睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)-終

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)摘要：睡眠呼吸暫停綜合癥(Sleep Apnea Syndrome，SAS)是一種發(fā)病率高，具有潛在危險(xiǎn)性的疾病。傳統(tǒng)的呼吸暫停監(jiān)護(hù)系統(tǒng)雖能有效減少呼吸暫停病患者的死亡率，但不能對(duì)眾多該類患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，尤其是癥狀較輕的早期患者。其發(fā)病隨機(jī)，持續(xù)時(shí)間短暫，給病情的及早診斷和治療造成很大的困難。本文主要介紹了利用熱敏電阻MF52作為溫度傳感器來檢測(cè)人體呼吸時(shí)呼出的氣流溫度的變化，將從溫度傳感器輸出的毫伏級(jí)的信號(hào)經(jīng)過AD620放大后，得到2.3V左右的能夠被微處理器處理的信號(hào)，從而獲得呼吸信號(hào)參數(shù)，并通過微處理器MSP430F149進(jìn)行分析處

2、理后，判斷是否暫停，如果有暫停發(fā)生，則通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)以提示旁人進(jìn)行一定的處理。同時(shí)記錄下發(fā)生呼吸暫停的時(shí)間，并且在LCD上顯示，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。關(guān)鍵詞：睡眠呼吸暫停綜合癥；監(jiān)護(hù)儀；熱敏電阻；MSP430F149專心-專注-專業(yè)The Design of Sleep Apnea Alarm MonitorAbstract: Sleep apnea syndrome is a high incidence and potentially dangerous disease. The traditional apnea monitoring system can effectively

3、 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

4、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 p

5、arameters. 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-t

6、ime monitoring.Key words: Sleep Apnea Syndrome, Monitor, Thermister , MSP430F149目 錄第1章 緒 論1.1 睡眠呼吸暫停綜合癥睡眠呼吸障礙診治的研究國(guó)外迄今已有30余年，國(guó)內(nèi)己有10余年歷史，隨著研究工作的不斷深入及診治水平的不斷進(jìn)步，對(duì)此類疾患的認(rèn)識(shí)和監(jiān)測(cè)有較大的提高。睡眠呼吸暫停綜合癥( Sleep Apnea Syndrome，SAS)是指7小時(shí)睡眠中，呼吸暫停和低通氣次數(shù)超過30，或每小時(shí)大于5次，同時(shí)在白天有困倦等癥狀的一種疾病1。大量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)人群中大約1%4%的人患有該病，以美國(guó)為例，估計(jì)兩千萬(wàn)人有睡

7、眠時(shí)呼吸暫停癥狀，3060歲的成年人中四分之一的男性及十分之一的女性有該病的臨床表現(xiàn)。據(jù)估計(jì)，全球每天大約有3000人死于該癥。目前，診斷SAS的“金標(biāo)準(zhǔn)”仍然是多導(dǎo)睡眠圖(Poly SomnoGraphy, PSG)。70年代多為有紙記錄，90年代多為計(jì)算機(jī)識(shí)別、儲(chǔ)存及分析。為使PSG能在更為自然的睡眠條件下得到實(shí)施，便攜式記錄盒已經(jīng)用于臨床。為了減少對(duì)復(fù)雜腦電波的記錄識(shí)別誤差，簡(jiǎn)化腦電記錄，出現(xiàn)了體位記錄的軟件，這種軟件分析醒覺、非快動(dòng)眼睡眠(Non Raped Eye Movement，NREM)及快動(dòng)眼睡眠(Rapid Eye Movement，REM)，與經(jīng)典的PSG記錄分析的睡眠呼

8、吸暫停低通氣指數(shù)(Apnea Hypopnea Index，AHI)對(duì)照，也取得了較好的相關(guān)性，簡(jiǎn)便了PSG的監(jiān)測(cè)，并可通過調(diào)制解調(diào)器及電話線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室聯(lián)網(wǎng)2。1.2 睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀隨著科技的發(fā)展,人們對(duì)睡眠生理,病理的了解日益增多,一門新興的邊緣學(xué)科-睡眠醫(yī)學(xué)作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的一個(gè)重要組成部分正在建立和發(fā)展起來,廣泛地受到重視。在美國(guó)有數(shù)百家大型研究機(jī)構(gòu)正在從事睡眠呼吸方面的研究2,他們?cè)谒呒膊?尤其是上呼吸道阻塞引起的“阻塞性睡眠呼吸暫停綜合癥”的可能病因、危害、診斷及治療方法等方面進(jìn)行了大量的研究工作。研究發(fā)現(xiàn):打鼾通常并不是睡眠呼吸暫停的標(biāo)志,但是10個(gè)成年人中有一個(gè)打鼾

9、,而10個(gè)打鼾者中就有患有睡眠呼吸暫停綜合癥的。也就是說“打鼾”這種現(xiàn)象很有可能潛伏著睡眠呼吸暫停綜合癥,正常人有輕度鼾聲不屬呼吸暫停,呼吸暫停的定義是指呼吸道停止氣流達(dá)10s以上。如夜間打鼾且伴有間歇性呼吸暫停30次以上,每次暫停時(shí)間超過10s以上即可被診為“呼吸暫停綜合癥”。這是一種潛在的致死性疾病。其特點(diǎn)是睡眠時(shí)上呼吸道阻塞導(dǎo)致進(jìn)行性缺氧,酸中毒,呼吸困難。造成白天嗜睡,頭暈,頭痛,記憶力減退,乏力,反應(yīng)遲緩,睡眠行為異常等癥狀。長(zhǎng)期患“呼吸暫停綜合癥”可引起高血壓,心律失常及猝死。國(guó)外醫(yī)學(xué)界對(duì)此類疾病的研究十分重視，且已取得重大成果。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此類患者的診斷大多采用多導(dǎo)儀或其它呼吸診斷

