呼吸监测设计

0 前言在科学技术高度发展的现代社会中，人类已进入瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验等活动中，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输和处理。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的原始信息，都要通过传感器转换为容易传输与处理的电信号。同时由于科学技术的飞速发展，特别是微电子加工技术，计算机技术及信息处理技术的发展，人们对住处资源的需要日益增长，作为提供信息的传感器技术及传感器愈来愈引起人们的重视，而各种先进技术的传感器技术了也进入了一个飞速发展的阶段。1同时由于工业化的影响使得空气污染越来越严重，肺方面的疾病也有增加的趋势，呼吸疾病是威胁人类健康的主要疾病之一,早期诊断和治疗是预防呼吸疾病的有效途径,而呼吸监护仪在其中发挥着至关重要的作用。然而以往由于呼吸监测措施的缺乏和不成熟，不能准确地反映出呼吸通道的流量、压力和人（主要是病人）的呼吸的气体容积等生理参数，不能为临床提供丰富的参考数据，从而容易给病人带来气压力、容积伤、循环紊乱及肺膨胀不全等不良作用。购买国外提供提供呼吸参数监测功能的监护仪则价格昂贵。所以呼吸监护仪的作用也日益突出，研究新的呼吸监护仪是一个新的课题。基于这种情况，将传感器技术和呼吸监护仪结合在一起也是一种趋势。而本文所研究的正是这种技术。本文所介绍的新型呼吸监测仪与传统的呼吸监护仪只能测量一个呼吸参数不同，本系统可同时测量多个呼吸参数，同时在传感器中应用单片机技术，单片机的可编程性使得其适应性、灵活性大大增强。它使用方便，只需将人（主要是病人）的气道对准流量传感器，而流量传感器将感受到的信号经过一系列的处理，最后通过显示屏显示出来。21 系统总体设计1.1方案比较1.1.1 方案一 :压力传感器检测压力传感器也称为应变式传感器。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的，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。压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需要将电信号放大后才能检测出来。按照压力传感器的工作原理，传感器输出的是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压成正比，这种放大器通常称作阻抗变换器;另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。由于单单使用压力传感器只能检测呼吸参量中的某个量，而不能同时检测到丰富的参考数据，所以单单使用压力传感器是不可取的。1.1.2 方案二:温度传感器检测呼吸实质上是人体内外环境之间的交换，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。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。利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的产业化转化为电量的变化，这就是温度传感器。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），故可选用热电阻式传感器对呼吸温度进行采样。半导体热敏电阻分为三类，即负温度系数（NTC）型、正温度系数（PTC）型和单晶掺杂的半导体型。它们的阻值与温度的变化关系有关，温度系数为正，表示电阻值随温度的升高而增大，温度系数为负，则反之亦然。如果在这些传感器装在呼吸管道上，则在呼、吸气时产生的温度变化会引起传感器的电量的变化。一般系统主要由温度传感器、前置直流放大器、基线稳定电路、低频放大器、Smith触发器、A/D转换器、数字信号处理电路、CRT显示等部分组成。系统框图如图1-1所示。温度传感器中的传感元件采用灵敏度很高的NTC型球状热敏电阻，其时间常数t10L/min，不能撤离呼吸机。呼吸频率：每分钟吸气或呼气的次数，一般在1530/次/min，允许误差：15%；呼吸比：吸气时间与呼气时间的比值，一般为1：2；吸气时间：每次吸气气用的时间，单位为s;41.3 新型呼吸监测仪系统总框图图1-2 新型呼吸监测仪的系统框图Fig1-2 The new breathing monitors system block diagram1.4 智能传感器呼吸监测仪工作原理本呼吸监护仪主要由流量传感器、气路连接管路、压力传感器、压差放大器、模数转换电路和单片机系统等组成。呼吸监护仪在使用时，将流量传感器接在呼吸机和病人的呼吸道两端。当呼吸气流通过流量传感器时，其内部的限流孔会感应到一个压力差。这个压力差经气路连接管传递给压力传感器一测量，最终用于计算呼吸气道中的流量。压力传感器二用于测量病人呼吸气道中的压力。