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太原理工大学信息工程学院 申 波
目前，市场上的血压计大部分仍是水银血压计，电子血压计在国外已经大量普及，而我国才开始应用。水银血压计每 次测量必须由医生戴上听诊器进行测量，测量过程复杂，而且不同的医生，测量结果可能不同。而电子血压计弥补了水银血压计的不足。本文使用低功耗 ＭＳＰ４３０单片机对人体血压信号进行采集，通过ＵＳＢ控制芯片ＣＨ３７５将这些数据存储到Ｕ盘中，可以通过ＰＣ机的软件分析一天中血压的变化。
１ 硬件设计
１．１ 芯片介绍
ＭＳＰ４３０ 是近几年流行的１６位单片机，由于它具有超低功耗（在５ Ｖ电压下运行于１２ ＭＨｚ的８０Ｃ５１工作电流达到十几ｍＡ；而ＭＳＰ４３０在３ Ｖ时的工作电流为３４０ μＡ，在２．２ Ｖ的工作电流为２２０ μＡ）、众多的片内外设、强大的数据处理能力、系统工作稳定、方便高效的开发环境等特点，被广泛应用在各种工业仪表中。加之笔者对４３０单片机比较了解， 在本设计中选用了其中的一种ＭＳＰ４３０Ｆ１４９，由于该设计中对单片机的外设模块只要求有Ａ/Ｄ转换模块，所以可以选用ＭＳＰ４３０中较便宜的系列。
ＣＨ３７５ 是南京沁恒有限公司生产的ＵＳＢ总线的通用接口芯片，支持ＵＳＢ－ＨＯＳＴ主机方式和ＵＳＢ－ＤＥＶＩＣＥ/ＳＬＡＶＥ设备方式。ＣＨ３７５具有８位数据 总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/ＤＳＰ/ＭＣＵ/ＭＰＵ等控制器的系统总线上。在ＵＳＢ主机方式下，ＣＨ３７５还提供了 串行通讯方式，通过３根线，即串行输入、串行输出和中断输出与单片机/ＤＳＰ/ＭＣＵ/ＭＰＵ 等相连接。本文用的是从南京沁恒有限公司申请的样片。ＬＣＭ用的是１６×２的ＨＳ１６２－４。自建了自定义字符，实现了简单显示“血压是：ＸＸＸ．Ｘ”。 本文中使用ＨＳ１６２－４为的是试验方便，若是用到实际产品中，可以换用其他种类。
选择Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司压力传感器ＭＰＸ５０５０ＧＰ，其内 部含有信号运放和信号调节功能，可以直接将动脉血液对血管壁的压力转换为０ Ｖ～４．７ Ｖ的电信号，其对应的血压值为０ ｋＰａ～４９．８７５ ｋＰａ（０ ｍｍＨｇ～３７５ ｍｍＨｇ）。传感器采集到的信号送入单片机的ＡＤ１２模块前要标度变换，即电平平移。
１．２ 工作原理
血 压传感器将用户的血压变换成电压信号，经过滤波器送到１４９单片机的ＡＤ１２模块中，再经过单片机处理后在ＬＣＭ上显示，随时可以看到血压值。并且这些数 据可以通过ＣＨ３７５储存在Ｕ盘中，在方便时将Ｕ盘插到ＰＣ机上，可以通过上位机软件进行观察，这样医生可以从整体上了解患者的血压变化情况，从而做出正 确的诊疗结果。
１．３ 系统框图
ＭＳＰ４３０单片机使用串口方式同ＣＨ３７５相连，将数据写入Ｕ盘。图１为其原理框图。
１．４ 硬件设计中遇到的问题
在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在以下３个主要问题：一是加到输入和输出引脚上允许的最大电压限制问题；二是两个电源间电流的互串问题；三是必须满足的输入转换门限电平问题。
器件对加到输入和输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件流向电源。例如３ Ｖ器件的输入端接上５ Ｖ信号，则５ Ｖ电源将会向３ Ｖ电源充电，持续的电流会损坏二极管和电路元件。
