，分别为硬件系统部分和软件系统部分。硬件系统包括以下几个部分：信号采集部分、信号预处理部分、单片机处理部分、报警电路、电源电路和液晶显示部分。对每一部分进行了功能说明。软件系统包括以下几个部分：采样呼吸信号、实时时钟处理、数据处理、液晶显示和报警处理模块。第3章 系统硬件设计根据实际需求，设计出特定的应用系统，是每一个系统设计工程师应该达到的目标。应用系统的设计包含硬件系统的设计和软件系统的设计两个部分，并且这两部分的设计是互相关联、密不可分的，因此睡眠呼吸暂停监护仪硬件设计原则应遵循安全可靠、有足够的抗干扰能力、经济合理、易用性。考虑到系统实现的功能、软硬件组成，系统的主要元器件有：单片机(MCU)、传感器、放大器、时钟芯片、蜂鸣器和液晶屏。3.1 硬件电路总体设计睡眠呼吸暂停监视仪的硬件主要包括单片机、电源单元、信号处理单元、报警单元、液晶显示单元和实时时钟单元等，系统结构如图3-1所示：实时时钟输入信号预处理报警部分液晶显示部分MSP430F149电源部分P3.0P3.2P5.0P5.7P2 P1.6P6.0图3-1 系统硬件结构图3.2 电源单元睡眠呼吸暂停监视仪中各个模块所需要的电压大小4,可分为四种12V、+5V和+3.3V如图3-2所示：图3-2 电源电路通过L7812、L7912、L7805和L1117的稳压芯片分别得到12V、+5V和+3.3V电压。12V电压也AD620模块提供电源，+5V为液晶模块LCD1602和传感器电桥电路提供电源，+3.3V为MSP430F149提供电源。在L7812、L7912、L1117的芯片输入和输出端都接100F电解电容和104独石电容，可以比较有效滤掉电源线和电源内部产生的干扰。3.3 信号采集与预处理单元根据医学生理学原理，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5。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温度发生变化。将温度传感器和导管相连，导管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温度发生变化，传感器就会将受到的变化的温度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5。在呼吸过程中，导管中的温度不断发生变化，这时可以通过传感器采集这一温度信号转化为MCU易于处理的电压信号，这时的电压信号在10mV左右波动，变化不明显而且容易受外界干扰，因此需要对这个信号进行放大滤波处理，放大滤波后的信号在2.3V左右波动，这时的电压信号即可清楚地反映呼吸状态，然后把这一电压信号接入单片机，A/D转化，并根据相关参数进行数据处理，判断呼吸是否暂停。这里的呼吸暂停是指呼吸停止持续时间超过10s。呼吸过程中的参数如表3-1所示。表3-1 呼吸参数状态放大前(mV)放大后(V)呼5.0-800.6-1.0不呼310-3502.2-2.4常用的呼吸信号检测方法有四种，分别是用压力传感器获取呼吸信号，用温度传感器获取呼吸信号，用阻抗法获取呼吸信号，通过心电信息获取呼吸信号。（1）用压力传感器获取呼吸信号呼吸运动时，随着呼气和吸气的周期性变换，呼吸管道以及胸腹部都会产生周期性的形变。压力传感器就是从这个现象出发，设法感受呼吸时呼吸管道和胸腹部的这种周期性形变，以此测定呼吸频率。该设计是采用力学传感器直接测量胸腹以及呼吸管道的位移，这种接触式的方法需要给胸腹施加一定的预压力，会使受试者产生不适感5。（2）用温度传感器获取呼吸信号呼吸实质上是人体内外环境之间气体的交换, 正常人的呼吸是由呼吸中枢支配呼吸肌有节奏地张弛、造成肺内压和大气压之间的压力差, 此压力差在克服了肺通气阻力之后, 方能实现气体交换。根据医学生理学原理, 在肺通气阻力一定时, 推动气体流动的压力(大气压与肺内压力差) 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5。而此气体通过鼻腔, 与外界气体进行交换时, 必然会引起鼻腔内温度的变化。实验证明:在气道管径不变的条件下,温度的变化量(T)与气体流速的变化量(V)线性相关,因此只采用灵敏度高、温度线性好、时间常数较小的热敏传感器,就能把微弱的呼吸信息检测出来,再经过放大、滤波、A/D转换、微处理器处理,就能自动地、实时地显示呼吸波形、流速-容量曲线、呼吸气流速率、频率、峰值以及潮气量等多项肺功能参数。常用的温度传感器有热敏电阻、PN结、热电偶、石英晶体、红外热探测器和液晶测温膜等。因呼吸气流的温度变化不大(12)，故用于呼吸温度采样的传感器一般是热敏电阻式传感器。（3）用阻抗法获取呼吸信号人体是一个大的生物导电体，其组织和器官对高频电流呈现一定的阻抗。当人体做呼吸运动时，其胸部组织阻抗的变化与肺容积的变化之间存在着比较好的关系曲线，通过对人体胸腔输入一定频率、一定大小值的恒定电流，检测出两端电压的变化，即可得到对应的呼吸阻抗变化信号。