输出的两路压力信号经过放大滤波和模数转换后得到数字化的气路状态信息，再进一步通过相应的算法和波形特征识别出有关参数和曲线。这些参数和曲线将是构成评价气路状态的客观指标。52 硬件设计2.1传感器相关理论本论文是智能传感器技术在呼吸监护仪中的应用，所以在设计中我们不得不提到相关的传感器，在这之前，我们先介绍一下传感器的基本知识。2.1.1 传感器的定义传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置。通常有敏感元件和转换元件组成。其中，终身敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部分。2.1.2 传感器的组成和分类传感器由敏感元件和转换元件组成，需要有信号调节和转换电路将其放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的形式，其组成框图如图2-1所示。图2-1 传感器组成方块图Fig 2-1 Sensor component block diagram传感器的类型根据不同折分类方法可以分为很多种，具体的类型如表2-1所示：表2-1 传感器的分类Tablet 2-1 The classification of sensor分类方法传感器的种类说明按输入量分位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等传感器以被测物理量命名按工作原理分应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、压阻式、压力式等传感器以工作原理命名按物理关系分结构型传感器传感器依赖其结构参数变化实现信息转换物性型传感器传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换按能量关系分能量转换性传感器传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量按输出信号分模拟式传感器数字式传感器输出为模拟量输出为数字量2.1.3 传感器的静态和动态特性1） 传感器的静态特性传感器在稳态信号的作用下，其输出输入关系称为静态特性。衡量传感器的静态的重要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。线性度：表示的是传感器的输出与输入之间的线性程度。其理想的输出和输入是线性的，但实际上许多传感器的输出输入特性是非线性的，一般用下列多项式表示：y=+其中，y是输出量，x是输入量， 是零位输出，是传感器线性灵敏度，待定常数。灵敏度：表示传感器在稳态下输出输入变化的比值，用表示，即对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即。非线性的传感器灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏高，在满量程的范围内是恒定的，即传感器的输出输入特性为直线。迟滞性：表明传感器在正反行程期间输出输入特性曲线不重合的程度。也就是说，对应于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，这就是迟滞现象。产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷。迟滞大小一般要由实验方法确定，用最大输出差值max对满量程输出y的百分比表示或 重复性：表示传感器的输入量按同一方向做全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度。多次重复测试的曲线重复性好，误差也小。重复特性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象有相同的原因。不重复性指标一般采用最大不重复误差max与满量程输出y的百分比表示：2） 传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器激励对响应的特性。各动态性好的传感器，其输出随时间变化的规律，将能同时再现输入随时间变化的规律，即具有相同的时间函数。研究传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应和频率响应法来分析。在时域内我们一般研究几种特定的输入时间函数如阶跃函数、脉冲函数和斜坡函数等响应特性；在频域内采用正统函数得到频率响应特性。在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了方便比较和评价，常常采用正弦变化和阶跃变化的输入信号。2.2 模拟电路部分2.2.1传感器的选型1） 差压式流量传感器差压式流量传感器又称节流式流量传感器，它是利用管路内的节流装置，将管道中流体的瞬时流量转换成节流装置前后的压力差的原理来实现的。差压式流量传感器流量测量系统主要由节流装置和差压计（或差压送器）组成。