心肺聽診技能訓練系統軟硬件設計及應用
現代電子技術
摘要： 本系統的優點是由于系統利用MSP430超低功耗性能，因此設計具有很高的實用性和穩定性，并且該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的I／O口，兼容一些外部芯片，調試方便等優點。系統用普通聽診器去測試心肺音，更能逼真模仿真實的臨床環境，因而相關技術產品的研究和開發，不僅對于提高現階段我國醫學模擬教學的水平具有重要的現實意義，同時也具有良好的市場前景。
Abstract：
Key words :
</a>心肺聽診" title="心肺聽診">心肺聽診" title="心肺聽診">心肺聽診音，被考核者通過聽診器將此聲音傳到人耳朵里，這就完整模擬了一次真實的聽診過程。被考核者通過聽診器的探頭觸診模型人的不同體位，并通過聽診器來聽診不同位置的各種病理特征，由此來判斷是否為某種疾病，從而達到教學和培訓的目的。
2 系統的功能組成
從功能方面，該系統又可分為語音播放單元、多路模擬開關、位置識別開關、無線通信單元和電源及低功耗設計單元六個部分。其中模型人內部系統框圖如圖1所示。
遙控器的系統框圖如圖2所示。
2．1 主控制器芯片的選擇
主控制器是整個系統的核心部分，主控制器芯片的選擇關系到整個系統功能的實現與否。本系統要實現語音播放、無線收發、多路模擬開關、電源低功耗、上位機教學等功能，所以就要求該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲器或者一些其他芯片)，并且功耗較低，調試方便等。綜合上述因素，主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產的MSP430，因為該系統是便攜式心肺聽診系統，采用電池供電的方式，所以要求必須超低功耗，這樣才能滿足醫學教學的要求，而該芯片最大的特點就是低功耗，電壓準備工作模式是3．3 V，正常工作時電流在幾毫安，完全滿足系統要求。該芯片具有如下性能：
低電壓范圍：1．8～3．6 V；
超低功耗：標準模式1．3 mA，RAM保持關閉時為0．1 mA；
低電流：7 mA在32 kHz，2．2 V，250 mA在1 MHz，2．2 V；
5種節點模式和6 ms內從等待模式喚醒；
16位RISC指令結構和125 ns指令周期；
12位A／D轉換和內部參考電壓、采樣保持、自動掃描特性；
16位定時器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器，定時器B；16位定時器并帶有3路捕獲／比較寄存器，定時器A；片內比較器；
串行在線編程，無須外部編程電壓，安全熔絲保護程序代碼；
內含60 KB閃存，2 KB隨機存儲器。
2．2 語音播放
語音播放是本系統一個重要組成功能之一。在這里有兩個問題需要解決，一個是語音數據的存儲，另一個是語音的編解碼和播放。由于WAV波形數據占用的空間較大，所以有必要先對原始數據進行壓縮編碼。因此該系統選用中青世紀科技公司開發的PM50智能語音芯片，它既是語音播放電路，也是智能單片機，其音質水平，價格都要略優于著名的ISD電路，同時也有21 kHz的高保真音質。該芯片由專用的語音單片機和FLASH RAM存儲器集合構成，它既有13～100 s的多段語音播放功能，也有單片機可編程的智能特性，該芯片具有如下特點：
可存儲聲音長度：13～100 s；
寬范圍工作電壓：DC 3～6 V；
工作電流50 mA，靜態電流1μA；
直接驅動8 Ω 0．5 W的喇叭，具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式；
寬范圍采樣頻率：4．8～21 kHz；
錄制的語音可分并行1～8段和串行128段；
自帶8個輸入端口，9個輸出端口，功能均可由用戶自定義；
FLASH RAM結構，可以反復擦寫錄入，壽命在1萬次以上；
兩種封裝形式：COB28和COB16；
開發用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設計，外行也能使用；
配合編程軟件可以開發出并行、串行、智能型等多種控制模式；