阻抗法测呼吸是目前呼吸监测设备中最为常用的一种技术，具有无创、简单、安全、廉价等诸多优点，但受人体运动引起的干扰影响较大6。（4）通过心电信息获取呼吸信号基于一种可观测到的心电向量环和一种关于旋转变换以及时间同步的参考向量环的结合，这种方法非常适合于不方便对呼吸活动进行监测的情况，但属于间接测量，实现起来复杂也不很精确7。热敏电阻是一种对温度敏感的温敏元件,由氧化锰、氧化镍、氧化钴等氧化物和陶瓷、半导体材料构成，电阻率比金属大的多。通常做成珠状、球状等,尺寸可小于0.5mm。设计温差电桥测量电路,如图3-3所示,热敏电阻分别置于两相邻臂上,人体呼吸作用于热敏电阻R4,热敏电阻R4置于外界环境中，通以电流并加热到一定温度，当鼻孔中的气流通过热敏电阻时,由于受到流动气体的热交换，引起阻值变化使电桥失去平衡,当气体周期性流过热敏电阻时,电阻值也周期性变化，因此可以从电桥输出得到周期性变化的电压信号，再经过各种处理得到呼吸参数。图3-3 温度传感器电桥电路综合各方面的考虑，本系统采用MF52型NTC热敏电阻。MF52型热敏电阻器是采用新材料、新工艺生产的小体积的树脂包封型NTC热敏电阻器，具有高精度和快速反应等优点。其特点为： 测试精度高。 体积小、反应速度快； 能长时间稳定工作； 互换性、一致性好。信号采集单元是睡眠呼吸暂停仪设计最重要的部分之一。能否准确地检测出呼吸信号是计算呼吸速度和判断呼吸异常的关键,也是整个睡眠呼吸暂停报警监护仪性能和可靠性的主要参考标准。呼吸信号的采集与预处理如图3-4所示，本系统采用MF52 NTC热敏电阻作为传感器采集呼吸信号，即通过呼吸时鼻腔内的温度变化来转化为毫伏级的电压变化，通过信号预处理单元将采集到信号经过滤波放大到02.5V满足单片机的A/D转换量程内的电压。经过预处理的呼吸信号与单片机的P6.0进行连接。以完成模数转换以及为后续电路提供输入信号。图3-4 呼吸信号的采集与预处理电路图中R3是一个负温度系数(NTC)的热敏电阻，在将热敏电阻放在鼻腔处时，调节R4的阻值，使得桥路输出电压为200mV左右，经过AD620放大到2.3V左右，当人呼吸时，鼻腔处的温度会升高，导致热敏电阻阻值降低，此时桥路输出电压降低，而且下降幅值较大，可以使得放大后的输出电压下降至0.5V左右，调理后的信号与MSP430F149的P6.0连接，那么，将单片机检测阈值设为1V，当信号在1V处为上升沿变换则启动计时，当在1V处有下降沿时停止计时，看这段时间是否大于10S，若大于10S就触发报警单元进行报警，若小于10S则将此段时间清零，为下一次计数作准备。在这一环节中，放大器的选择好坏对提高测量精度十分关键，根据相关资料查阅，在放大器电路精选中，一般在首级放大器有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求的场合大多采用自制的三运放结构8，如图3-5所示。图3-5 三运放结构的高性能放大器原理图图3-5中由Al、A2构成前级对称的同相、反相输入放大器，后级为差动放大器，在这个结构图中，要保证放大器高的性能，参数的对称性与一致性显得尤为重要，不仅包括外围的电阻元件R1与R2、R3与R4、R5与R6，还包括A1与A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器对器件要求相当高。而随着微电子技术的发展，市场上已经出现了专用的高性能的仪表放大器，它的内部核心结构还是三运放，例如AD620、AD623就是具有上述三运放结构。在本设计中呼吸信号幅度很小，大约只有微伏到毫伏的数量级范围，所以所选放大器的增益范围要广，放大倍数要便于调节，功耗要小。针对以上要求，最终选择了体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广的AD62O作为放大器。AD620是低价格、低功耗仪用放大器，它只需要一只外部电阻就可设置11000倍的放大增益，具有较低的输入偏置电流、较快的建立时间和较高的精度，特别适合于精确的数据采集系统，如称重传感器接口，也非常适合医疗仪器的应用系统(如ECG，Electrocardiogram，心电图)、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。AD620作为一个低成本，高精度的单片仪器放大器，为双列直插外形(Dual In-line Package Shape, DIPS)(图3-6)，其主要特点如表3-2所示。AD620的内部结构是OP-07S组成的三运放结构，性能大大优于自制的三运放IC(Integrate circuit，集成电路)电路设计，只需在1脚与8脚之间外接RG电阻(图3-6),为此它的外围电路十分简单10。