其工作的基本原理是：充满管道的流体，当它流经管道内节流件时，如图2-2所示，流速将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力隆低，于是在节流件前后便产生了压差，流体流量愈大，产生的压差愈大，因而可依据压差来衡量流量的大小，这种测量方法是以流动连续性方程（质量守恒定律）和伯努利方程（能量守恒定律）为基础的，压差大小不公与流量还与其它因素有关，如节流装置型式、流体的物理性质（密度、粘度等）以及雷诺数等。图2-2 差压式流量传感器Fig2-2 Differential pressure flow sensor差压式流量传感器的检测系统如图2-3所示。图2-3 差压式流量传感器的检测系统Fig2-3 The differential pressure flow sensor detection system2） 压力传感器本设计中压力传感器选用压阻式压力传感器。压阻式压力传感器的压力敏感元件是压阻元件，它是基于压阻效应工作的。所谓的压阻元件实际上就是指在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，当它受外力作用时，其阻值由于电阻率的变化而变化。扩散电阻正常工作时需依附于弹性元件，常用的是单晶硅膜片。本设计中的两个压差传感器分别选用NPC103陶瓷封装硅压力传感器和NPC12010系列中的任何一款。NPC103陶瓷封装硅压力传感器的电路如图2-4所示：图2-4 NPC103压力传感器电路结构Fig2-4 NPC103 Pressure sensor circuit structure表2-2 NPC103的技术特性Tablet 2-2 NPC103 technical characteristics特性数值备注特性数值备注一般特性物理特性压力范围/kPa最大过载1052107003X额定压力重量/g兼容介质0.25清洁、干噪等气体电特性（22，除非有其它说明）性能参数数值供电电压/V DC输入阻抗/输出阻抗/3500020%500020%最大12VDC零点输出/（mv/v）满度输出/mv非线性/%FS迟滞/%FS零点温漂/%FS电阻温度系数/%/零点温度迟滞/%FS满度长期稳定性/%FS1060200.200.050.040.220.10.2环境条件温度范围工作温度/存储温度/-40125-55125-40275-67302NPC1210低压系列传感器6是一种在宽温度范围内具有补偿校准性能，性价比较高的压阻电桥式压力传感器。它具有适合PCB板的双列直插封装，可选的压力口和管腿结构，在对压力连接方向很挑剔的低剖面应用场合下提供了优良的灵活性。NPC1210系列基于LucasNovaSensor先进的SenStable压阻传感技术，使用硅显机械加工技术把压阻应变计离子植入惠斯通电桥结构中。对于压阻效应温度系数大的影响，NPC1210系列提供了0到60范围内优良的温度补偿特性。NPC1210内部还集成一个恒流源设定电阻，规范化了满量程输出（FSO），以满足现场互换性的要求。其电路如图2-5所示：图2-5 NPC1210电路结构图Fig2-5 NPC1210circuit structure2.2.2 放大电路的设计呼吸气流通过呼吸道时，流量传感器内部的限流装置感应出的压差是一个非常微弱的呼吸生理信号。如果将此微弱信号放大滤波，以获得低噪声的呼吸生理信号，这对于后端数字信号的处理和人体呼吸信息的识别、计算都有非常重要的意义。在本设计中，压力传感器的输入电阻典型值为4000，输出电阻典型值为5000，接到放大电路做信号源的输出电阻很大，且差模电压在满量程输出的情况仅为50mV左右，其模干扰很大，所以这里采用仪用放大器结构。仪用放大器是一种高性能的放大器，除了完成对低电平信号进行线性放大外，还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的任务。其对称结构可同时满足对放大器的抗干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。仪用放大器的内部基本结构如图2-6所示、它由三个通用的放大器组成，第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差动放大器。图2-6 仪用放大器内部电路结构图Fig2-6 internal circuit structure of Instrument amplifier本设计中的仪用放大器用具有8引脚的INA114仪用放大器。INA114仪用放大器是一个低成本的普通仪用放大器，不需要外接失调调整电路就可以获得很高的精度。在使用时，只需要外接一只普通电阻就可以得到任意增益，其增益范围为110000可变，正、负输入端具有内部过压保护电路，其保护范围可达40V，具有很高的共模抑制比和很低的失调电压及漂移电压。它可在2.25V的电压下工作，适合电池供电及单一+5V供电系统使用。其内部的电路结构如图2-7所示：图2-7 INA114仪用放大器内部电路结构图Fig2-7 INA114 internal circuit structure of Instrument amplifier 其八角封装的基本接法如图2-8所示：图2-8 INA114八角封装接法Fig2-8 INA114 encapsulation anise connection该放大器的增益A通过外接电阻Rg获得调整，并由公式A=1+50K/Rg确定。