最小系統的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容；
有13 s／20 s／50 s／100 s多個時間檔次可選；
完成開發和試驗生產后，直接用源文件投產掩膜，音質效果、功能性能不變。
2．3 多路模擬開關
多路模擬開關主要是用來選擇播放位置點喇叭聲音的，因為PM50芯片只能連接一路揚聲器，所以只能通過多路模擬開關來選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關，可以將兩片芯片擴展起來形成32路選擇開關，芯片電壓在4．5～30 V之間，功耗非常小，且不影響喇叭的發音，完全滿足要求。并且聽診器探頭可以輕易地觸動模型人皮下的專用位置，所以采用這種技術對本系統來說是一個很好的選擇。
2．4 無線模塊的設計
無線模塊的設計包括兩個部分：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括PCB圖的布局走線和天線設計兩方面，軟件設計主要是通信協議的定義。
無線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段，因而對PCB板的布局提出了更高的要求。一般來說，外圍元件要盡可能靠近無線芯片，并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側，這樣可以在PCB板的另外一側進行大面積的敷銅以減少干擾。軟件方面，良好的通信協議也是無線模塊穩定工作的重要保障之一。通信協議除了規定應答關系之外，檢錯也是一個重要環節。目前比較常用的檢錯方法是循環冗余校驗(CRC校驗)，其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是：若設碼字長度為N，信息字段長度為K，校驗字段長度為R，其中N=K+R，則對于CRC碼集中的任一碼字，當且存在一個R次的多項式g(x)，使得：
式中：m(x)為K次信息多項式；r(x)為R-1次校驗多項式；g(x)為生成多項式。發送方通過生成g(x)來產生CRC碼字，接收方將接收到的碼字多項式與生成多項式g(x)相除，若能除盡，則說明接收正確。
2．5 電源模塊
在便攜式產品的設計中，為避免頻繁更換電池，延長產品的一次使用時間，低功耗設計一直是重中之重。電源模塊主要用于對電池組的管理，并給系統的其他模塊供電。電源橫塊主要用在遙控器上，用來供給遙控器各模塊正常工作。本系統采用的是兩節電池供電的方式，具有升降壓功能的DC／DC電源芯片。良好的電源模塊設計可以有效提高電池的利用效率，維持穩定的電壓，減少電源紋波，增大輸出電流。
2．6 低功耗設計
由于本系統采用的是兩節干電池供電的方式，對系統功耗要求比較高。為了延長電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池，在系統設計的各個環節都要考慮到低功耗的設計要求。低功耗設計就是要降低系統時鐘頻率、電源電壓以及門的活躍因素。從硬件方面來講，要降低系統的功耗，就要盡可能選擇低功耗的芯片，或者帶有休眠功能的芯片。軟件方面，可以采用間斷喚醒的工作方式。如果某個功能模塊工作的空閑時間較長時，可以暫時將其關閉或者使其處于低功耗狀態，然后通過定時喚醒來檢測應答信號，只有當接收到應答信號時模塊才進入工作狀態。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統的功耗。
3 上位機教學軟件
主控制器通過I／O口將模型人的位置信息傳到上位機，上位機根據收到的位置信號來控制上位機軟件界面的顯示，可以顯示聽診的位置、聲音特點、與呼吸的關系以及聲音的波形信息，另外還可以外接揚聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達到醫學教學的目的。上位機界
面的設計框圖如圖3所示。
4 結語
MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下特點：強大的處理能力；采用了精簡指令集(RISC)結構；具有豐富的尋址方式；簡潔的27條內核指令以及片內數據存儲器都可以參加多重運算；高效的查表處理指令；較高的處理速度，在8 MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。這些特點保證編制出高效率的源程序。另外MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用6μs。
本系統的優點是由于系統利用MSP430超低功耗性能，因此設計具有很高的實用性和穩定性，并且該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的I／O口，兼容一些外部芯片，調試方便等優點。系統用普通聽診器去測試心肺音，更能逼真模仿真實的臨床環境，因而相關技術產品的研究和開發，不僅對于提高現階段我國醫學模擬教學的水平具有重要的現實意義，同時也具有良好的市場前景。
2 系統的功能組成
從功能方面，該系統又可分為語音播放單元、多路模擬開關、位置識別開關、無線通信單元和電源及低功耗設計單元六個部分。其中模型人內部系統框圖如圖1所示。
遙控器的系統框圖如圖2所示。
2．1 主控制器芯片的選擇
主控制器是整個系統的核心部分，主控制器芯片的選擇關系到整個系統功能的實現與否。本系統要實現語音播放、無線收發、多路模擬開關、電源低功耗、上位機教學等功能，所以就要求該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如帶有SPI的FLASH存儲器或者一些其他芯片)，并且功耗較低，調試方便等。綜合上述因素，主控制芯片用美國德克薩斯(TI)公司生產的MSP430，因為該系統是便攜式心肺聽診系統，采用電池供電的方式，所以要求必須超低功耗，這樣才能滿足醫學教學的要求，而該芯片最大的特點就是低功耗，電壓準備工作模式是3．3 V，正常工作時電流在幾毫安，完全滿足系統要求。該芯片具有如下性能：
低電壓范圍：1．8～3．6 V；
超低功耗：標準模式1．3 mA，RAM保持關閉時為0．1 mA；
低電流：7 mA在32 kHz，2．2 V，250 mA在1 MHz，2．2 V；
5種節點模式和6 ms內從等待模式喚醒；
16位RISC指令結構和125 ns指令周期；
12位A／D轉換和內部參考電壓、采樣保持、自動掃描特性；
16位定時器并帶有映射寄存器的7路捕獲、比較寄存器，定時器B；16位定時器并帶有3路捕獲／比較寄存器，定時器A；片內比較器；
串行在線編程，無須外部編程電壓，安全熔絲保護程序代碼；
內含60 KB閃存，2 KB隨機存儲器。
2．2 語音播放
語音播放是本系統一個重要組成功能之一。在這里有兩個問題需要解決，一個是語音數據的存儲，另一個是語音的編解碼和播放。由于WAV波形數據占用的空間較大，所以有必要先對原始數據進行壓縮編碼。因此該系統選用中青世紀科技公司開發的PM50智能語音芯片，它既是語音播放電路，也是智能單片機，其音質水平，價格都要略優于著名的ISD電路，同時也有21 kHz的高保真音質。該芯片由專用的語音單片機和FLASH RAM存儲器集合構成，它既有13～100 s的多段語音播放功能，也有單片機可編程的智能特性，該芯片具有如下特點：
可存儲聲音長度：13～100 s；
寬范圍工作電壓：DC 3～6 V；
工作電流50 mA，靜態電流1μA；
直接驅動8 Ω 0．5 W的喇叭，具備PWM和DAC兩種音頻輸出模式；
寬范圍采樣頻率：4．8～21 kHz；
錄制的語音可分并行1～8段和串行128段；
自帶8個輸入端口，9個輸出端口，功能均可由用戶自定義；
FLASH RAM結構，可以反復擦寫錄入，壽命在1萬次以上；
兩種封裝形式：COB28和COB16；
開發用的電腦軟件系超智能傻瓜圖形設計，外行也能使用；
配合編程軟件可以開發出并行、串行、智能型等多種控制模式；
最小系統的外圍電路只需一只振蕩電阻、一只電源濾波電容；
有13 s／20 s／50 s／100 s多個時間檔次可選；
完成開發和試驗生產后，直接用源文件投產掩膜，音質效果、功能性能不變。
2．3 多路模擬開關
