基于MSP430的便携式运动量及生理参数监测仪设计

随着我国经济和医疗卫生事业的快速发展，人们对自身的健康状况越来越关注，其健康理念已经逐渐从单纯"预防疾病"向"改善和促进健康"转变--即由"早发现、早诊断、早治疗"的二级预防向"利用各种健康促进手段来改善健康状况"的一级预防转变。与此相适应，智能化监护仪器作为健康管理和促进的重要手段已经成为一个新兴的应用领域和重要市场，每个人都可以通过一定的健康促进手段来对个人进行"健康管理"。本文所述的便携式运动量及生理参数监测仪就是一种可用于个人健康管理的智能化仪器，其设计理念和应用背景充分体现了我国新兴的健康管理产业的基本发展趋势。

　　系统设计

　　便携式运动量及生理参数监测仪能实时记录和监测人体的运动数据，并定量评估人体运动量和体能消耗程度，通过以卡路里为单位的热量形式实时显示出来;监测仪还能够实时监测人体血氧饱和度、心电信号、心率、体温等重要生理参数，从运动量和生理参数两方面评估体育锻炼或康复训练中的运动是否过量，并根据运动量及生理参数的数值是否在安全范围来决定是否进行报警提示。因此该监测仪既能保证运动效果，又可以有效预防因"过量运动"导致意外的发生。

　　如图1所示，便携式运动量及生理参数监测仪是一个典型的单片机应用系统，在系统设计中应注意满足微功耗、微型化及可靠性的要求。便携式运动量及生理参数监测仪的现场使用性要求其电流消耗小，以降低系统的功耗，延长电池使用时间。因此，微功耗设计是系统设计的重要内容。微功耗设计的核心是最小功耗系统的设计，它不仅能降低系统功耗，还使系统具有较低的电磁辐射和较高的可靠性。本监测仪的微功耗设计具体包括系统的运行功耗分析、低功耗设计、功耗管理以及低功耗的软件设计。

　　具体而言，便携式运动量及生理参数监测仪需满足以下要求：

　　● 能以高精度采集和存储人体的运动信号、生理信号，并通过相关算法对数据作相应处理;

　　● 具有友好的中文人机操作界面，能够方便地设置和操作;

　　● 能够与PC机方便地交换数据，并可通过PC机上的配套软件进行后续数据分析和处理;

　　● 监测仪能方便地佩带于人体，重量轻，体积小，1~2节电池供电。

　　如图1所示，运动传感器、数字式血氧模块、心电模块以及信号调理单元构成了系统内的前向通道，人体的运动数据和血氧饱和度、心电、心率等生理参数的数据通过前向通道进入中央控制单元。

　　中央控制单元采用了具有超低功耗的16位微控制器MSP430F149(以下简称F149)，其片内集成有8通道12位精度的A/D转换模块、60kB的FLASH ROM和2kB的数据RAM，且具有硬件乘法器和2个串行通信接口。采用F149作为本系统的中央控制单元，可以在无需片外A/D芯片的基础上实现运动信号及各种生理信号的采集、接收和处理。提升了系统的先进性、可靠性和集成度，能有效降低系统设计的难度，较大程度提升系统的整体性能。

数据存储单元用于存储系统内的运动数据、血氧饱和度及心电信号等数据，需要根据存储容量、功耗、接口形式、存取速度、体积等要求选择合适的数据存储芯片。

　　显示与键盘接口单元提供了设置和操作本监测仪的键盘接口，并通过图形点阵液晶实现汉字功能菜单显示、生理参数的数值显示和波形回放等功能，为系统提供友好和智能化的人机交互界面。

　　时钟单元为系统提供实时的时间坐标，进而能为数据的存储提供可参照的起始和结束时间点。

　　数据通信单元提供本监测仪与PC机之间的数据交换手段，既可以是串行、USB、TCP/IP网络通信等有线接口方式;又可以通过无线收发芯片组建一个固定频点下(如433MHz)的无线通信网络，或者是基于GPRS的远程无线传输网络。

　　电源单元为监测仪内的模拟和数字电路部分分别供电，提供不同的工作电压和一定的电源分区管理功能，其输出质量直接关系到系统的精度和可靠性。

　　运动监测模块

　　运动监测模块完成人体运动信号的输入、放大和滤波，主要包括运动传感器和信号调理单元。

　　运动传感器一般可以有两种形式：单维的振动传感器和三维的运动传感器。前者如微振动传感器，是一种有源的微功耗振动检测器件，一般以正弦波形式输出，可将其转换成脉冲波形后输入微控制器。微控制器通过检测高电平来实时记录跑步者的步数，并以此计算运动者的体能损耗。

更精确的人体运动信号可以通过三维加速度传感器获得。加速度传感器作为近十几年才发展、成熟起来的运动传感器，其不仅能够通过测量运动能耗来评估运动量，还能通过测量加速度来反映人体运动的强度和频率，能够把人体的各种运动状态转换为不同幅度的电压信号。其安装简便，体积小，测量简单。