本设计中有两路放大，压力传感器1这一路通过Rg变化将A设定在A=180；压力传感器2这一路通过Rg变化将A设定为A=36。5。仪用放大器INA114的主要性能参数如下：失调电压：50uV 温度漂移：0.25uV/输入偏置电流：2nA(最大值) 输入失调电流：2nA共模抑制比：115 dB(G=1000) 长期稳定性：0.2 uV/月输入共模电压：13.5V 输入过载保护：40V电源电压范围：2.25V18V 静态电流：3 Ma2.2.3 滤波电路的设计 由于现在的有源滤波器一般价格都比较高，容量小，同时国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600Kvar，其运行的可靠性也这及无源滤波器。所以本设计中滤波电路用无源低通滤波电路，其性能也满足本设计的要求，其截止频率为f=1/2RC=32Hz，可滤除各种高频干扰，其放大倍数A1。其电路如图2-9所示：图2-9 RC无源滤波Fig2-9 RC passive filter2.2.4 三通阀控制电路 三通阀校准的目的是抑制压力传感器漂移、放大电路中的漂移以及工作中的温度漂移。当这个压力传感器与外界相通时，压力输入应该是为0，放大电路的输出也应该是一个恒定的基准电压值，这时将所得到基准电压值的AD值作为零力参考点。但由于传感器、放大器、电阻等器件的参数会随温度、时间的变化而微小变化，使得上述的零压力考参点发生漂移，这时零压力参考点数值将直接影响压力的测量，为此，需要不断地定期切换三通阀来获得当前的零压力点的电压基准值。通过软件的方法可实现上述的零点自动校准。三通阀的作用是使2个压力传感器同时通向大气，使压力传感器的输入差压为0。压力传感器为2路气管输入，每个气管需要接一个三通阀，共需要2个三通阀。在硬件上使用单片机上的一个端口来控制2个三通阀的驱动电路。2.2.5 电源电路压力传感器属于电流驱动型，1.5mA的激励电流对应一定的压力满量程输出。适当减小压力传感器的激励电流可以扩大测量范围。恒流源电路以3.3V电压基准为参考，通过精密电阻（1%的精度）分压得到约1.2V电压，再通过恒流源电路产生1.5mA的激励电流。本设计中用的直流稳压电源的工作框图如图2-10所示：图2-10 直流稳压电源的工作原理框图Fig2-10 The working principle diagram of dc voltage stabilizer power电流变压器：将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2；整流电路：将交流电压U2变为脉动的直流电压U3；滤波电路：将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压U4；稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压U0的稳定。其电路原理图如图2-117所示：图2-11 电源电路Fig2-11 Power supply circuit性能指标：1 三路直流稳压输出，两路固定，分别是+5V和+12V，另一路可调输出：1。5V12V，通过R4的调节，我们让它输出3.3V电压。2 电源指示采用绿色LED发光二极管，点亮时表示电路已通电工作。3 输入为交流220V。2.3 数字电路部分2.3.1 微处理器的选型TI公司于2000年推出的MSP430系列单片机是一种超低功耗的16位Flash单片机，他们针对不同的应用而由不同的模块组成的。成功的解决了功能强大又功耗低的难题，比较适合于便携式控制系统应用。这些微控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使用时间的应用。MSP430系列单片机器件包含CPU、程序存储器（RAM）、运行控制、外围模块、振荡器和倍频器等主要功能模块。他们具有16位RISC结构，CPU中的16个寄储器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码率；灵活的时钟源可以使器件达到最高的代码效率，数字控制的振荡器可以使器件从低功耗模块迅速唤醒，在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式。其基本结构如图2-12所示：图2-12 MSP430结构图Fig2-12 MSP430 structural drawing其中MSP430F系列具有FLASH存储器，不同型号单片机的存储器容量和外围模块各不相同，使用者可以根据需要具体选择。MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围不断扩大，主要取决于以下的特点：1) 强大的处理能力MSP430F系列单片机，为16位的精简指令集结构，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以参加多种运算；还有高效的查表处理方法；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。