心肺听诊技能训练系统软硬件设计及应用
现代电子技术
摘要：本系统的优点是由于系统利用MSP430超低功耗性能，因此设计具有很高的实用性和稳定性，并且该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的I／O口，兼容一些外部芯片，调试方便等优点。系统用普通听诊器去测试心肺音，更能逼真模仿真实的临床环境，因而相关技术产品的研究和开发，不仅对于提高现阶段我国医学模拟教学的水平具有重要的现实意义，同时也具有良好的市场前景。
Abstract：
Key words :
心肺听诊" title="心肺听诊">心肺听诊" title="心肺听诊">心肺听诊音，被考核者通过听诊器将此声音传到人耳朵里，这就完整模拟了一次真实的听诊过程。被考核者通过听诊器的探头触诊模型人的不同体位，并通过听诊器来听诊不同位置的各种病理特征，由此来判断是否为某种疾病，从而达到教学和培训的目的。
2 系统的功能组成
从功能方面，该系统又可分为语音播放单元、多路模拟开关、位置识别开关、无线通信单元和电源及低功耗设计单元六个部分。其中模型人内部系统框图如图1所示。
遥控器的系统框图如图2所示。
2．1 主控制器芯片的选择
主控制器是整个系统的核心部分，主控制器芯片的选择关系到整个系统功能的实现与否。本系统要实现语音播放、无线收发、多路模拟开关、电源低功耗、上位机教学等功能，所以就要求该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如带有SPI的FLASH存储器或者一些其他芯片)，并且功耗较低，调试方便等。综合上述因素，主控制芯片用美国德克萨斯(TI)公司生产的 MSP430，因为该系统是便携式心肺听诊系统，采用电池供电的方式，所以要求必须超低功耗，这样才能满足医学教学的要求，而该芯片最大的特点就是低功耗，电压准备工作模式是3．3 V，正常工作时电流在几毫安，完全满足系统要求。该芯片具有如下性能：
低电压范围：1．8～3．6 V；
超低功耗：标准模式1．3 mA，RAM保持关闭时为0．1 mA；
低电流：7 mA在32 kHz，2．2 V，250 mA在1 MHz，2．2 V；
5种节点模式和6 ms内从等待模式唤醒；
16位RISC指令结构和125 ns指令周期；
12位A／D转换和内部参考电压、采样保持、自动扫描特性；
16位定时器并带有映射寄存器的7路捕获、比较寄存器，定时器B；16位定时器并带有3路捕获／比较寄存器，定时器A；片内比较器；
串行在线编程，无须外部编程电压，安全熔丝保护程序代码；
内含60 KB闪存，2 KB随机存储器。
2．2 语音播放
语音播放是本系统一个重要组成功能之一。在这里有两个问题需要解决，一个是语音数据的存储，另一个是语音的编解码和播放。由于WAV波形数据占用的空间较大，所以有必要先对原始数据进行压缩编码。因此该系统选用中青世纪科技公司开发的PM50智能语音芯片，它既是语音播放电路，也是智能单片机，其音质水平，价格都要略优于著名的ISD电路，同时也有21 kHz的高保真音质。该芯片由专用的语音单片机和FLASH RAM存储器集合构成，它既有13～100 s的多段语音播放功能，也有单片机可编程的智能特性，该芯片具有如下特点：
可存储声音长度：13～100 s；
宽范围工作电压：DC 3～6 V；
工作电流50 mA，静态电流1μA；
直接驱动8 Ω 0．5 W的喇叭，具备PWM和DAC两种音频输出模式；
宽范围采样频率：4．8～21 kHz；
录制的语音可分并行1～8段和串行128段；
自带8个输入端口，9个输出端口，功能均可由用户自定义；
FLASH RAM结构，可以反复擦写录入，寿命在1万次以上；
两种封装形式：COB28和COB16；
开发用的电脑软件系超智能傻瓜图形设计，外行也能使用；
配合编程软件可以开发出并行、串行、智能型等多种控制模式；
最小系统的外围电路只需一只振荡电阻、一只电源滤波电容；
有13 s／20 s／50 s／100 s多个时间档次可选；