表3-2 AD620特征参数供电电源增益选择增益范围最大增益误差率带宽功耗2.318V电阻编程110000.7%(G=1000)1MHz(G=l，小信号-3dB最大650mW输入失调电压输入失调偏移输入偏置电流最小共模抑制比温度范围最大125V最大1V/最大20A93dB(G=100)070 民品-4085工业品-55120 军品图3-6 AD620管脚图AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的高精度，其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用工艺获得更低的输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制电RG上。AD620的两个内部增益电阻为24.7k，因而增益方程式为: （3-1）对于所需的增益，则外部控制电阻值为: （3-2）外部增益控制电阻值RG也决定前置放大器的跨导，当RG减小时，由（3-1）式可知可编程的增益增加，开环增益随之增加；反之当RG增大时则增益降低，并且降低了增益误差，同时带宽也随之增加，因而优化了频率响应。另一方面，AD620的低输入电压噪声在1kHz时为9nV/Hz，在0.1l0Hz频带时为0.28Vpp，电流噪声仅为0.1pA/Hz，因而在精确测量系统中，应用AD620设计电路是非常理想的。在本系统中，由于传感器输出的信号有300mV左右，所以增益G=7就可以满足放大要求，由公式(3-2)计算出RG =8.3 k左右就可以了，系统中采用10 k可调电阻实现这一要求。3.4 信号处理单元信号的分析与处理是此系统的主要模块所在，选用MSP430F149作为系统的微处理器。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器9(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器。该单片机在设计上打破常规，采用了全新的概念，其突出的优点是低电源电压、超低功耗，非常适合各种功率要求低的应用。它有多个系列和不同型号，它们分别由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。凭借其较高的性能价格比，已广泛应用于智能家庭仪表、医疗设备和保安系统等方面。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：强大的处理能力，MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如 FFT等)。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6s。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先， MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200400A 左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1A 。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环(FLL和 FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器(32768Hz)，有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0LPM4)。在等待方式下，耗电为0.7A，在节电方式下，最低可达0.1A。系统工作稳定，上电复位后，首先由DCOCLK启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU 时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。丰富的片上外围模块，MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer_A)、定时器B (Timer_B)、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块(DMA)、端口O(P0)、端口16(P1P6)、基本定时器(Basic Timer)等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输(DMA)模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。方便高效的开发环境,目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。MSP430 单片机目前主要以FLASH型为主。MSP430x14x的结构框图如图3-7所示。