基于SPCE061A的血压模拟发生器的设计

0 引 言
    随着社会的发展，人们的医疗保健意识越来越强，所以医生的培训也就成为非常重要的环节。虽然测量血压是一项较简单的技术，但若操作不规范，所测血压数值与实际血压相比也常出现误差，不能客观真实地反映病人的血压情况。血压测量作为学生的基本考核部分，以往都是通过直接的人体测量，但老师不知道在当时情况下人体的血压状况，同时测量情况又受到外界环境的干扰，所以给考核造成一定的困难。该系统可以随意设置血压情况，使得测量情况更加丰富，以尽快提高医生的血压测量技术。该血压模拟发生器是根据柯劳克氏技术(血压测量时听诊器在动脉上听到的5个时相的声音)以及现代医学的相关规定，严格按照脉搏发生的规律。发出的声音逼真、效果良好，可以在不同的心率下判断血压收缩压和舒张压等各项指标，可以用于医疗培训机构的培训工具，使学员快速掌握血压测量方法。该系统配合血压手臂，压力表，听诊器使用，具有广阔的市场前景。
    本文介绍的血压模拟发生器是以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，充分利用凌阳单片机所带有的强大语音功能，以符合实际情况的顺序播放柯劳克氏音，同时实现电磁阀跳动模拟人体脉搏搏动。可以设置相应的收缩压、舒张压、听诊间隔，还带有误差校准功能，误差值不超过2 mmHg。

l 系统结构和设计方案
    系统主要包括凌阳16位单片机SPCE061A，传感器输入模块，电磁阀驱动模块，语音播放模块，液晶显示模块，键盘控制等几个部分。本系统采用凌阳16位单片机SPCE061A作为主控制芯片，该芯片CPU时钟O．32～9．152 MHz(2．6～3．6 V)；内置2 KB SRAM和32 KB FLASH；32位可编程的多功能I／O端口；两个16位定时器／计数器；可编程音频处理；系统备用状态下(时钟处于停止状态)耗电仅为2μA；7通道10位电压模／数转换器；双通道10位DAC方式的音频输入功能，只需要外接功放(SPY0030A)即可完成语音的播放，方便实现系统的语音功能；14个中断源可来自定时器A／B时基，2个外部时钟源输入；具备触键唤醒的功能。另外该单片机具有自己的集成开发环境，支持标准的C语言。可以实现C语言与汇编语言的相互调用，并提供了语音播放的库函数，这样很容易就完成语音的播放，为软件开发提供了方便的条件。血压模拟发生器总体系统设计方案如图1所示。

2 系统硬件部分
    该部分主要分为SPCE061A系统部分，电源管理模块，电磁阀驱动，气体压力传感器，语音输出，液晶显示，键盘设置。系统在单片机的控制下，由气体压力传感器对压力采集，并进行A／D转换后交给MCU，将测量结果与预设值进行比较，播放脉搏跳动声音。同时电磁阀开始工作。系统硬件连接图如图2所示。

2．1 电源管理模块
    电源管理是任何电子产品都无法回避的问题，也是系统的核心部分，随着能源成本的提升，降低功耗成为电子产品的竞争优势之一。以移动性取胜的便携式产品中以电池供电为主，降低能耗成为便携式产品中电源管理急需解决的问题。系统电源部分采用MAX1705升降压芯片和BQ2057充电管理芯片，MAX1705具有低功耗，高效、低噪声的特点，输出电压在2．5～5．5 V范围内。最大输出电流850 mA，完全可以满足大部分便携式仪器的需要。同时还采用了美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片BQ2057，它适合单节或双节锂离子电池的充电需要，BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定范围时BQ2057关闭对电池充电。内部集成的恒压恒流器带有高／低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。利用该芯片设计的充电器外围电路极其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。
2．2 气体压力传感器
    该模块采用摩托罗拉公司的MPX5100系列气体压力传感器，可以承受0～100 kPa的压强，输出电压在O．5～4．5 V的范围内，可以满足凌阳单片机I／O的电压输入范围，通过凌阳单片机的A／D转换采集气体压力传感器电压的变化，由于血压计压力表的量程范围是0～300 mmHg，根据760 mmHg=101.3 kPa，得到300 mmHg=39.9868 kPa，并且压力传感器的输入与输出为线性关系，根据多次测量得到公式：
    ADValue=K1Value*mmHgValue+offset*K2Value
其中：ADValue为电压经过AD转换后的数字量；mmHgValue为压力表上的刻度值；K1Value=1．8；K2Value=329.17；offset=0.2，offset为校准系数，通过调整offset可以使误差控制在2 mmHg。
2．3 电磁阀驱动电路
    该部分主要是模拟人体脉搏跳动，为了更好地模拟血压测量环境，带来更加逼真的效果，采用的电磁阀灵敏度高、噪音小，其吸合电流为100 mA，释放电流为12 mA，工作电压为5 V，当系统初始化以后电磁阀便开始根据设定的心率值工作。通过MCU控制其跳动频率，为了增大驱动电流采用达林顿管，其放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积，达到小的基极电流控制大的集电极电流的目的，驱动电磁阀工作，如图3所示。