10、儀器。而此類儀器價(jià)格昂貴且基本需從國(guó)外進(jìn)口，不便在國(guó)內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用。因此我們嘗試研究一種價(jià)格便宜,性能優(yōu)良的“呼吸暫停監(jiān)測(cè)儀”，以滿足各級(jí)醫(yī)院和患者的需求。目前檢測(cè)呼吸暫停的主要方法有以下四種3:運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法、電阻抗法、氣流檢測(cè)法和多道檢測(cè)法。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)法測(cè)量的是身體隨呼吸的運(yùn)動(dòng)，人在呼吸時(shí)胸腔會(huì)擴(kuò)大和縮小，腹肌的收縮和舒張會(huì)有腹部的起伏變化，這些變化經(jīng)過一定形式的傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)便是呼吸的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；電阻抗法測(cè)量呼吸信號(hào)的基本原理是隨著呼吸運(yùn)動(dòng)的變化，肺組織的電阻率也有相應(yīng)的改變。吸氣時(shí)肺容量增大，吸入的氣體使得肺部組織的電阻率升高、阻抗變大。呼氣時(shí)肺容量減小，組織電阻率降低，阻抗變小，

11、在體表施加恒流源或恒壓源，通過檢測(cè)電極可以檢測(cè)到隨肺組織阻抗變化而變化的電信號(hào)；氣流檢測(cè)法以呼吸氣流為檢測(cè)對(duì)象，氣流有無(wú)便是通氣的有無(wú)，它是檢測(cè)呼吸暫停最直接的方法。常見的氣流檢測(cè)方式有熱敏氣流測(cè)量法和氣流音測(cè)量法，另外還有手術(shù)中使用的插管氣流壓力測(cè)量法、潮氣量、CO2測(cè)量法等等；多道檢測(cè)就是將多種檢測(cè)呼吸暫停的方法組合在一起的檢測(cè)系統(tǒng)，多道檢測(cè)系統(tǒng)在不同環(huán)境、不同用途或不同呼吸暫停類型的檢測(cè)中有多種不同的組合，著重于睡眠研究的裝置可以有CO2檢測(cè)、氣管音檢測(cè)、SaO2檢測(cè)、心電檢測(cè)、腦電檢測(cè)等等。1.3 研究的內(nèi)容隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，飲食結(jié)構(gòu)的改變，勞動(dòng)強(qiáng)度的改善，睡眠呼

12、吸疾病發(fā)病率呈逐漸上升的趨勢(shì)，特別是青壯年男性的發(fā)病率增高，本病除對(duì)患者本人健康造成危害外，還對(duì)社會(huì)、家庭造成不良影響。傳統(tǒng)的呼吸暫停監(jiān)護(hù)系統(tǒng)雖能有效地減少呼吸暫停病患者的死亡率，但不能對(duì)眾多的呼吸暫停病患者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，尤其是癥狀較輕的呼吸暫停病早期患者，平時(shí)沒有癥狀，偶感呼吸不暢，一般也僅持續(xù)幾十秒鐘，等趕到醫(yī)院做呼吸檢查時(shí)，因?yàn)榘Y狀消失，呼吸恢復(fù)正常，使醫(yī)生不能對(duì)病人進(jìn)行及時(shí)確診，疾病也難以得到早期治療和控制。因此，能夠記錄分析病人24小時(shí)活動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)呼吸記錄，并對(duì)其分析，給醫(yī)生提供具有診斷價(jià)值的資料，對(duì)于呼吸功能的評(píng)估，睡眠呼吸暫停病的早期診斷非常有益。針對(duì)這種醫(yī)療診斷的需要，隨著

13、計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，近些年來，市場(chǎng)上已推出不同檔次的動(dòng)態(tài)睡眠呼吸暫停記錄與分析系統(tǒng)，而此類儀器價(jià)格昂貴且基本需從國(guó)外進(jìn)口，不便在國(guó)內(nèi)醫(yī)院和患者中推廣使用。所以設(shè)計(jì)一種低功耗、體積小、價(jià)格便宜的呼吸系統(tǒng)監(jiān)視儀是十分必要的。第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案對(duì)于睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀來說，應(yīng)該根據(jù)調(diào)研和收集的資料確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)和目標(biāo)，分析需要解決的問題，實(shí)現(xiàn)的基本功能。為了解決夜間睡眠過程中存在的呼吸暫停的問題，提出了睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀具有的功能：Ø 在輸入方面，通過傳感器采集呼吸信號(hào)；Ø 對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，得出呼吸是否異常；Ø 監(jiān)視過程中

14、，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)情況可以顯示；Ø 具備報(bào)警的能力；Ø 系統(tǒng)應(yīng)該操作簡(jiǎn)單，易于使用；Ø 系統(tǒng)成本應(yīng)該控制在合理的價(jià)格之內(nèi)。根據(jù)對(duì)監(jiān)護(hù)儀硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等的需求分析，得到睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下：Ø 采用低功耗硬件電路設(shè)計(jì)及微控制器芯片，為睡眠呼吸監(jiān)控提供平臺(tái)支持,并能根據(jù)以后應(yīng)用的需要，對(duì)于該平臺(tái)進(jìn)行模塊擴(kuò)展。Ø 對(duì)于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來說，需要響應(yīng)呼吸時(shí)定時(shí)器的定時(shí)中斷、液晶顯示中斷和報(bào)警中斷，系統(tǒng)對(duì)中斷的異步響應(yīng)能力是驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要方面，因此增加中斷源能更好驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。Ø 睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀要有良