图3-7 MSP430X14X结构框图单片机主要完成的功能则是通过检测与P6口连接传感器输入信号,通过A/D转换后进行数据处理，判断是否发生呼吸暂停，如果有，则从P1.6口输出报警信号。并且检测从P3口送入的实时时钟数据，通过P5数据口和P2.5P2.7控制口的在液晶屏上显示实时时间。3.5 报警单元报警单元的功能是提醒患者旁边的人当患者出现呼吸暂停时能够及时的对患者进行一定的处理以及提醒，使其尽快的恢复正常。本系统的报警单元采用蜂鸣器报警方式，蜂鸣器采用+5V的器件，通过驱动电路直接与单片机引脚P1.6相连接，如图3-8所示。图3-8 报警电路3.6 液晶显示单元显示器是人与机器沟通的重要界面，近年来液晶显示器(LCD，Liquid Crystal Display)以其自身所具有的优点，逐渐取代阴极射线管(CRT, Cathode Ray Tube)的主流地位。单片机系统中原来采用的LED(Light Emitting Diode,发光二极管)显示方式已经不能满足应用的要求，液晶显示器已经被逐渐应用于单片机等小型系统中。液晶显示器与传统的显示器相比具有显示信息多、质量高、没有电磁辐射、可视面积大、应用范围广、画面效果好、数字式接口、体积小、功耗低等特点，在基于微处理器的仪器仪表及监视、控制等智能单元的终端显示、人机接口中受到普遍欢迎。液晶显示器是一种极低功耗的显示器件，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中经常使用。液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)、背光源、结构件装配在一起的组件。英文名称叫“LCD Module”，简称“LCM”，中文一般称为“液晶显示模块”，通常所说的“模块”主要是指点阵液晶显示器件装配的点阵液晶显示模块。在具体选择液晶显示模块时，应对液晶显示模块进行如下几个方面的综合评价: 显示方法，在被动显示方式中，是透过式、反射式，还是投影式； 色调，是黑/白，还是彩色，是单彩色还是全彩色，是伪彩色还是真彩色； 亮度与对比度，主动发光要看亮度指标，被动显示要看对比度比值； 响应与余辉，响应与余辉的快慢和光电响应曲线与陡度； 是否具有无功存储功能； 驱动方式，直流、交流还是脉冲，是静态驱动还是动态驱动，是电压型驱动还是电流型驱动或电荷型驱动； 售价是否合理，综合评价产品质量、供货稳定性、技术支持、售后服务等与价格的关系。任何一种产品都有不同的规格型号，挑选内容应注意:外形尺寸(显示窗尺寸等机械参数)、电参数(典型值、最大值、最小值)、环境参数(特别是温度范围)、显示效果(显示效果是一种主观评价指标，亮度或对比度等指标只能作为参照)、视角(液晶显示视角窄，所以有最佳视角12:00、6:00、3:00和9:00等)、可靠性和寿命等。综合以上各种指标，选用的是LCD1602显示模块，它是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符（16列2行）。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地；第2脚：VDD接5V电源正极；第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；第4脚：RS为寄存器选择，高电平(1)时选择数据寄存器、低电平(0)时选择指令寄存器；第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作；第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端；第714脚：D0D7为8位双向数据端；第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。液晶显示采用1602显示模块，单片机P5端口和液晶屏的数据线相连， P3.0、P3.1、P3.2三个引脚分别通过三极管放大与液晶屏的RS、RW、EN三根控制线相连接，如图3-10所示。液晶屏上可以显示实时时间。 图3-10 液晶显示连接电路3.7 JTAG接口单元JTAG(Joint Test Action Group)是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容,主要用于芯片内部测试。现在多数的高级器件都支持JTAG协议，如DSP、FPGA器件等。标准的JTAG接口是4线：TMS、 TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。 JTAG最初是用来对芯片进行测试的，基本原理是在器件内部定义一个TAP（Test Access Port，测试访问口）通过专用的JTAG测试工具对进行内部节点进行测试。JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。