基于MSP430单片机的血氧仪的设计与实现

彭克勤

北京信息科技大学



基于MSP430单片机的血氧仪的设计与实现

彭克勤

北京信息科技大学

摘要：血氧仪测量的都是临床医疗上重要的基础数据。基于MSP430f5419的血氧仪，是以MSP430f5419单片机为核心、采用TI 的AFE4401芯片做为血氧采集部分、外接OLED显示屏的一款便携式血氧仪。本文阐述了此类便携式血氧仪的一个设计方案和软硬件实现方法。

1　项目背景

生活水平的提高，越来越多的人选择购买一些医疗设备如血氧仪等来使用，因而医用设备开始往小型化、智能化、低成本化发展等趋势。血氧仪主要测量指标分别为脉率、血氧饱和度、灌注指数（PI）。血氧仪测量的都是临床医疗上重要的基础数据，是诊断心脏病的必要设备。若要体积小，必须将控制系统小型化、功耗低。根据这些需求，本文选择控制核心用MSP430f5419,血氧采集部分选用TI的集成方案即AFE4401。

2　血氧仪系统设计及硬件实现

2.1主要硬件元器件介绍

2.1.1单片机MSP 430特点

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。

MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8～3.6V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200～400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA ，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（ LPM0～LPM4 ）。在等待方式下，耗电为0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。

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 、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口1～11（P1～P11）、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 。

丰富的片上资源，具有低功耗的优点，非常适合做便携式产品，本文就是以此低功耗的特点来设计。

2.1.2血氧采集模块AFE4401介绍

AFE4401支持常见的阳极配置；100 dB的动态范围；6位可编程的LED电流改成50 mA；同时支持3发光二极管的优化；血氧饱和度或多波长动脉血氧饱和度。

脉冲频率10 SPS 1000 SPS；灵活的脉冲序列和定时控制；灵活的时钟选项：外部时钟:4-60 MHz时钟输入和内部时钟:4 MHz振荡器；I2C接口和SPI接口。

2.2系统结构原理框图

血氧仪由三部分组成：核心控制CPU MSP430f5419、模拟采集部分、显示界面部分三部分组成，其关系如图1所示：

图1　血氧仪硬件结构图

工作原理：整个系统在不使用时，处于待机工作模式，关闭所有外设；当需要使用时，按下使用按键，系统处于正常工作模式，此时单片机MSP430f5419初始化AFE4401芯片控制血氧探头的两只LED发光（红光和红外光），当AFE4401正常工作时，此芯片会每隔8.1MS产生一次中断，通知单片机MSP430f5419开始采集数据。当采集到的AD值经过滤波后，每10组AD值进行一次运算，算出血氧含量，再通过OLED屏M00930_VGM显示当前的值。

2.3硬件电路图

在本文中，按照功能应用来分，大致分四部分：单片机控制电路、OLED屏控制接口电路，电源控制电路，AFE4401芯片控制接口电路。

2.3.1单片机MSP430f5419控制电路

单片机MSP430f5419控制电路如图2所示，它是由采用外部晶振16M做为时钟主频，32768HZ为RTC时钟，上电复位电路。

图2　单片机MSP430f5419控制电路

图3　电源控制电路图

图4　OLED屏控制接口电路图

图5　AFE4401芯片控制接口电路图

图6　主程序流程图

2.3.2 电源控制电路

电源控制电路如图3所示，本系统中，电源部分采用锂电池供电，因此需要考虑到充电部分，采用BQ24040做为锂电池的充电部分，当外接电源时，外接电源给电池充电；开机唤醒系统采用外部按键，当系统上电时，单片机处于待机状态，此时按下按键，单片机被唤醒，打开AFE4401、OLED屏的电源并初始化，然后等待接收数据及处理数据。

2.3.3OLED屏控制接口电路

OLED屏控制接口电路如图4所示，由于本文需要考虑到功耗的问题，因此，在系统中需要设置电源控制电路，当不使用时，应该关闭屏幕电源，以节省系统电源。OLED屏与单片机MSP430f5419采用IIC接口, IIC工作频率在100KHZ。

2.3.4AFE4401芯片控制接口电路

AFE4401芯片控制接口电路如图5所示，本系统中，AFE4401芯片为TI公司的血氧集成解决方案。

如图5所示。

3　软件设计及实现

按照功能来分，主要分为三部分：主程序、中断程序、显示程序等部分。每个功能即相互关联，又相互独立。下面按功能要求来讲述。

3.1主程序

程序上电时，首先依次进行时钟初始化、AFE4401进行初始化、OLED屏初始化、外部中断初始化；然后进入低功耗等待数据采集、处理数据、显示数据。

主流程图如6所示。

3.2中断程序

将MSP430f5419的GPIO口的设置成中断口。当有按键按下时，进入中断，将其产生的中断标志成使能状态，当外AFE4401产生中断，也将需要读取数据的标志使能。其中断部分程序如下：

（三）OLED程序

在这里只列出一部分，其他部分暂略。

4　结束语

本文针对“便携式血氧仪”这样一个正在走入每个家庭的微型医疗仪器，详细介绍了其系统设计方案和软硬件实现方法。该设计方案可以在上市产品中使用。本文也是MSP430系列16位超低功耗单片机的一个应用实例。

参考文献

[1]Datasheet_AFE4401_Rev1.1_Choicemed_Nov10_2014.pdf

[2]最新M00930_VGM064032A0W01_D02_20140627 .pdf

[3]洪利、章扬、李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解（2010.7）

[4]沈建华、杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践（2010.7）

作者介绍

彭克勤，女，硕士，副教授。

关键字：单片机 MSP430f5419 血氧仪 AFE4401