15、好的人機(jī)交互窗口，使用可以顯示圖形和字體的液晶屏，可以提高系統(tǒng)的交互性。Ø 呼吸監(jiān)控在醫(yī)學(xué)治療應(yīng)用環(huán)境中，對(duì)可靠性要求較高，所以硬件電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)是考慮外圍工作電路的可靠性設(shè)計(jì)。Ø 采用高性能低價(jià)格的系統(tǒng)方案。2.2系統(tǒng)組成睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀的設(shè)計(jì)主要由兩個(gè)部分組成，系統(tǒng)的硬件部分以及軟件部分。硬件部分則主要由單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配以輸入、輸出、顯示、測(cè)量和控制等外圍電路和軟件能實(shí)現(xiàn)一種或多種功能的實(shí)用系統(tǒng)。硬件是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是在硬件的基礎(chǔ)上對(duì)其資源進(jìn)行合理調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要求的任務(wù)。硬件和軟件二者相互依賴，缺一不

16、可。2.2.1 系統(tǒng)硬件部分基于以上的需求分析，可以得到睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成：信號(hào)采集部分、信號(hào)預(yù)處理部分、單片機(jī)處理部分(MCU)、報(bào)警部分、電源部分、顯示部分。u 信號(hào)采集部分：主要是負(fù)責(zé)采集呼吸信號(hào)，可以通過各種傳感器，如溫度傳感器、壓力傳感器和阻抗法等。u 信號(hào)預(yù)處理部分：主要負(fù)責(zé)的是將采集到的呼吸信號(hào)經(jīng)過一定的放大、濾波處理，使之能夠被送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，繼而進(jìn)行其他的操作。u 單片機(jī)處理部分(MCU)：它是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制和管理，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過計(jì)算給出系統(tǒng)的呼吸速度，并且與設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較，確定是否需要進(jìn)行報(bào)

17、警操作。本文采用的單片機(jī)是MSP430F149。u 報(bào)警部分：信號(hào)采集部分采集到的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后，得出報(bào)警控制信號(hào)，再由報(bào)警部分響應(yīng)，以引起操作人員的注意。主要有光電報(bào)警(發(fā)光二極管)和聲音報(bào)警(揚(yáng)聲器或蜂鳴器)等。u 電源部分：主要負(fù)責(zé)為睡眠呼吸暫停監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)施提供標(biāo)準(zhǔn)電源的模塊，以使各個(gè)模塊能夠正常的工作。u 顯示部分：主要負(fù)責(zé)顯示實(shí)時(shí)時(shí)間以及呼吸速度等信息。一般采用LCD(Liquid Crystal Display,液晶顯示)液晶屏顯示?；谝陨系姆治觯梢缘玫较到y(tǒng)的硬件框圖如圖2-1所示： 信號(hào)采集信號(hào)預(yù)處理 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 MSP 430 F149電 源液晶顯示報(bào) 警 圖2-1

18、系統(tǒng)硬件框圖2.2.2 系統(tǒng)軟件部分本次設(shè)計(jì)中,主要完成的是系統(tǒng)軟件部分的工作,同時(shí)也參與了硬件方面的設(shè)計(jì)和選型等。系統(tǒng)的軟件部分主要完成的工作則是采樣經(jīng)過放大、濾波后的呼吸信號(hào)，經(jīng)過一定的分析處理，判斷呼吸暫停是否超過10S，如果超過10S，則啟動(dòng)報(bào)警。同時(shí)系統(tǒng)的軟件部分還要控制液晶的顯示?；谝陨系姆治?，可以得到系統(tǒng)的軟件部分框圖如圖2-2所示：采樣呼吸信號(hào)實(shí)時(shí)時(shí)鐘處理數(shù)據(jù)處理液晶顯示報(bào)警處理軟件部分圖2-2 系統(tǒng)的軟件框圖2.3 本章小結(jié)通過對(duì)睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀的總體分析，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)共分為兩大部分，分別為硬件系統(tǒng)部分和軟件系統(tǒng)部分。硬件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：信號(hào)采

19、集部分、信號(hào)預(yù)處理部分、單片機(jī)處理部分、報(bào)警電路、電源電路和液晶顯示部分。對(duì)每一部分進(jìn)行了功能說明。軟件系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：采樣呼吸信號(hào)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘處理、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示和報(bào)警處理模塊。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出特定的應(yīng)用系統(tǒng)，是每一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該達(dá)到的目標(biāo)。應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，并且這兩部分的設(shè)計(jì)是互相關(guān)聯(lián)、密不可分的，因此睡眠呼吸暫停監(jiān)護(hù)儀硬件設(shè)計(jì)原則應(yīng)遵循安全可靠、有足夠的抗干擾能力、經(jīng)濟(jì)合理、易用性。考慮到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能、軟硬件組成，系統(tǒng)的主要元器件有：?jiǎn)纹瑱C(jī)(MCU)、傳感器、放大器、時(shí)鐘芯片、蜂鳴器和液晶屏。3.1 硬件電路

20、總體設(shè)計(jì)睡眠呼吸暫停監(jiān)視儀的硬件主要包括單片機(jī)、電源單元、信號(hào)處理單元、報(bào)警單元、液晶顯示單元和實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入信號(hào)預(yù)處理報(bào)警部分液晶顯示部分MSP430F149電源部分P3.0P3.2P5.0P5.7P2 P1.6P6.0圖3-1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.2 電源單元睡眠呼吸暫停監(jiān)視儀中各個(gè)模塊所需要的電壓大小4,可分為四種±12V、+5V和+3.3V如圖3-2所示：圖3-2 電源電路通過L7812、L7912、L7805和L1117的穩(wěn)壓芯片分別得到±12V、+5V和+3.3V電壓。±12V電壓也AD620模塊提供電源，+5V為液

21、晶模塊LCD1602和傳感器電橋電路提供電源，+3.3V為MSP430F149提供電源。在L7812、L7912、L1117的芯片輸入和輸出端都接100F電解電容和104獨(dú)石電容，可以比較有效濾掉電源線和電源內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。3.3 信號(hào)采集與預(yù)處理單元根據(jù)醫(yī)學(xué)生理學(xué)原理，在肺通氣阻力一定時(shí)，推動(dòng)氣體流動(dòng)的壓力越大，單位時(shí)間內(nèi)氣體流量就越大，當(dāng)氣道管徑一定時(shí)，氣體流速也就越大，反之亦然5。人的呼吸途徑有兩個(gè)，一個(gè)是鼻腔，另一個(gè)是口腔。在呼吸時(shí)，口、鼻腔處由于氣流流過而使溫度發(fā)生變化。將溫度傳感器和導(dǎo)管相連，導(dǎo)管固定在鼻腔或口腔下方，在呼吸時(shí)，口鼻腔底部由于氣流流過使溫度發(fā)生變化，傳感器就會(huì)將受到