现在，JTAG接口还常用于实现ISP（In-System programmable,在线编程），对FLASH等器件进行编程。在实际应用中，可以先将器件固定到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。在JTAG接口实际应用中，一般使用IEEE1149协议中的公共指令进行应用测试，此外，IEEE1149允许通过芯片的自定义指令集进行特殊功能的测试和状态察看。在使用PC机调试及下载睡眠呼吸暂停监控终端嵌入系统时，数据传输须通过测试访问端口TAP改变JTAG的控制状态实现。IEEE1149定义了由16个状态组成的同步状态自动机，以响应TMS和TCK信号并控制电路的活动。其中主要有复位、运行、数据寄存器状态集、和指令寄存器状态集。当器件工作在JTAGBST模式时，使用4个I/O引脚和一个可选引脚 TRST(Test Reset，测试复位输入信号)作为JTAG引脚。这4个I/O引脚是：TDI、TDO、TMS和TCK。引脚功能如表3-3所示。表3-3 JTAG引脚定义及功能引脚名称功能TDI测试数据输入口指令和测试编程数据的串行输入引脚，数据在TCK的上升沿时刻移入，器件的保护熔丝被连接到TDITDO测试数据输出口指令和测试编程数据的串行输出引脚，数据在TCK下降沿移出。如果数据没有正在移出时，该引脚处于三态。它和编程数据输入口复用TMS测试方式选择口该输入引脚是一个控制信号，它决定TAP控制器的转换。TMS必须在TCK的上升沿之前建立，在用户状态下TMS应为高电平TCK测试时钟输入口是用于器件测试与自动加载程序启动的时钟输入接口。时钟输入到BST电路，一些操作发生在上升沿，另一些发生在下降沿3.8 本章小结本章主要分析了睡眠呼吸暂停检测报警系统的硬件系统设计。设计主要考虑到功耗及可靠性的要求，分析了基MSP430F149呼吸暂停监视仪的硬件设计原则和电路原理等。硬件平台是软件系统设计的前提条件，根据监视仪的具体需求，硬件系统由电源单元、信号采集与预处理单元、信号处理单元、报警单元、液晶显示单元和JTAG接口单元。并对每一部分进行了详细的介绍以及器件的选择问题。第4章 系统软件设计单片机系统的软件必须根据单片机硬件基础进行设计。系统的软件设计是一个系统的主要组成部分，软件的质量将直接影响到系统的性能指标的完成，一个好的软件设计将是系统性能得以提高的倍增器。睡眠呼吸暂停报警监护仪软件系统采用模块化结构设计方法。模块化编程是一种分别进行各模块程序编写、编译和调试，最后一起连接及定位的软件设计方法。模块化设计方法有以下优点: 模块化编程使程序开发更有效，小块程序更容易被理解和调试，当知道模块的输入和所要求的输出时，就可直接测试该模块。 当同类的需求较多时，可把程序存入函数库中以备以后使用。例如，常用的显示驱动模块程序，若要再使用显示驱动功能，由库中把它取出(必要时可修改)，而不需重新编写全部的程序。 模块化编程能够使待解决的问题与特定模块分离，很容易找到出错的模块，极大地简化了调试。因此，将各个模块设计为可独立编程调试的程序模块，不仅有利于今后实现功能扩展，而且便于调试和连接，更有利于程序的移植和修改。由于单片机应用系统的软件设计既要有各种计算程序设计，还要结合具体的硬件电路进行各种输入输出程序设计。因此，软件设计必须在硬件、软件功能划分的基础上进行。图2-2是睡眠呼吸暂停报警监护仪设计中软件体系结构框图。在本系统中，主程序模块负责协调各个功能模块，其程序模块包括初始化模块、定时器中断模块、液晶屏显示模块和时钟程序模块。4.1 系统软件开发环境MSP430的开发软件较多，常用的是IAR公司的集成开发环境：IAR Embedded Workbench嵌入式工作台，如图4-1所示。它提供一个便捷的窗口界面用于迅速开发和调试程序。IAR Embedded Workbench 提供的工具包括:快速编译器、高效的连接器、函数库、语法高亮度文本编辑器、汇编器以及C-SPY调试器。图4-1 IAR Embedded Workbench开发环境4.2 系统软件模块如图4-2所示，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，初始化单片机中用到的各个模块，然后开中断允许单片机响应各种中断并进行报警处理，继而使单片机进入低功耗模式等待中断的到来。对系统的初始化将直接关系到单片机内部资源的有效利用和系统的正常运行。睡眠呼吸暂停报警监护仪初始化模块的主要功能是完成对MSP430F149单片机和各个外围模块的初始化，包括单片机的时钟振荡器设置、ADC12初始化、定时器B初始化、液晶初始化、时钟芯片初始化等。开 始关看门狗初始化系统时钟源 初始化ADC12初始化定时器B初始化时钟芯片初始化液晶显示低功耗，等待中断 图4-2 系统主程序流程图4.2.1 采样呼吸信号模块信号经过预处理之后从P6.0端口输入到单片机中，首先经过ADC12进行A/D转换，采用单通道连续转换模式，转换后的数据经过10次平均以达到平滑