完成开发和试验生产后，直接用源文件投产掩膜，音质效果、功能性能不变。
2．3 多路模拟开关
多路模拟开关主要是用来选择播放位置点喇叭声音的，因为PM50芯片只能连接一路扬声器，所以只能通过多路模拟开关来选择各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路选择开关，可以将两片芯片扩展起来形成32路选择开关，芯片电压在4．5～30 V之间，功耗非常小，且不影响喇叭的发音，完全满足要求。并且听诊器探头可以轻易地触动模型人皮下的专用位置，所以采用这种技术对本系统来说是一个很好的选择。
2．4 无线模块的设计
无线模块的设计包括两个部分：硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括PCB图的布局走线和天线设计两方面，软件设计主要是通信协议的定义。
无线模块工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高频段，因而对PCB板的布局提出了更高的要求。一般来说，外围元件要尽可能靠近无线芯片，并且所有元件要尽可能排列在PCB板的同一侧，这样可以在PCB板的另外一侧进行大面积的敷铜以减少干扰。软件方面，良好的通信协议也是无线模块稳定工作的重要保障之一。通信协议除了规定应答关系之外，检错也是一个重要环节。目前比较常用的检错方法是循环冗余校验(CRC校验)，其特征是信息字段和长度字段的长度可以任意选定。CRC码集的选择原则是：若设码字长度为N，信息字段长度为K，校验字段长度为R，其中N=K+R，则对于CRC码集中的任一码字，当且存在一个R次的多项式g(x)，使得：
式中：m(x)为K次信息多项式；r(x)为R-1次校验多项式；g(x)为生成多项式。发送方通过生成g(x)来产生CRC码字，接收方将接收到的码字多项式与生成多项式g(x)相除，若能除尽，则说明接收正确。
2．5 电源模块
在便携式产品的设计中，为避免频繁更换电池，延长产品的一次使用时间，低功耗设计一直是重中之重。电源模块主要用于对电池组的管理，并给系统的其他模块供电。电源横块主要用在遥控器上，用来供给遥控器各模块正常工作。本系统采用的是两节电池供电的方式，具有升降压功能的DC／DC电源芯片。良好的电源模块设计可以有效提高电池的利用效率，维持稳定的电压，减少电源纹波，增大输出电流。
2．6 低功耗设计
由于本系统采用的是两节干电池供电的方式，对系统功耗要求比较高。为了延长电池的使用寿命，避免频繁地更换电池，在系统设计的各个环节都要考虑到低功耗的设计要求。低功耗设计就是要降低系统时钟频率、电源电压以及门的活跃因素。从硬件方面来讲，要降低系统的功耗，就要尽可能选择低功耗的芯片，或者带有休眠功能的芯片。软件方面，可以采用间断唤醒的工作方式。如果某个功能模块工作的空闲时间较长时，可以暂时将其关闭或者使其处于低功耗状态，然后通过定时唤醒来检测应答信号，只有当接收到应答信号时模块才进入工作状态。通过间断唤醒的方式可以极大地降低系统的功耗。
3 上位机教学软件
主控制器通过I／O口将模型人的位置信息传到上位机，上位机根据收到的位置信号来控制上位机软件界面的显示，可以显示听诊的位置、声音特点、与呼吸的关系以及声音的波形信息，另外还可以外接扬声器放大播放所听到的心肺声音，达到医学教学的目的。上位机界
面的设计框图如图3所示。
4 结语
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下特点：强大的处理能力；采用了精简指令集(RISC)结构；具有丰富的寻址方式；简洁的27条内核指令以及片内数据存储器都可以参加多重运算；高效的查表处理指令；较高的处理速度，在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。这些特点保证编制出高效率的源程序。另外MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6μs。