多路模擬開關主要是用來選擇播放位置點喇叭聲音的，因為PM50芯片只能連接一路揚聲器，所以只能通過多路模擬開關來選擇各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路選擇開關，可以將兩片芯片擴展起來形成32路選擇開關，芯片電壓在4．5～30 V之間，功耗非常小，且不影響喇叭的發音，完全滿足要求。并且聽診器探頭可以輕易地觸動模型人皮下的專用位置，所以采用這種技術對本系統來說是一個很好的選擇。
2．4 無線模塊的設計
無線模塊的設計包括兩個部分：硬件設計和軟件設計。硬件設計主要包括PCB圖的布局走線和天線設計兩方面，軟件設計主要是通信協議的定義。
無線模塊工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高頻段，因而對PCB板的布局提出了更高的要求。一般來說，外圍元件要盡可能靠近無線芯片，并且所有元件要盡可能排列在PCB板的同一側，這樣可以在PCB板的另外一側進行大面積的敷銅以減少干擾。軟件方面，良好的通信協議也是無線模塊穩定工作的重要保障之一。通信協議除了規定應答關系之外，檢錯也是一個重要環節。目前比較常用的檢錯方法是循環冗余校驗(CRC校驗)，其特征是信息字段和長度字段的長度可以任意選定。CRC碼集的選擇原則是：若設碼字長度為N，信息字段長度為K，校驗字段長度為R，其中N=K+R，則對于CRC碼集中的任一碼字，當且存在一個R次的多項式g(x)，使得：
式中：m(x)為K次信息多項式；r(x)為R-1次校驗多項式；g(x)為生成多項式。發送方通過生成g(x)來產生CRC碼字，接收方將接收到的碼字多項式與生成多項式g(x)相除，若能除盡，則說明接收正確。
2．5 電源模塊
在便攜式產品的設計中，為避免頻繁更換電池，延長產品的一次使用時間，低功耗設計一直是重中之重。電源模塊主要用于對電池組的管理，并給系統的其他模塊供電。電源橫塊主要用在遙控器上，用來供給遙控器各模塊正常工作。本系統采用的是兩節電池供電的方式，具有升降壓功能的DC／DC電源芯片。良好的電源模塊設計可以有效提高電池的利用效率，維持穩定的電壓，減少電源紋波，增大輸出電流。
2．6 低功耗設計
由于本系統采用的是兩節干電池供電的方式，對系統功耗要求比較高。為了延長電池的使用壽命，避免頻繁地更換電池，在系統設計的各個環節都要考慮到低功耗的設計要求。低功耗設計就是要降低系統時鐘頻率、電源電壓以及門的活躍因素。從硬件方面來講，要降低系統的功耗，就要盡可能選擇低功耗的芯片，或者帶有休眠功能的芯片。軟件方面，可以采用間斷喚醒的工作方式。如果某個功能模塊工作的空閑時間較長時，可以暫時將其關閉或者使其處于低功耗狀態，然后通過定時喚醒來檢測應答信號，只有當接收到應答信號時模塊才進入工作狀態。通過間斷喚醒的方式可以極大地降低系統的功耗。
3 上位機教學軟件
主控制器通過I／O口將模型人的位置信息傳到上位機，上位機根據收到的位置信號來控制上位機軟件界面的顯示，可以顯示聽診的位置、聲音特點、與呼吸的關系以及聲音的波形信息，另外還可以外接揚聲器放大播放所聽到的心肺聲音，達到醫學教學的目的。上位機界
面的設計框圖如圖3所示。
4 結語
MSP430系列單片機的迅速發展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下特點：強大的處理能力；采用了精簡指令集(RISC)結構；具有豐富的尋址方式；簡潔的27條內核指令以及片內數據存儲器都可以參加多重運算；高效的查表處理指令；較高的處理速度，在8 MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。這些特點保證編制出高效率的源程序。另外MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的備用狀態時，用中斷請求將它喚醒只用6μs。
本系統的優點是由于系統利用MSP430超低功耗性能，因此設計具有很高的實用性和穩定性，并且該芯片具有較高的運算速度，較大的RAM和FLASH空間，具有可擴展的I／O口，兼容一些外部芯片，調試方便等優點。系統用普通聽診器去測試心肺音，更能逼真模仿真實的臨床環境，因而相關技術產品的研究和開發，不僅對于提高現階段我國醫學模擬教學的水平具有重要的現實意義，同時也具有良好的市場前景。
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