2) 低电压、超低功耗MSP430系列单片机为64引脚PQFP封装，芯片为1cm的正文形，体积很小。能够实现在1.8V3.6V、1MHZ的时钟条件下运行，耗电电流因不同的工作模式不同而不同；具有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6us，可编制出实时性特别高的源代码，可将CPU置于省电模式，以用中断方式唤醒程序。3) 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，其中的看门狗可以使程序失控时迅速复位；比较器进行模拟电压的比较，配合定时器可以设计为A/D转换器；定时器具有捕获/比较功能，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有两个串口，可方便实现多级通信等应用；为系统的单片解决方案提供了极大的方便。4) 方便高效的弄好环境目前MSP430系列有OTP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OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片；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，还有电可擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内的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。8本设计中。我们选用MSP430F149型单片机，它具有以下特点：低电源电压范围：1.8V3.6V 超低功耗： 2.5uA 4KHZ ，2.2V 160uA 1MHZ ，2.2V5种节电模式：等待方式 0.7Ua； RAM 保持的节电方式 0.1Ua从等待方式唤醒时间：6us16位RISC结构，150ns指令周期基本时钟模块配置： 高速晶体(最高8MHZ)； 低速晶体(32768HZ)；配合外部器件可构成单斜边A/D转换器12位200Kbps的A/D转换器，自带采样保持内部温度传感器具有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A、Timer_B两通道串行通信接口可用于异步或同步（软件选择UART/SPI模式）硬件乘法器多达60KBFLASH ROM和2KB RAM串行在系统编程安全熔丝的程序代码保护MSP430F149引脚图如图2-13所示：图2-13 MSP430F149的引脚图Fig2-13 MSP430F149 Pin figureMSP430F149单片机引脚说明如表2-3所示：表2-3 MSP430F149引脚说明Tablet 2-3 MSP430F149 pin explain引脚I/O说明名称序号P1.0/TACLK12I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，TACLK时钟信号输入P1.1/TA013I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，捕获；CCI0A输入，比较；OUT0输出 P1.2/TA114I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，捕获；CCI1A输入，比较；OUT1输出P1.3/TA215I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，捕获；CCI2A输入，比较；OUT2输出P1.4/SMCLK16I/O通用数字I/O引脚，SMCLK信号输出P1.5/TA017I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，比较； OUT0输出P1.6/TA118I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，比较； OUT1输出P1.7/TA219I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，比较； OUT2输出P2.0/ACLK20I/O通用数字I/O引脚；ALCK输出端P2.1/TAINCLK21I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，比较，INCLK时钟信号P2.2/CA0UT/TA022I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，捕获；CCI0B输入，比较；OUT0输出P2.3/CA0/TA123I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，捕获；CCI1B输入，比较；OUT1输出P2.4/CA1/TA224I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，比较；OUT2输出P2.5/ROSC25I/O通用数字I/O引脚/外接电阻用以决定DCO频率 