2．4 语音输出模块
    凌阳SPCE061A单片机支持语音播放技术所要求的硬件和软件的全部功能。硬件方面，SPCE061A有两类D／A转换通道，一类是直接采用数／模转换的DAC方式，另一类是采用脉宽调制的PWM驱动方式，其结构是由两个DAC通道或一个PWM驱动通道构成。两类实现方式实质都为数／模转换，都是将数字信号转换成模拟电流信号输出。该设计的音频输出采用双通道数／模转换DAC方式，即数字信号通过10位DAC转换成3 mA驱动的模拟电流信号输出，经SPY0030A芯片信号放大后，由扬声器输出。音频电路图如图4所示。

2．5 液晶显示模块
    系统采用的CMS-TG94DYSG-w小型液晶显示模块，该128×64点阵液晶显示模块具有20个引脚。价格低廉，数据可读可写，使用方便。其驱动芯片采用三星电子公司生产的KS0713。它是一种小型的大规模集成并带有驱动器的点阵型液晶控制芯片。KS0713体积小，外观尺寸只有42 mm×39 mm，可直接由微处理器控制，数据读写操作不受外部时钟控制，集成化程度高，自带液晶所必需的电源驱动。
2．6 低功耗设计
    SPCE06lA在功能上增加了睡眠与唤醒功能。当IC在接受到睡眠信号后关闭系统时钟(PLL振荡器)，进入睡眠状态。可以通过对P_SystemClock(写)(7013)单元写入CPUCLKSTOP控制字(CPU睡眠信号)使系统从运行状态转入低功耗睡眠状态。系统进入睡眠状态后，通过设置该单元的第4位可以打开或关闭32 768 Hz实时时钟，同时程序计数器(PC)会停在程序的下一条指令计数上，当有唤醒事件发生后，由此继续执行程序。只有当IOA[7～O]内位的控制字为000，001和010时，相对应位才具有唤醒功能。系统收到唤醒信号后会接通PLL振荡器，同时回响应唤醒事件的处理并初始化。CPU需要200μs的时间完成唤醒，随意唤醒睡眠的频率不能超过5 kHz，否则CPU无法进入睡眠模式。该系统在规定时间内没有接收到按键触发即转入休眠状态。

3 软件设计
    SPCE061A单片机内部具有9个中断向量，可安置14个中断源。14个中断源分为两个定时器溢出中断、两个外部中断、一个串行口中断、一个触键唤醒中断、7个时基信号中断、PWM音频输出中断，可以灵活地配置给各个模块使用。图5为主程序流程图。本设计的软件采用C语言编写，整个程序包括主程序、A／D转换、键盘扫描子程序、延时子程序、显示及语音播放子程序等。系统启动后，先进行初始化操作，初始化程序主要完成I／O端口初始化、开定时中断、调用开机显示界面、接收键盘赋值，驱动电磁阀跳动等。然后进入循环，接收传感器输出电压值，与预设值进行比较后，根据设定调用语音播报函数，SPCE061A自带有多种音频压缩算法，具有丰富的语音函数库可分别实现高保真音乐、普通话音等语音效果。本设计采用SACM_A2000音频压缩算法提供音频输出，使用SACM A2000模块的函数进行开发，可直接调用相应的API函数，软件编程容易，可方便地完成语音的播放，大大节省了开发设计的时间。

4 结 语
    本文详细介绍了为医疗培训机构开发的便携式血压模拟发生器。功能上主要是把应用越来越广泛的SPCE061A单片机自带的数字语音处理应用于医疗设备。系统利用了SPCE061A单片机强大的处理能力，以及丰富的外围接口，SPCE061A片内有32 KB的FLASH ROM，该系统完成所有功能仅占用一半的FLASH资源，可扩展的空间还很大。系统成本低、操作方便，经大量实验测试表明，其性能稳定，功耗低，并且在系统功能扩展上具有较大的潜力，有很好的应用前景。