基于MSP430单片机及USB总线的便携式血压计的设计

　　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。