22、的變化的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)從而得到呼吸信號(hào)，因此人體的呼吸狀態(tài)可以通過檢測(cè)口鼻腔處壓力變化獲得5。在呼吸過程中，導(dǎo)管中的溫度不斷發(fā)生變化，這時(shí)可以通過傳感器采集這一溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為MCU易于處理的電壓信號(hào)，這時(shí)的電壓信號(hào)在10mV左右波動(dòng)，變化不明顯而且容易受外界干擾，因此需要對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，放大濾波后的信號(hào)在2.3V左右波動(dòng)，這時(shí)的電壓信號(hào)即可清楚地反映呼吸狀態(tài)，然后把這一電壓信號(hào)接入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)化，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷呼吸是否暫停。這里的呼吸暫停是指呼吸停止持續(xù)時(shí)間超過10s。呼吸過程中的參數(shù)如表3-1所示。表3-1 呼吸參數(shù)狀態(tài)放大前(mV)放大后(V)呼5.

23、0-800.6-1.0不呼310-3502.2-2.4常用的呼吸信號(hào)檢測(cè)方法有四種，分別是用壓力傳感器獲取呼吸信號(hào)，用溫度傳感器獲取呼吸信號(hào)，用阻抗法獲取呼吸信號(hào)，通過心電信息獲取呼吸信號(hào)。（1）用壓力傳感器獲取呼吸信號(hào)呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著呼氣和吸氣的周期性變換，呼吸管道以及胸腹部都會(huì)產(chǎn)生周期性的形變。壓力傳感器就是從這個(gè)現(xiàn)象出發(fā)，設(shè)法感受呼吸時(shí)呼吸管道和胸腹部的這種周期性形變，以此測(cè)定呼吸頻率。該設(shè)計(jì)是采用力學(xué)傳感器直接測(cè)量胸腹以及呼吸管道的位移，這種接觸式的方法需要給胸腹施加一定的預(yù)壓力，會(huì)使受試者產(chǎn)生不適感5。（2）用溫度傳感器獲取呼吸信號(hào)呼吸實(shí)質(zhì)上是人體內(nèi)外環(huán)境之間氣體的交換, 正常人的呼

24、吸是由呼吸中樞支配呼吸肌有節(jié)奏地張弛、造成肺內(nèi)壓和大氣壓之間的壓力差, 此壓力差在克服了肺通氣阻力之后, 方能實(shí)現(xiàn)氣體交換。根據(jù)醫(yī)學(xué)生理學(xué)原理, 在肺通氣阻力一定時(shí), 推動(dòng)氣體流動(dòng)的壓力(大氣壓與肺內(nèi)壓力差) 越大, 單位時(shí)間內(nèi)氣體流量就越大,當(dāng)氣道管徑一定時(shí), 氣體流速也就越大, 反之亦然5。而此氣體通過鼻腔, 與外界氣體進(jìn)行交換時(shí), 必然會(huì)引起鼻腔內(nèi)溫度的變化。實(shí)驗(yàn)證明:在氣道管徑不變的條件下,溫度的變化量(T)與氣體流速的變化量(V)線性相關(guān),因此只采用靈敏度高、溫度線性好、時(shí)間常數(shù)較小的熱敏傳感器,就能把微弱的呼吸信息檢測(cè)出來,再經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器處理,就能自動(dòng)地、實(shí)

25、時(shí)地顯示呼吸波形、流速-容量曲線、呼吸氣流速率、頻率、峰值以及潮氣量等多項(xiàng)肺功能參數(shù)。常用的溫度傳感器有熱敏電阻、PN結(jié)、熱電偶、石英晶體、紅外熱探測(cè)器和液晶測(cè)溫膜等。因呼吸氣流的溫度變化不大(12)，故用于呼吸溫度采樣的傳感器一般是熱敏電阻式傳感器。（3）用阻抗法獲取呼吸信號(hào)人體是一個(gè)大的生物導(dǎo)電體，其組織和器官對(duì)高頻電流呈現(xiàn)一定的阻抗。當(dāng)人體做呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，其胸部組織阻抗的變化與肺容積的變化之間存在著比較好的關(guān)系曲線，通過對(duì)人體胸腔輸入一定頻率、一定大小值的恒定電流，檢測(cè)出兩端電壓的變化，即可得到對(duì)應(yīng)的呼吸阻抗變化信號(hào)。阻抗法測(cè)呼吸是目前呼吸監(jiān)測(cè)設(shè)備中最為常用的一種技術(shù)，具有無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)單、安全

26、、廉價(jià)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但受人體運(yùn)動(dòng)引起的干擾影響較大6。（4）通過心電信息獲取呼吸信號(hào)基于一種可觀測(cè)到的心電向量環(huán)和一種關(guān)于旋轉(zhuǎn)變換以及時(shí)間同步的參考向量環(huán)的結(jié)合，這種方法非常適合于不方便對(duì)呼吸活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的情況，但屬于間接測(cè)量，實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜也不很精確7。熱敏電阻是一種對(duì)溫度敏感的溫敏元件,由氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等氧化物和陶瓷、半導(dǎo)體材料構(gòu)成，電阻率比金屬大的多。通常做成珠狀、球狀等,尺寸可小于0.5mm。設(shè)計(jì)溫差電橋測(cè)量電路,如圖3-3所示,熱敏電阻分別置于兩相鄰臂上,人體呼吸作用于熱敏電阻R4,熱敏電阻R4置于外界環(huán)境中，通以電流并加熱到一定溫度，當(dāng)鼻孔中的氣流通過熱敏電阻時(shí),由于受到流動(dòng)氣