P2.6/ADC12CLK26I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器的转换时钟P2.7/TA027I/O通用数字I/O引脚/Timer_A，比较；OUT0输出P3.0/STE028I/O通用数字I/O引脚/从机传输使能USART0/SPI模式P3.1/SIMO029I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输入或主输出P3.2/SOMI030I/O通用数字I/O引脚/USART0/SPI模式的从输出或主输入P3.3/UCLK031I/O通用数字I/O引脚/外部时钟输入USART0/UART或SPI模式，时钟输出USART0/SPI模式P3.4/UTXD032I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出USART0/UART模式P3.5/URXD033I/O通用数字I/O引脚/发送数据输入USART0/UART模式P3.6/UTXD134I/O通用数字I/O引脚/发送数据输出USART1/UART模式P3.7/URXD135I/O通用数字I/O引脚/发送数据输入USART1/UART模式P4.0/TB036I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR0P4.1/TB137I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR1P4.2/TB238I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR2P4.3/TB339I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR3P4.4/TB440I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR4P4.5/TB541I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR5P4.6/TB642I/O通用数字I/O引脚/捕获I/P或PWM输出口定时器B-7CCR6P4.7/TBCLK43I/O通用数字I/O引脚/定时器B-3的输入时钟TBCLKP5.0/STE144I/O通用数字I/O引脚/从机发送使能USART1/SPI模式P5.1/SIMO145I/O通用数字I/O引脚/USART1的从输入，主输出或SPI方式P5.2/SOMI146I/O通用数字I/O引脚/USART1的从输出，主输入或SPI方式P5.3/UCLK147I/O通用数字I/O引脚/外部时钟输入USART1/UART1或UART或SPI模式，时钟输出USART1/SPI模式P5.4/MCLK48I/O通用数字I/O引脚/主系统时钟MCLK输出P5.5/SMCLK49I/O通用数字I/O引脚/子系统时钟SMCLK输出P5.6/ACLK50I/O通用数字I/O引脚/辅助时钟ACLK输出P5.7/TBOUTH51I/O通用数字I/O引脚/切换所有的PWM数字输出口为高阻抗定时器B-3 TB0TB2P6.0/A059I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道0P6.1/A160I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道1P6.2/A261I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道2P6.3/A362I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道3P6.4/A463I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道4P6.5/A54I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道5P6.6/A65I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道6P6.7/A76I/O通用数字I/O引脚/12位A/D转换器模拟输入通道7/NMI58I复位输入/不可屏蔽中断输入口，或自动加载程序启动（FLASH版本有此功能）TCK57I测试时钟，TCK是用于器件测试与自动加载程序启动的时钟输入接口（FLASH版本有此功能）TMS56I测试方式选择，器件编程与测试的输入口TDI55I测试数据输入口，器件的保护熔丝被连接到TDITDO/TDI54I/O测试数据输出口，编程数据输入口+10I/P送到模数转换器ADC外部基准电压+7O模数转换器ADC12内部基准电压的正输出端-11O模数转换器ADC12内部基准电压或外部加的基准电压负端XIN8I晶体振荡器XT1的输入口XOUT/TCLK9I/O晶体振荡器XT1的输出口或测试时钟的输入口XT2IN53I晶体振荡器XT2的输入口，只能接标准晶体XT2OUT52O晶体振荡器XT2的输出口Avcc64模拟电源的正输入端，送到模数转换器ADC12的模拟部分Avss62模拟电源的负输入端，送到模数转换器ADC12的模拟部分DVcc1数字电源的正输入端DVss63数字电源的负输入端2.3.2 