摘要: 基于MSP430系列单片机设计了体外临时心脏起搏器的起搏装置, 给出了硬件设计电路和软件的系统结构。经实验研究, 该装置比原有的以AT89c2051 型单片机制造的体外临时心脏起搏器在单位电池供电的情况下使用期限更长, 以实现低功耗, 即将原来的工作电流削减一半以上, 电池更换的频率由原先的1 次/周, 降低至1 次/月。
心脏起搏器是目前临床上用于治疗心搏徐缓的最有效医疗设备。当患者心脏的窦房结或心肌的神经传导组织发生障碍时, 心脏起搏器就会通过起搏装置人为的发放电脉冲, 再经体内的导管电极刺激房室搏动。随着现代电子技术的飞速发展, 电子产品的低功耗设计越来越受到人们的重视。低功耗设计包括了低电压设计、低电流设计、相应得软硬件设计、充分利用现有资源、开发新资源等多层含意与技术。微功耗体外临时心脏起搏器已经成为各国、各公司竞相研究的一个重要领域。
1 MSP430 系列单片机的硬件原理及特点
MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器, 其中包括一系列器件, 它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。
1.1 CPU
CPU 运行正交设计、对模块高度透明的精简指令集。它由一个16 位ALU、16 个寄存器和一套指令控制逻辑组成。其中4 个寄存器有特殊用途, 即程序计数器PC、堆栈指针SP、状态寄存器SR, 以及常数发生器CG1、CG2。除了R3/CG2 和R2/CG1 外, 所有寄存器都可作为通用寄存器来用所有指令操作。PC、SR 和 SP配合精简指令组所实现的控制, 使应用开发可实现复杂的寻址模式和软件算法。
1.2 程序存储器
对程序存储器的访问总是以字形式取得代码, 而对数据可以用字或字节方式访问。每次访问需要 16条数据线和访问当前存储器模块所需的地址线。存储器模块由模块允许信号自动选中。这是一项可减少总电流消耗的技术。最低的64KB 空间的顶部16 个字,即0FFFh—0FFE0h, 保留存放复位和中断的向量。程序对存储器可以任意读取, 但不能写入。
1.3 数据存储器
数据存储器(RAM)经两条总线与CPU 相连, 即存储器地址总线(MAB)和存储器数据总线(MDB)。数据存储器可以以字或字节宽度集成在片内。所有指令可以对字节或字进行操作, 但是对堆栈和 PC 的操作是按字宽度进行的, 寻址时必须对准偶地址。
1.4 运行控制
MSP430 系列微控制器的运行主要受控于存储在特殊寄存器(SFR)中的信息。不同 SFR 中的位可以允许中断, 以支持取决于中断标志状态的软件, 以及定义外围模块的工作模式。被禁止的外围模块将停止它的功能以减少电流消耗, 而所有存储在模块寄存器中的数据仍被保留。外围模块的工作模式可以用SFR 的特定位置来标明。
1.5 外围模块
外围模块经MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU 相连。对大多数外围模块, MAB 通常是5 位, MDB是8 位或16 位。8 位数据总线的模块经总线转换电路与16 位的CPU 相连, 这些模块的数据交换无一例外地要用字节指令处理, 而对 16 位模块的操作指令就没有任何限制。大部分外围模块是工作在字节方式下的, SFR 的处理也为 8 位。对 8 位外围模块的操作要根据对顺序的说明来进行。
1.6 振荡器、倍频器和时钟发生器
振荡器是专门为通用的低功耗 32768HZ 时钟晶振而设计的。这一振荡器对于一些以低频工作的模块来说是直接信号源。对于CPU 和其他模块, 则将晶振频率用一个锁频环电路(FLL) 进行倍频。FLL 在上电后以最低频率开始工作, 并通过控制一个数控振荡器(DCO)来调整到适当的频率。MSP430 系列单片机具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设和方便高效的开发环境等特性。
2 微功耗体外临时心脏起搏器的硬件设计
2.1 硬件系统框图