27、體的熱交換，引起阻值變化使電橋失去平衡,當(dāng)氣體周期性流過熱敏電阻時(shí),電阻值也周期性變化，因此可以從電橋輸出得到周期性變化的電壓信號(hào)，再經(jīng)過各種處理得到呼吸參數(shù)。圖3-3 溫度傳感器電橋電路綜合各方面的考慮，本系統(tǒng)采用MF52型NTC熱敏電阻。MF52型熱敏電阻器是采用新材料、新工藝生產(chǎn)的小體積的樹脂包封型NTC熱敏電阻器，具有高精度和快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。其特點(diǎn)為：Ø 測(cè)試精度高。Ø 體積小、反應(yīng)速度快；Ø 能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作；Ø 互換性、一致性好。信號(hào)采集單元是睡眠呼吸暫停儀設(shè)計(jì)最重要的部分之一。能否準(zhǔn)確地檢測(cè)出呼吸信號(hào)是計(jì)算呼吸速度和判斷呼吸異常的關(guān)鍵,也是

28、整個(gè)睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀性能和可靠性的主要參考標(biāo)準(zhǔn)。呼吸信號(hào)的采集與預(yù)處理如圖3-4所示，本系統(tǒng)采用MF52 NTC熱敏電阻作為傳感器采集呼吸信號(hào)，即通過呼吸時(shí)鼻腔內(nèi)的溫度變化來轉(zhuǎn)化為毫伏級(jí)的電壓變化，通過信號(hào)預(yù)處理單元將采集到信號(hào)經(jīng)過濾波放大到02.5V滿足單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換量程內(nèi)的電壓。經(jīng)過預(yù)處理的呼吸信號(hào)與單片機(jī)的P6.0進(jìn)行連接。以完成模數(shù)轉(zhuǎn)換以及為后續(xù)電路提供輸入信號(hào)。圖3-4 呼吸信號(hào)的采集與預(yù)處理電路圖中R3是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)的熱敏電阻，在將熱敏電阻放在鼻腔處時(shí)，調(diào)節(jié)R4的阻值，使得橋路輸出電壓為200mV左右，經(jīng)過AD620放大到2.3V左右，當(dāng)人呼吸時(shí)，鼻腔處的溫度

29、會(huì)升高，導(dǎo)致熱敏電阻阻值降低，此時(shí)橋路輸出電壓降低，而且下降幅值較大，可以使得放大后的輸出電壓下降至0.5V左右，調(diào)理后的信號(hào)與MSP430F149的P6.0連接，那么，將單片機(jī)檢測(cè)閾值設(shè)為1V，當(dāng)信號(hào)在1V處為上升沿變換則啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)在1V處有下降沿時(shí)停止計(jì)時(shí)，看這段時(shí)間是否大于10S，若大于10S就觸發(fā)報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警，若小于10S則將此段時(shí)間清零，為下一次計(jì)數(shù)作準(zhǔn)備。在這一環(huán)節(jié)中，放大器的選擇好壞對(duì)提高測(cè)量精度十分關(guān)鍵，根據(jù)相關(guān)資料查閱，在放大器電路精選中，一般在首級(jí)放大器有低噪聲、低輸入偏置電流、高共模抑制比等要求的場(chǎng)合大多采用自制的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)8，如圖3-5所示。圖3-5 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的

30、高性能放大器原理圖圖3-5中由Al、A2構(gòu)成前級(jí)對(duì)稱的同相、反相輸入放大器，后級(jí)為差動(dòng)放大器，在這個(gè)結(jié)構(gòu)圖中，要保證放大器高的性能，參數(shù)的對(duì)稱性與一致性顯得尤為重要，不僅包括外圍的電阻元件R1與R2、R3與R4、R5與R6，還包括A1與A2放大器的一致性，因此，要自制高性能的放大器對(duì)器件要求相當(dāng)高。而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了專用的高性能的儀表放大器，它的內(nèi)部核心結(jié)構(gòu)還是三運(yùn)放，例如AD620、AD623就是具有上述三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中呼吸信號(hào)幅度很小，大約只有微伏到毫伏的數(shù)量級(jí)范圍，所以所選放大器的增益范圍要廣，放大倍數(shù)要便于調(diào)節(jié)，功耗要小。針對(duì)以上要求，最終選擇了體積小、功耗

31、低、噪聲小及供電電源范圍廣的AD62O作為放大器。AD620是低價(jià)格、低功耗儀用放大器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置11000倍的放大增益，具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時(shí)間和較高的精度，特別適合于精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如稱重傳感器接口，也非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)(如ECG，Electrocardiogram，心電圖)、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620作為一個(gè)低成本，高精度的單片儀器放大器，為雙列直插外形(Dual In-line Package Shape, DIPS)(圖3-6)，其主要特點(diǎn)如表3-2所示。AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是OP-07S組成的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)，性能大大優(yōu)

32、于自制的三運(yùn)放IC(Integrate circuit，集成電路)電路設(shè)計(jì)，只需在1腳與8腳之間外接RG電阻(圖3-6),為此它的外圍電路十分簡(jiǎn)單10。表3-2 AD620特征參數(shù)供電電源增益選擇增益范圍最大增益誤差率帶寬功耗±2.3±18V電阻編程110000.7%(G=1000)1MHz(G=l，小信號(hào)-3dB最大650mW輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)偏移輸入偏置電流最小共模抑制比溫度范圍最大125V最大1V/最大20A93dB(G=100)070 民品-4085工業(yè)品-55120 軍品圖3-6 AD620管腳圖AD620為三運(yùn)放集成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，為保護(hù)增益控制的高精度，其