A/D采样模块A/D采样模块的是单片机自带的模块.MSP4301F149单片机中共集成了12路12位A/D转换，其中8路属于外部的信号转换，3路是对内部参考电压的检测，1路是接温控的传感电压转换，每一路转换都有一个可控制的转换存储器与之相对应，而且内部提供了1.5V和2.5V参考电压基准。可以外部提供的，转换时钟脉冲可由内部提供，也可切换至主频率脉冲等，这给使用上带来很大的灵活性。该采用模块原理上不同于一般积分和逐步比较等A/D转换原理，它的输入信号是加在A/D的电容网络上的，通过电容的充电来采样信号进行A/D转换的。在使用A/D转换模块过程中，有几点必须注意的地方：1) 由于MSP430F149是采用加载信号到电容上充电的采样，因此必须要给一定的采样时间才能到达一定的精度并保证时间不会溢出，否则会出现时间溢出而触发中断。该采样时间主要受外部电压源电阻、内部输入电阻和电容三个方面的影响，其中任意一项增大，都将使得采样时间的增长；2) 当ENC为“1”时，控制寄存器中的绝大多数位不能更改，如电位基准开关位、采样保持时间控制位等，如需更改，必须将ENC置为“0”；3) 采用外参埏电压时，必须要在相应引脚加一个稳定电压，不能认为悬空即为0V。2.3.3 液晶控制芯片的选型SID13700是SeikoEPSON公司生产的专为传统黑白（或灰阶）STN液晶面板所设计的液晶控制芯片，内嵌有字符产生器，可直接显示所需要的字型，其内部的CGROM支持160种57点阵的字符，CGRAM支持64种816点阵的字符。14条内部指令，多数指令带有参数，这些参数可以由用户根据液晶显示器的特点和控制的需要设置。SID13700还可以实现一些特殊功能，如文字数据重迭显示于绘图数据上、画面可在任意方向滚动、分割画面、显示图片等。SID13700芯片的文要特点有以下几点：1） 存储器接口。内嵌的32KB的SRAM显示内存，地址0000H-7FFFFH作为显示数据存储器区，8000H-8002F作为寄存器区，8030H-FFFFH为保留地址。2）CPU接口。SID13700芯片提供了与多种微理器的8位数据总线接口，在直接地址总线模式下支持通用总线（Z80）微处理器和M68K微处理器的接口；在间接地址总线模式下支持通用总线（Z80）、M68K、M6800接口。3） 显示支持。 SID13700支持4位单色被动型LCD接口，在黑白（1bpp）显示模式下支持80行30列字符或640240点阵图形显示；在4灰阶（2bpp）显示模式下支持40行30列字符或320240点阵图形显示；在16灰阶（4bpp）显示模式下支持30行20列字符或240160点阵图形显示。4） 显示模式。 SID13700支持1/2/4bpp模式。支持文本，图形和文本图形混和显示模式。SID13700能同时控制3个或4个显示区，在控制单屏结构液晶显示驱动系统时可以分别或同时使用第一、第二、第三显示区。在控制双屏结构液晶显示驱动系统时需要组合使用第一、第二、第三和第四显示区。第一、第三显示区既能显示文本又能显示图形，第二、第四显示区只能显示图形。5） 电源管理。 支持双电源5V/3.3V或单电源3.3V工作模式，芯片核心工作电压支持3.33.6V工作模式，输入输出电压支持3.05.5V，这就为与MSP430F149直接相连提供了保证，不需要增加电平转换器件，简化了系统设计。6）时钟源。 SID13700支持最大时钟频率为60MHZ，最大输出（FPSHUIFT引脚）时钟频率为15MHZ。支持内部或外部时钟输入，当使用外部时钟源时，XCG引脚必须接地，同时XCD1引脚悬空，如果使用内部时钟源，CLK1引脚也必须接地。 SID13700芯片的内部结构框架如图2-14所示：图2-14 SID13700内部结构框图Fig2-14 SID13700 internal structure diagram主要包括微处理器接口、字符和图形存储器管理、显示地址发生器、光标地址发生器、图层控制器、灰度控制器、点计数和点时钟发生器、时钟、LCD控制器等模块组成。SID13700显示控制器功能包括：从控制微处理器传输数据到缓冲区、读内存数据、将数据转换成显示象素和为LCD面板产生定时信号等。2.3.4 存储模块SD卡SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由松下、东芝和SanDisk公司共同开发研制，体积小，但拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性和很好的安全性。