本系统的优点是由于系统利用MSP430超低功耗性能，因此设计具有很高的实用性和稳定性，并且该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的I／O口，兼容一些外部芯片，调试方便等优点。系统用普通听诊器去测试心肺音，更能逼真模仿真实的临床环境，因而相关技术产品的研究和开发，不仅对于提高现阶段我国医学模拟教学的水平具有重要的现实意义，同时也具有良好的市场前景。
2 系统的功能组成
从功能方面，该系统又可分为语音播放单元、多路模拟开关、位置识别开关、无线通信单元和电源及低功耗设计单元六个部分。其中模型人内部系统框图如图1所示。
遥控器的系统框图如图2所示。
2．1 主控制器芯片的选择
主控制器是整个系统的核心部分，主控制器芯片的选择关系到整个系统功能的实现与否。本系统要实现语音播放、无线收发、多路模拟开关、电源低功耗、上位机教学等功能，所以就要求该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的IO口(比如I2C，SPI等)兼容一些外部芯片(如带有SPI的FLASH存储器或者一些其他芯片)，并且功耗较低，调试方便等。综合上述因素，主控制芯片用美国德克萨斯(TI)公司生产的 MSP430，因为该系统是便携式心肺听诊系统，采用电池供电的方式，所以要求必须超低功耗，这样才能满足医学教学的要求，而该芯片最大的特点就是低功耗，电压准备工作模式是3．3 V，正常工作时电流在几毫安，完全满足系统要求。该芯片具有如下性能：
低电压范围：1．8～3．6 V；
超低功耗：标准模式1．3 mA，RAM保持关闭时为0．1 mA；
低电流：7 mA在32 kHz，2．2 V，250 mA在1 MHz，2．2 V；
5种节点模式和6 ms内从等待模式唤醒；
16位RISC指令结构和125 ns指令周期；
12位A／D转换和内部参考电压、采样保持、自动扫描特性；
16位定时器并带有映射寄存器的7路捕获、比较寄存器，定时器B；16位定时器并带有3路捕获／比较寄存器，定时器A；片内比较器；
串行在线编程，无须外部编程电压，安全熔丝保护程序代码；
内含60 KB闪存，2 KB随机存储器。
2．2 语音播放
语音播放是本系统一个重要组成功能之一。在这里有两个问题需要解决，一个是语音数据的存储，另一个是语音的编解码和播放。由于WAV波形数据占用的空间较大，所以有必要先对原始数据进行压缩编码。因此该系统选用中青世纪科技公司开发的PM50智能语音芯片，它既是语音播放电路，也是智能单片机，其音质水平，价格都要略优于著名的ISD电路，同时也有21 kHz的高保真音质。该芯片由专用的语音单片机和FLASH RAM存储器集合构成，它既有13～100 s的多段语音播放功能，也有单片机可编程的智能特性，该芯片具有如下特点：
可存储声音长度：13～100 s；
宽范围工作电压：DC 3～6 V；
工作电流50 mA，静态电流1μA；
直接驱动8 Ω 0．5 W的喇叭，具备PWM和DAC两种音频输出模式；
宽范围采样频率：4．8～21 kHz；
录制的语音可分并行1～8段和串行128段；
自带8个输入端口，9个输出端口，功能均可由用户自定义；
FLASH RAM结构，可以反复擦写录入，寿命在1万次以上；
两种封装形式：COB28和COB16；
开发用的电脑软件系超智能傻瓜图形设计，外行也能使用；
配合编程软件可以开发出并行、串行、智能型等多种控制模式；
最小系统的外围电路只需一只振荡电阻、一只电源滤波电容；
有13 s／20 s／50 s／100 s多个时间档次可选；
完成开发和试验生产后，直接用源文件投产掩膜，音质效果、功能性能不变。
2．3 多路模拟开关
多路模拟开关主要是用来选择播放位置点喇叭声音的，因为PM50芯片只能连接一路扬声器，所以只能通过多路模拟开关来选择各路喇叭接通，而MAX306CPI芯片是十六位多路选择开关，可以将两片芯片扩展起来形成32路选择开关，芯片电压在4．5～30 V之间，功耗非常小，且不影响喇叭的发音，完全满足要求。并且听诊器探头可以轻易地触动模型人皮下的专用位置，所以采用这种技术对本系统来说是一个很好的选择。