33、輸入端的三極管提供簡(jiǎn)單的差分雙極輸入，并采用工藝獲得更低的輸入偏置電流，通過輸入級(jí)內(nèi)部運(yùn)放的反饋，保持輸入三極管的集電極電流恒定，并使輸入電壓加到外部增益控制電RG上。AD620的兩個(gè)內(nèi)部增益電阻為24.7k，因而增益方程式為: （3-1）對(duì)于所需的增益，則外部控制電阻值為: （3-2）外部增益控制電阻值RG也決定前置放大器的跨導(dǎo)，當(dāng)RG減小時(shí)，由（3-1）式可知可編程的增益增加，開環(huán)增益隨之增加；反之當(dāng)RG增大時(shí)則增益降低，并且降低了增益誤差，同時(shí)帶寬也隨之增加，因而優(yōu)化了頻率響應(yīng)。另一方面，AD620的低輸入電壓噪聲在1kHz時(shí)為9nV/Hz，在0.1l0Hz頻帶時(shí)為0.28Vpp，電流噪

34、聲僅為0.1pA/Hz，因而在精確測(cè)量系統(tǒng)中，應(yīng)用AD620設(shè)計(jì)電路是非常理想的。在本系統(tǒng)中，由于傳感器輸出的信號(hào)有300mV左右，所以增益G=7就可以滿足放大要求，由公式(3-2)計(jì)算出RG =8.3 k左右就可以了，系統(tǒng)中采用10 k可調(diào)電阻實(shí)現(xiàn)這一要求。3.4 信號(hào)處理單元信號(hào)的分析與處理是此系統(tǒng)的主要模塊所在，選用MSP430F149作為系統(tǒng)的微處理器。MSP430系列是美國(guó)()1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器9(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號(hào)處理器。該單片機(jī)在設(shè)計(jì)上打破常規(guī)，采用了全新的概念，其突出的優(yōu)點(diǎn)是低電源電壓、超低功耗

35、，非常適合各種功率要求低的應(yīng)用。它有多個(gè)系列和不同型號(hào)，它們分別由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。稱之為混合信號(hào)處理器，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。憑借其較高的性能價(jià)格比，已廣泛應(yīng)用于智能家庭儀表、醫(yī)療設(shè)備和保安系統(tǒng)等方面。MSP430系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下的特點(diǎn)：強(qiáng)大的處理能力，MSP430系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了()結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參

36、加多種運(yùn)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(qū)動(dòng)下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。在運(yùn)算速度方面，MSP430系列單片機(jī)能在8MHz晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實(shí)現(xiàn)乘加)相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法(如 等)。MSP430系列單片機(jī)的源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用6µs。超低功耗MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首

37、先， MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.83.6V電壓。因而可使其在1MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 200400µA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1µA 。其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)(FLL和 FLL+)時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器(32768Hz)，有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功

38、耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式(AM)和五種低功耗模式(LPM0LPM4)。在等待方式下，耗電為0.7µA，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1µA。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng) CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做CPU 時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。豐富的片上外圍模塊，MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT)、模擬比較器

39、A、定時(shí)器A(Timer_A)、定時(shí)器B (Timer_B)、串口0、1(USART0、1)、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、16位Sigma-Delta AD、直接尋址模塊(DMA)、端口O(P0)、端口16(P1P6)、基本(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(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出A/D轉(zhuǎn)換器；16位定時(shí)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(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具

40、有較多的I/O端口，最多達(dá)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(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；實(shí)現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸(DMA)模塊。MSP430系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。方便高效的開發(fā)環(huán)境,目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后在燒寫

41、或掩膜芯片；對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。MSP430 單片機(jī)目前主要以FLASH型為主。MSP430x14x的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7所示。圖3-7 MSP430X14X結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)主要完成的功能則是通過檢測(cè)與P6口連接傳感器輸入信號(hào),通過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷是否發(fā)生呼吸暫停，如果有，則從

42、P1.6口輸出報(bào)警信號(hào)。并且檢測(cè)從P3口送入的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，通過P5數(shù)據(jù)口和P2.5P2.7控制口的在液晶屏上顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。3.5 報(bào)警單元報(bào)警單元的功能是提醒患者旁邊的人當(dāng)患者出現(xiàn)呼吸暫停時(shí)能夠及時(shí)的對(duì)患者進(jìn)行一定的處理以及提醒，使其盡快的恢復(fù)正常。本系統(tǒng)的報(bào)警單元采用蜂鳴器報(bào)警方式，蜂鳴器采用+5V的器件，通過驅(qū)動(dòng)電路直接與單片機(jī)引腳P1.6相連接，如圖3-8所示。圖3-8 報(bào)警電路3.6 液晶顯示單元顯示器是人與機(jī)器溝通的重要界面，近年來液晶顯示器(LCD，Liquid Crystal Display)以其自身所具有的優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代陰極射線管(CRT, Cathode Ray Tube)

43、的主流地位。單片機(jī)系統(tǒng)中原來采用的LED(Light Emitting Diode,發(fā)光二極管)顯示方式已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的要求，液晶顯示器已經(jīng)被逐漸應(yīng)用于單片機(jī)等小型系統(tǒng)中。液晶顯示器與傳統(tǒng)的顯示器相比具有顯示信息多、質(zhì)量高、沒有電磁輻射、可視面積大、應(yīng)用范圍廣、畫面效果好、數(shù)字式接口、體積小、功耗低等特點(diǎn)，在基于微處理器的儀器儀表及監(jiān)視、控制等智能單元的終端顯示、人機(jī)接口中受到普遍歡迎。液晶顯示器是一種極低功耗的顯示器件，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中經(jīng)常使用。液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)、背光源、結(jié)構(gòu)件