SD卡集合了SanDISK快闪记忆控制和MLC（Multilevel Cell）技术和东乏NAND技术，通过9针的接口与专门的驱动器相连接，不需额外的电源来保持其上的记忆信息。传输率高达20MB/S，并且具有物理写保护开关，保证数据的安全。SD存储卡定义了两种可选择的通信协议：SD模式和SPI模式。主机能自动选择其中任意一种模式。当接收到主机的复位指令后，卡能检测到主机要求的模式，并在这种通信模式下进行下一步的通信。SD通信协议又分为1位总线模式和4位总线模式。最新的SDIO卡规范规定高速I/O卡必须支持SD存储卡的所有通信模式。SPI接口协议首先是由Molotrola公司提出来的，现在广泛存在于各类微型控制器中。SPI总线系统是一种同步品德外设接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换。SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，SPI系统一般使用4条线；串行时钟线CLK、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MODI和低电平有效的从机片选线CS。其模块电路图如图2-15所示。图2-15 SD模块电路图Fig2-15 circuit diagram of SD module图中CLK、MISO、MOSI和CS四线构成SPI通讯接口，分别与单片机MSP430F149的P3.0-P3.3口相连，因为这四个端口有第二复用功能，即SPI接口。另外CD（Card Detect）和WP（Write Protect）都是SD卡槽自带的硬件功能（部分卡槽不带此功能），将它们分别与单片机的P1.0和P1.1相连，用于检测当前SD卡是否插入，以及写保护是否打开，然后将这些状态通过液晶界面显示出来，供用户选择。2.3.5 实时芯片DS1337DS1337数字时钟（RTC）是由美信公司研发的一款低功耗/日历芯片，作为当低的电子产品，具有日期和时间信息是必不可少的。本文中使用DS1337芯片为系统提供时间信息，呼吸参数形成文件时，每个呼吸参数采集时刻由该芯片提供，为后期呼吸气道分析提供更加全面的信息，有利于病症周期性的研究。DS1337通讯采用C接口，由于本文中气使用的MSP430F149没有内置C接口，气以单片机必须采用普通I/O引脚模拟C接口与DS1337通讯，电路如图2-16所示。图2-16 DS1337实时芯片电路Fig2-16 DS1337 real-time chip circuit从成本考虑，本文没有采用内置晶振的封装形式。SQW引脚与单片机中可以触发中断的端口相连，用于发出方波，使利单片机的时间系统与DS1337同步，本文选择P1.3引脚作为SQW输入。方波输出频率是可编程的，本文采用每分钟一次，既能满足时间的准确性，又为低功耗的实现提供了硬件平台。SDA和SCL分别为C接口的两根线，分别与单片机P3.6T P3.7相连。该两引脚复用功能在本文中未被使用。2.3.6 6键键盘键盘作为人机对话中的输入设备在完整的系统中是必不可少的。本文设计了比较简易的键盘，但功能已经满足系统的要求。键盘设计一般有阵列式和普通1对1式，各有优缺点，分别适用于不同的场合。阵列式键盘查以有效减少单片机引脚的使用，节省单片机资源，但会略微增加程序的复杂性，适用天按键较多的场合，如8按键及以上；普通1对1式就是让一个按键对应一个I/O引脚，这样做可以让程序设计变得简单，无须多次查询按键的位置，但需要更多的I/O引脚为基础，适用于按键较少的场合，6按键及以下。本文中使用6按键，加上可用于中断的I/O引脚丰富，因此采用后者。P2口具有中断功能，因此按键都与P2口相连，连接如图2-17所示。图中的UP与单片机的P2.3引脚相连，DOWN与单片机的P2.5引脚相连，LEFT与P2.0引脚相连，RIGHT与P2.7引脚相连，DISPLAY与P2.1引脚相连，SAVE与P2.6引脚相连。图2-17 按键电路图Fig2-17 Key diagram2.3.7 时钟电路MSP430F149单片机包括DCO时钟和另外两路外部时钟，外部时钟方式如图2-18所示。两路外部时钟，一路是只要在单片机的XT2IN和XT2OUT引脚外接石英晶体，就构成了自激振荡器并在单片机中产生时钟脉冲信号。图中电容的作用是稳定频率和快速起振，电容值在530PF，时钟频率为8MHZ的晶振。另一路只需接一个晶振即可，该晶振频率为32KHZ。图2-18 时钟电路Fig2-18 The clock circuit2.3.8 复位电路按键与上电复位电路如图2-19所示。开机瞬间/NMI引脚获得低电平，随着电容 的充电，/NMI引脚的低电平将逐渐增高。/NMI引脚的低电平只要保持足够的时间，单片机就可以进行复位操作；另外，在单片机运行期间，还可以利用按键来完成复位操作。图2-19 复位电路Fig2-19 Reset circuit2.3.9 报警电路报警电路是对每次呼吸的