在等待或掉电方式时，３ Ｖ电源降落到０ Ｖ，大电流将流通到地，这使总线上的高电压被下拉到地，这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的是：不管是在３ Ｖ工作状态或是０ Ｖ的等待状态都不允许电流流向Ｖｃｃ。
所谓输入转换门限电平问题，即噪声容限问题。连接在一起的两个逻辑器件要想正常工作，必须满足高、低噪声容限都为正值。本文中ＣＨ３７５采用５ Ｖ电源供电，ＭＳＰ４３０Ｆ１４９采用３．３ Ｖ供电。
ＣＨ３７５和ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的噪声容限值见表１。
ＭＳＰ４３０Ｆ１４９驱动ＣＨ３７５时，高噪声容限＝２．７５ V－２ V＝０．７５ Ｖ；低噪声容限＝０．７ V－０．２５ V＝０．４５ Ｖ。
ＣＨ３７５驱动ＭＳＰ４３０Ｆ１４９时，高噪声容限＝４．５ V－１．９ V＝２．７ Ｖ；低噪声容限＝０．９ V－０．５ V＝０．４ Ｖ。
由于噪声容限都为正值，所以ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ 和ＣＨ３７５可以直接相连正常工作。
２ 软件设计
２．１ 串行数据格式问题
由 于采用串行接口，串行数据格式必须一致。ＣＨ３７５ 的串行数据格式为：１个起始位、９个数据位、１个停止位，其中前８个数据位是一个字节数据，最后１ 个数据位是命令标志位。第９ 位为０时，前８ 位的数据被写入ＣＨ３７５芯片中，第９ 位为１ 时，前８ 位被作为命令码写入ＣＨ３７５ 芯片中。ＣＨ３７５ 的串行通讯波特率默认是９ ６００ ｂ/ｓ，单片机可以随时通过ＳＥＴ＿ＢＡＵＤＲＡＴＥ 命令选择合适的通讯波特率。
ＭＳＰ４３０的通用串行通信模块分异步模式和同步模式。
异步通信的帧格式：１位起始位、７位或８位数据位、校验位（可奇/可偶/可无）、１位地址位（地址模式时）和１位或２位停止位。异步模式又分空闲多机模式和地址位多机模式。同步模式下，允许７位或８位数据流移入或移出ＭＳＰ４３０单片机。
对照３７５的串行数据格式，笔者选用异步模式中的地址位多机模式。这种模式下，字符包含一个附加的位作为地址标志。数据块的第一个字符带有一个置位的地址位，表明该字符是一个地址。结合３７５的串行数据格式，把４３０的地址位看作第９位，可以模拟３７５的串行数据格式。
如果选用没有串行通信模块的４３０单片机，也可以选用串行方式，解决方法是用普通的ＩＯ口模拟串行通信的时序，当然要用到定时器Ｔｉｍｅｒ。可以用两个函数实现写命令和写数据的功能，程序中要用到位处理指令＆，＜＜，＞＞等。现给出部分代码程序：
ｖｏｉｄ ＳｅｎｄＣｍｄ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｃｍｄ） /＊发送命令＊/
｛
ｕａｒｔ＿ｆｌａｇ｜＝ＴＲＡＮ＿Ｂ； /＊置发送标志位＊/
ＴＸＤａｔａ＝ｃｍｄ； /＊将命令传到发送ＴＸＤａｔａ＊/
ＴＸＤａｔａ｜＝０ｘ３００； /＊置第9位为１，加停止位，发送命令＊/
ＴＸＤａｔａ＝ＴＸＤａｔａ＜＜１； /＊添加启始位＊/
Ｄｅｌａｙ（１００）； /＊延时＊/
｝
ｖｏｉｄ ＳｅｎｄＤａｔａ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｄａｔａ） /＊发送数据＊/
｛
ｕａｒｔ＿ｆｌａｇ｜＝ＴＲＡＮ＿Ｂ； /＊置发送标志位＊/
ＴＸＤａｔａ＝ｄａｔａ； /＊将数据传到发送ＴＸＤａｔａ＊/
ＴＸＤａｔａ｜＝０ｘ２００； /＊ 置第9位为０，加停止位，发送数据＊/
ＴＸＤａｔａ＝ＴＸＤａｔａ＜＜１； /＊添加启始位＊/