44、裝配在一起的組件。英文名稱叫“LCD Module”，簡(jiǎn)稱“LCM”，中文一般稱為“液晶顯示模塊”，通常所說的“模塊”主要是指點(diǎn)陣液晶顯示器件裝配的點(diǎn)陣液晶顯示模塊。在具體選擇液晶顯示模塊時(shí)，應(yīng)對(duì)液晶顯示模塊進(jìn)行如下幾個(gè)方面的綜合評(píng)價(jià):Ø 顯示方法，在被動(dòng)顯示方式中，是透過式、反射式，還是投影式；Ø 色調(diào)，是黑/白，還是彩色，是單彩色還是全彩色，是偽彩色還是真彩色；Ø 亮度與對(duì)比度，主動(dòng)發(fā)光要看亮度指標(biāo)，被動(dòng)顯示要看對(duì)比度比值；Ø 響應(yīng)與余輝，響應(yīng)與余輝的快慢和光電響應(yīng)曲線與陡度；Ø 是否具有無(wú)功存儲(chǔ)功能；Ø 驅(qū)動(dòng)方式，直流、交流還是

45、脈沖，是靜態(tài)驅(qū)動(dòng)還是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，是電壓型驅(qū)動(dòng)還是電流型驅(qū)動(dòng)或電荷型驅(qū)動(dòng)；Ø 售價(jià)是否合理，綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品質(zhì)量、供貨穩(wěn)定性、技術(shù)支持、售后服務(wù)等與價(jià)格的關(guān)系。任何一種產(chǎn)品都有不同的規(guī)格型號(hào)，挑選內(nèi)容應(yīng)注意:外形尺寸(顯示窗尺寸等機(jī)械參數(shù))、電參數(shù)(典型值、最大值、最小值)、環(huán)境參數(shù)(特別是溫度范圍)、顯示效果(顯示效果是一種主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，亮度或?qū)Ρ榷鹊戎笜?biāo)只能作為參照)、視角(液晶顯示視角窄，所以有最佳視角12:00、6:00、3:00和9:00等)、可靠性和壽命等。綜合以上各種指標(biāo)，選用的是LCD1602顯示模塊，它是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符（16列2行）。16

46、02采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1腳：VSS為電源地；第2腳：VDD接5V電源正極；第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）；第4腳：RS為寄存器選擇，高電平(1)時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平(0)時(shí)選擇指令寄存器；第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作；第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端；第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端；第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。液晶顯示采用1602顯示模塊，單片機(jī)P5端口和

47、液晶屏的數(shù)據(jù)線相連， P3.0、P3.1、P3.2三個(gè)引腳分別通過三極管放大與液晶屏的RS、RW、EN三根控制線相連接，如圖3-10所示。液晶屏上可以顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。 圖3-10 液晶顯示連接電路3.7 JTAG接口單元JTAG(Joint Test Action Group)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEE 1149.1兼容,主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試。現(xiàn)在多數(shù)的高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、 TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。 JTAG最初是用來對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試的，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個(gè)TAP（Test

48、 Access Port，測(cè)試訪問口）通過專用的JTAG測(cè)試工具對(duì)進(jìn)行內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。JTAG測(cè)試允許多個(gè)器件通過JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試?，F(xiàn)在，JTAG接口還常用于實(shí)現(xiàn)ISP（In-System programmable,在線編程），對(duì)FLASH等器件進(jìn)行編程。在實(shí)際應(yīng)用中，可以先將器件固定到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進(jìn)度。在JTAG接口實(shí)際應(yīng)用中，一般使用IEEE1149協(xié)議中的公共指令進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，此外，IEEE1149允許通過芯片的自定義指令集進(jìn)行特殊功能的測(cè)試和狀態(tài)察看。在使用PC機(jī)調(diào)試及下載睡眠呼吸暫停監(jiān)控終端嵌入系統(tǒng)

49、時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸須通過測(cè)試訪問端口TAP改變JTAG的控制狀態(tài)實(shí)現(xiàn)。IEEE1149定義了由16個(gè)狀態(tài)組成的同步狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，以響應(yīng)TMS和TCK信號(hào)并控制電路的活動(dòng)。其中主要有復(fù)位、運(yùn)行、數(shù)據(jù)寄存器狀態(tài)集、和指令寄存器狀態(tài)集。當(dāng)器件工作在JTAGBST模式時(shí)，使用4個(gè)I/O引腳和一個(gè)可選引腳 TRST(Test Reset，測(cè)試復(fù)位輸入信號(hào))作為JTAG引腳。這4個(gè)I/O引腳是：TDI、TDO、TMS和TCK。引腳功能如表3-3所示。表3-3 JTAG引腳定義及功能引腳名稱功能TDI測(cè)試數(shù)據(jù)輸入口指令和測(cè)試編程數(shù)據(jù)的串行輸入引腳，數(shù)據(jù)在TCK的上升沿時(shí)刻移入，器件的保護(hù)熔絲被連接到TDITDO測(cè)試

50、數(shù)據(jù)輸出口指令和測(cè)試編程數(shù)據(jù)的串行輸出引腳，數(shù)據(jù)在TCK下降沿移出。如果數(shù)據(jù)沒有正在移出時(shí)，該引腳處于三態(tài)。它和編程數(shù)據(jù)輸入口復(fù)用TMS測(cè)試方式選擇口該輸入引腳是一個(gè)控制信號(hào)，它決定TAP控制器的轉(zhuǎn)換。TMS必須在TCK的上升沿之前建立，在用戶狀態(tài)下TMS應(yīng)為高電平TCK測(cè)試時(shí)鐘輸入口是用于器件測(cè)試與自動(dòng)加載程序啟動(dòng)的時(shí)鐘輸入接口。時(shí)鐘輸入到BST電路，一些操作發(fā)生在上升沿，另一些發(fā)生在下降沿3.8 本章小結(jié)本章主要分析了睡眠呼吸暫停檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)主要考慮到功耗及可靠性的要求，分析了基MSP430F149呼吸暫停監(jiān)視儀的硬件設(shè)計(jì)原則和電路原理等。硬件平臺(tái)是軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條