2．4 无线模块的设计
无线模块的设计包括两个部分：硬件设计和软件设计。硬件设计主要包括PCB图的布局走线和天线设计两方面，软件设计主要是通信协议的定义。
无线模块工作在ISM(Industrial Scientific Medical)超高频段，因而对PCB板的布局提出了更高的要求。一般来说，外围元件要尽可能靠近无线芯片，并且所有元件要尽可能排列在PCB板的同一侧，这样可以在PCB板的另外一侧进行大面积的敷铜以减少干扰。软件方面，良好的通信协议也是无线模块稳定工作的重要保障之一。通信协议除了规定应答关系之外，检错也是一个重要环节。目前比较常用的检错方法是循环冗余校验(CRC校验)，其特征是信息字段和长度字段的长度可以任意选定。CRC码集的选择原则是：若设码字长度为N，信息字段长度为K，校验字段长度为R，其中N=K+R，则对于CRC码集中的任一码字，当且存在一个R次的多项式g(x)，使得：
式中：m(x)为K次信息多项式；r(x)为R-1次校验多项式；g(x)为生成多项式。发送方通过生成g(x)来产生CRC码字，接收方将接收到的码字多项式与生成多项式g(x)相除，若能除尽，则说明接收正确。
2．5 电源模块
在便携式产品的设计中，为避免频繁更换电池，延长产品的一次使用时间，低功耗设计一直是重中之重。电源模块主要用于对电池组的管理，并给系统的其他模块供电。电源横块主要用在遥控器上，用来供给遥控器各模块正常工作。本系统采用的是两节电池供电的方式，具有升降压功能的DC／DC电源芯片。良好的电源模块设计可以有效提高电池的利用效率，维持稳定的电压，减少电源纹波，增大输出电流。
2．6 低功耗设计
由于本系统采用的是两节干电池供电的方式，对系统功耗要求比较高。为了延长电池的使用寿命，避免频繁地更换电池，在系统设计的各个环节都要考虑到低功耗的设计要求。低功耗设计就是要降低系统时钟频率、电源电压以及门的活跃因素。从硬件方面来讲，要降低系统的功耗，就要尽可能选择低功耗的芯片，或者带有休眠功能的芯片。软件方面，可以采用间断唤醒的工作方式。如果某个功能模块工作的空闲时间较长时，可以暂时将其关闭或者使其处于低功耗状态，然后通过定时唤醒来检测应答信号，只有当接收到应答信号时模块才进入工作状态。通过间断唤醒的方式可以极大地降低系统的功耗。
3 上位机教学软件
主控制器通过I／O口将模型人的位置信息传到上位机，上位机根据收到的位置信号来控制上位机软件界面的显示，可以显示听诊的位置、声音特点、与呼吸的关系以及声音的波形信息，另外还可以外接扬声器放大播放所听到的心肺声音，达到医学教学的目的。上位机界
面的设计框图如图3所示。
4 结语
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下特点：强大的处理能力；采用了精简指令集(RISC)结构；具有丰富的寻址方式；简洁的27条内核指令以及片内数据存储器都可以参加多重运算；高效的查表处理指令；较高的处理速度，在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。这些特点保证编制出高效率的源程序。另外MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6μs。
本系统的优点是由于系统利用MSP430超低功耗性能，因此设计具有很高的实用性和稳定性，并且该芯片具有较高的运算速度，较大的RAM和FLASH空间，具有可扩展的I／O口，兼容一些外部芯片，调试方便等优点。系统用普通听诊器去测试心肺音，更能逼真模仿真实的临床环境，因而相关技术产品的研究和开发，不仅对于提高现阶段我国医学模拟教学的水平具有重要的现实意义，同时也具有良好的市场前景。
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