Ｄｅｌａｙ（１００）； /＊延时＊/
｝
用定时器实现数据的发送程序：
＃ｐｒａｇｍａ ｖｅｃｔｏｒ＝ＴＩＭＥＲＡ０＿ＶＥＣＴＯＲ
＿＿ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ｖｏｉｄ ｔｉｍｅｒ０ （ｖｏｉｄ）
｛
ｉｆ （ｕａｒｔ＿ｆｌａｇ＆ＴＲＡＮ＿Ｂ） //要发送？
｛
ＣＣＲ０＋＝Ｂｉｔｉｍｅ；
ｉｆ（ｂｉｔ＿ｃｏｕｎｔ＝＝０） //位记数到了？
｛
ｕａｒｔ＿ｆｌａｇ＆＝～ＴＲＡＮ＿Ｂ； //清除发送标志位
ｂｉｔ＿ｃｏｕｎｔ＝１１； /＊１位起始位，８位数据位，１位标志位，１位停止位＊/
｝
ｅｌｓｅ
｛
ｉｆ（ＴＸＤａｔａ＆０ｘ０１）
｛
ＴＸＤ＿ＯＵＴ｜＝ＴＸＤ； //输出１
｝
ｅｌｓｅ
｛
ＴＸＤ＿ＯＵＴ＆＝～ＴＸＤ； //输出０
｝
ＴＸＤａｔａ＝ＴＸＤａｔａ＞＞１； //移位
ｂｉｔ＿ｃｏｕｎｔ－－； //位记数减１
Ｐ２ＯＵＴ＾＝ＢＩＴ０； //ｐ２．０闪烁表示传送中
｝
｝
｝
２．２ 软件滤波程序问题
虽 然硬件用了滤波器，在软件中也要编写滤波程序，常用的软件滤波方法有１１种，如限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法等。文中采用中 位值平均滤波法，即相当于“中位值滤波法”＋“算术平均滤波法”，连续采样Ｎ个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算Ｎ－２个数据的算术平均值。Ｎ 值的选取：３～１４。其优点是融合了两种滤波法的优点，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差；其缺点是测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费 ＲＡＭ。由于血压计对测量速度要求不高，而且１４９的ＲＡＭ有２ ｋｂ，所以选用该滤波方法。
２．３ Ｕ盘读写文件格式问题
对Ｕ盘的读写 分为两类：把Ｕ盘当作存储器，按照文件格式读写Ｕ盘。前者读写速度快，操作简单，但计算机不能直接读取写入的数据；后者由于按照文件格式，计算机可以直接 看到相应的数据。公司子程序库提供Ｕ盘文件操作的ＡＰＩ，对于普通用户可以直接调用这些ＡＰＩ读写Ｕ盘，且可以与计算机无缝连接，但要求有６００ ｋｂ的ＲＡＭ，若用５１单片机则需要外扩ＲＡＭ。由于笔者熟悉４３０单片机且１４９有２ ｋｂ的ＲＡＭ，满足要求，这也正是选用４３０单片机的一个原因。
３ 结语
试验证明，该装置可以将采集到的数据成功地放到Ｕ盘中，因此可以应用到实践中去。
参考文献
［１］ 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．
［２］ 胡大可．ＭＳＰ４３０系列单片机Ｃ语言程序设计与开发［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３．
［３］ 胡大可．ＭＳＰ４３０系列ＦＬＡＳＨ型超低功耗１６位单片机［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００１．
［４］ 夏路易，石宗义．电路原理图与电路板设计教程Ｐｒｏｔｅｌ ９９ＳＥ［Ｍ］．北京：北京希望电子出版社，２００２． |
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发表于 2015-6-20 08:34 AM
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