51、件，根據(jù)監(jiān)視儀的具體需求，硬件系統(tǒng)由電源單元、信號(hào)采集與預(yù)處理單元、信號(hào)處理單元、報(bào)警單元、液晶顯示單元和JTAG接口單元。并對(duì)每一部分進(jìn)行了詳細(xì)的介紹以及器件的選擇問題。第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)的軟件必須根據(jù)單片機(jī)硬件基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的主要組成部分，軟件的質(zhì)量將直接影響到系統(tǒng)的性能指標(biāo)的完成，一個(gè)好的軟件設(shè)計(jì)將是系統(tǒng)性能得以提高的倍增器。睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀軟件系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。模塊化編程是一種分別進(jìn)行各模塊程序編寫、編譯和調(diào)試，最后一起連接及定位的軟件設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)方法有以下優(yōu)點(diǎn):Ø 模塊化編程使程序開發(fā)更有效，小塊程序更容易被理解和

52、調(diào)試，當(dāng)知道模塊的輸入和所要求的輸出時(shí)，就可直接測(cè)試該模塊。Ø 當(dāng)同類的需求較多時(shí)，可把程序存入函數(shù)庫(kù)中以備以后使用。例如，常用的顯示驅(qū)動(dòng)模塊程序，若要再使用顯示驅(qū)動(dòng)功能，由庫(kù)中把它取出(必要時(shí)可修改)，而不需重新編寫全部的程序。Ø 模塊化編程能夠使待解決的問題與特定模塊分離，很容易找到出錯(cuò)的模塊，極大地簡(jiǎn)化了調(diào)試。因此，將各個(gè)模塊設(shè)計(jì)為可獨(dú)立編程調(diào)試的程序模塊，不僅有利于今后實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展，而且便于調(diào)試和連接，更有利于程序的移植和修改。由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)既要有各種計(jì)算程序設(shè)計(jì)，還要結(jié)合具體的硬件電路進(jìn)行各種輸入輸出程序設(shè)計(jì)。因此，軟件設(shè)計(jì)必須在硬件、軟件功能劃分的

53、基礎(chǔ)上進(jìn)行。圖2-2是睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)中軟件體系結(jié)構(gòu)框圖。在本系統(tǒng)中，主程序模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)功能模塊，其程序模塊包括初始化模塊、定時(shí)器中斷模塊、液晶屏顯示模塊和時(shí)鐘程序模塊。4.1 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境MSP430的開發(fā)軟件較多，常用的是IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境：IAR Embedded Workbench嵌入式工作臺(tái)，如圖4-1所示。它提供一個(gè)便捷的窗口界面用于迅速開發(fā)和調(diào)試程序。IAR Embedded Workbench 提供的工具包括:快速編譯器、高效的連接器、函數(shù)庫(kù)、語(yǔ)法高亮度文本編輯器、匯編器以及C-SPY調(diào)試器。圖4-1 IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境

54、4.2 系統(tǒng)軟件模塊如圖4-2所示，主程序主要負(fù)責(zé)與各個(gè)中斷服務(wù)程序進(jìn)行交互。首先設(shè)置看門狗定時(shí)器、關(guān)中斷，初始化單片機(jī)中用到的各個(gè)模塊，然后開中斷允許單片機(jī)響應(yīng)各種中斷并進(jìn)行報(bào)警處理，繼而使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待中斷的到來。對(duì)系統(tǒng)的初始化將直接關(guān)系到單片機(jī)內(nèi)部資源的有效利用和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。睡眠呼吸暫停報(bào)警監(jiān)護(hù)儀初始化模塊的主要功能是完成對(duì)MSP430F149單片機(jī)和各個(gè)外圍模塊的初始化，包括單片機(jī)的時(shí)鐘振蕩器設(shè)置、ADC12初始化、定時(shí)器B初始化、液晶初始化、時(shí)鐘芯片初始化等。開 始關(guān)看門狗初始化系統(tǒng)時(shí)鐘源 初始化ADC12初始化定時(shí)器B初始化時(shí)鐘芯片初始化液晶顯示低功耗，等待中斷 圖4

55、-2 系統(tǒng)主程序流程圖4.2.1 采樣呼吸信號(hào)模塊信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理之后從P6.0端口輸入到單片機(jī)中，首先經(jīng)過ADC12進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，采用單通道連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過10次平均以達(dá)到平滑波形以及減小數(shù)據(jù)量的作用。經(jīng)過平均后的數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)大于閾值（1638，即1V）時(shí)，通過P1.2引腳輸出低電平，表示處于不呼吸狀態(tài)；當(dāng)小于閾值時(shí)，P1.2引腳輸出高電平，表示處于呼吸狀態(tài)。通過這種方式，即可得到呼吸狀態(tài)的波形，據(jù)此可以判斷呼吸是否異常，異常則報(bào)警。其流程圖如4-3和圖4-4所示。使能轉(zhuǎn)換中斷使能A/D轉(zhuǎn)換器開 始設(shè)置P6.0為輸入呼吸信號(hào)輸入端口開啟參考電壓2.5V，采樣保持時(shí)間16個(gè)ADC12CLK設(shè)置采樣模式為單通道重復(fù)采樣Ref+=2.5v,通道A0圖4-3 ADC12采樣初始化流程圖P1.2輸出低電平P1.2輸出高電平data<1638?計(jì)數(shù)值清零求取10次采樣值的平均data10個(gè)數(shù)據(jù)？ 讀取A/D采樣值 開 始NYNY圖4-4 ADC12中斷函數(shù)流程圖4.2.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘處理模塊實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）可應(yīng)用于多種領(lǐng)域-從鐘表到時(shí)間標(biāo)記事件，甚至到產(chǎn)生事件。對(duì)于通信工程、電力自動(dòng)化、工業(yè)控制等自動(dòng)化程度高的領(lǐng)域大多數(shù)情況下很多設(shè)備都處于無(wú)人值守的情況，都希望能把故障發(fā)生的時(shí)間和相關(guān)