该微功耗体外临时心脏起搏器的硬件结构主要由MSP4301232 单片机主体模块、电源模块、脉冲发射模块、脉冲放大模块、滤波模块以及R 波感知比较模块等组成。其中电源模块一共可产生三个电压值(+3.3V、- 3.3V、+15V), 它们为该起搏器硬件系统的所有其他功能模块分别提供工作电压。脉冲发射模块、脉冲放大模块、滤波模块和R 波感知比较模块的主要功能是对+PACE 端输入的脉冲进行一系列处理, 最终输出R 波感知信号, 作为 MSP4301232 单片机的一个处理信号。
2.2 原理电路
MSP430 系列是一种超低功耗的16 位单片机。在该体外临时心脏起搏设备中的MSP4301232 芯片与外设的连接形式如图2所示。该模块主要完成对各个输入、输出信号的软件处理功能, 它是起搏器的核心组成部分。
3 微功耗体外临时心脏起搏器的软件设计
该微功耗体外临时心脏起搏器的程序设计是采用MSP430 汇编语言实现的。系统上电后, 首先进行初始化。包括选择时钟频率, 停止看门狗, 初始化堆栈指针, 对I/O 端口、16 位定时器A及其捕获比较模块进行设置等。然后选择低功耗模式3 运行系统, 开中断,进入主循环。在定时中断中输出起搏脉冲, 完成相关的中断服务。对MSP430 系列的低 功耗模式以及Timer- A 中断能力的应用, 使得系统耗电量较之以前有了大幅缩减。
3.1 软件的系统结构
微功耗体外临时心脏起搏器的程序设计包括以下4 个模块:
3.1.1 初始化程序。 包括选择时钟频率, 停止看门狗, 初始化堆栈指针, 对I/O 端口、16 位定时器A 及其捕获比较模块进行设置等。
3.1.2 主循环程序。使系统以低功耗模式3 运行,开中断, 等待定时中断到来进入中断服务程序。
3.1.3 GET FREQ 模块。判断并显示是否出现电池电量低的情况; 通过A/D 转换得到电位器设置的起搏频率, 再根据起搏模式查表得到该频率所对应的起搏间期。
3.1.4 中断程序。包括CCR0、CCR1、CCR2 及 P2口等多个中断子程序。响应感知中断以及起搏间期、反拗期、起搏或感知灯亮时间定时到等三个定时中断程序, 从而使系统实现VOO 和VVI 两种起搏方式。图3 为微功耗体外临时心脏起搏器软件系统结构框图。
此系统软件通过响应各个中断程序, 可以实现VOO 及VVI 两种起搏模式, 两者的时序图分别如图4和图5 所示。
3.2 测试结果
经用XP2351 型起搏系统分析仪对体外临时心脏起搏器的设计成品进行检测,检测结果如表1 所示。
体外临时心脏起搏器系统改进前后的耗能比较,如表2 所示。
由实验结果可知, 该装置比原有的以AT89c2051型单片机制造的体外临时心脏起搏器在单位电池供电的情况下使用期限更长, 以实现低功耗, 即将原来的工作电流削减一半以上, 电池更换的频率由原先的1 次/周, 降低至1 次/月。
4 结论与建议
根据以上测试结果可知, MSP430 系列单片机体外临时心脏起搏器的微功耗研究已取得可喜成果, 技术指标达到设计要求, 即起搏器的耗电量有了大幅的削减。然而随着现代科技的发展和临床应用的需要, 人们期待有更高性能的医疗产品问世。所以, 在此次研究成果的基础上, 还可考虑添加其他参数以丰富起搏器的功能。例如扩充起搏模式、设置上限频率等等。
论文创新点:
1）. 程序设计是采用MSP430 汇编语言实现。
2）. 该装置比原有的以AT89c2051 型单片机制造的体外临时心脏起搏器在单位电池供电的情况下使用期限更长, 以实现低功耗, 即将原来的工作电流削减一半以上, 电池更换的频率由原先的1 次/周, 降低至1 次/月 。
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作者简介: 李建新(1963—), 男, 延安大学物理与电子信息学院, 副教授, 研究方向: 电子技术应用与生物电子学 Email:yaljx@126.com。金印彬(1962—), 男, 西安交通大学电气学院, 讲师、在职博士研究生, 研究方向: 电子技术应用与生物医学工程。(716000 延安大学物理与电子信息学院)李建新(710049 西安交通大学电气学院)金印彬
